隨著人們對(duì)奶制品和肉類的需求急劇攀升，激增的家畜養(yǎng)殖對(duì)優(yōu)質(zhì)牧草，特別是紫花苜蓿的需求量大增。但我國(guó)每年僅能生產(chǎn)200多萬噸優(yōu)質(zhì)紫花苜蓿，存在巨大的需求缺口，長(zhǎng)期以來高度依賴進(jìn)口牧草。國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)牧草短缺的現(xiàn)狀已成為制約我國(guó)畜牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

“培育屬于自己的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)苜蓿品種勢(shì)在必行。”為此，2023年度云南省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)獲得者、中國(guó)科學(xué)院熱帶植物資源可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任陳江華及其團(tuán)隊(duì)于2014至2021年間，聚焦解析苜蓿作物研究中的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)瓶頸，以葉片和株型為突破口，在苜蓿功能基因研究與分子育種領(lǐng)域潛心研究、攻堅(jiān)克難，取得了重要進(jìn)展。在為苜蓿育種研究提供全新思路，實(shí)現(xiàn)紫花苜蓿產(chǎn)量大幅提升的同時(shí)，也為苜蓿葉型、雜交育種和分枝性狀的分子改良提供了重要的基因資源。

探索基因資源夯實(shí)苜蓿品種改良“新”基礎(chǔ)

（曲靖市馬龍區(qū)苜蓿育種基地）

“牧草跟作物不一樣。對(duì)于作物，我們大多吃它的種子作為能量補(bǔ)充來源，但是苜蓿不行，是直接吃它的葉片。這是苜蓿最大的特點(diǎn)。所以我們改造苜蓿跟其他的作物不一樣，主要聚焦的就是它葉片的形狀。這也是我們的研究目標(biāo)。”陳江華及其團(tuán)隊(duì)從一開始就抓住了研究的重點(diǎn)。

經(jīng)過10多年的努力，陳江華及其團(tuán)隊(duì)通過正向遺傳學(xué)，獲得了多個(gè)葉片農(nóng)藝性狀改變的核心材料并克隆出其中的功能基因，在國(guó)際上率先提出了苜蓿復(fù)葉發(fā)育的分子調(diào)控模型，為苜蓿葉型的分子改良育種提供了重要的基因資源。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)克隆了多個(gè)苜蓿重要農(nóng)藝性狀的功能基因，包括苜蓿雄性不育基因，調(diào)控苜蓿分枝性狀功能基因等，為苜蓿不育系的應(yīng)用和株型改良奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“我們的創(chuàng)新點(diǎn)之一，就是針對(duì)核心的農(nóng)業(yè)性狀功能基因進(jìn)行攻關(guān)合作，形成了國(guó)際專利自主資產(chǎn)的基因資源。這些基因資源是我們寶貴的生物資源，對(duì)于科研等領(lǐng)域具有重要的價(jià)值，將為我們今后的研究提供很多幫助。”陳江華說。

基因編輯技術(shù)打通苜蓿育種“新”途徑

（苜蓿雜交授粉）

“紫花苜蓿是優(yōu)良豆科牧草，是世界范圍內(nèi)重要的優(yōu)質(zhì)飼草，有20%的高蛋白含量，被譽(yù)為‘牧草之王’，對(duì)畜牧業(yè)特別重要。”陳江華介紹。但是，由于紫花苜蓿復(fù)雜基因組與多倍性、轉(zhuǎn)基因效率低等因素，極大地阻礙了其基因組密碼的破譯，進(jìn)而阻礙了與關(guān)鍵農(nóng)藝性狀相關(guān)的基因的挖掘以及新品種的培育，制約了其基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。

“傳統(tǒng)的雜交育種運(yùn)用在同源四倍體中周期非常長(zhǎng)，一個(gè)周期可能需要5至10年。所以我們打破傳統(tǒng)的雜交育種方式，找了另外一個(gè)途徑，就是通過基因編輯育種，直接定向的去改造重要的功能基因、葉片基因。”陳江華說。

經(jīng)過不懈地努力，陳江華及其團(tuán)隊(duì)解析出了我國(guó)地方特有品種“新疆大葉”紫花苜蓿基因組，并成功將四倍體基因組組裝到32條染色體上。在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步開發(fā)出高效的基因編輯技術(shù)體系，成功培育出一批多葉型紫花苜蓿新材料，其雜交后代表現(xiàn)出穩(wěn)定的多葉型性狀且不含轉(zhuǎn)基因標(biāo)記。這是我國(guó)農(nóng)業(yè)科研人員首次破譯紫花苜蓿基因組并建立基因編輯育種體系。

對(duì)此，陳江華自豪地說：“原本在同類型的研究中我們相比國(guó)外啟動(dòng)的要晚一點(diǎn)，但是在我們團(tuán)隊(duì)的通力合作之下實(shí)現(xiàn)了彎道超車。我們的新品種不僅葉片產(chǎn)量高，還具有抗病的特性。”

云嶺大地孕育畜牧業(yè)發(fā)展“新”方向

（收割苜蓿）

無論是植物動(dòng)物還是微生物，云南的生物物種資源都十分豐富。在牧草研究發(fā)展的過程中，云南多樣的氣候類型和豐富的生物資源都是陳江華及其團(tuán)隊(duì)選擇在這里開展研究工作的因素之一。

陳江華認(rèn)為，云南的氣候非常有優(yōu)勢(shì)，特別適合牧草生長(zhǎng)。同時(shí)，云南也是非常大的畜牧業(yè)生產(chǎn)大省，牛的存欄量在全國(guó)前三，是我國(guó)畜禽品種最豐富的地區(qū)之一，還擁有中國(guó)西南地區(qū)最大的活畜交易市場(chǎng)，對(duì)牧草的需求非常大。“我們是圍繞云南省的十大產(chǎn)業(yè)開展工作，也是因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)背后的市場(chǎng)需求。”

“云南山區(qū)面積較大，種植了非常多的咖啡、核桃、澳洲堅(jiān)果等。但是防野草對(duì)農(nóng)戶來說是一個(gè)非常頭疼的問題。”結(jié)合云南產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際情況，陳江華說道，“如果能把高蛋白牧草種下去，就能實(shí)現(xiàn)一舉三得。首先是不用防野草了，還能利用云南的氣候和牧草便于管理的特性生產(chǎn)高蛋白牧草，讓農(nóng)戶實(shí)現(xiàn)增收。同時(shí)高蛋白牧草相當(dāng)于天然的化肥廠，在土里可以跟微生物發(fā)生共生，把空氣中的氮元素變成植物可以吸收的氮肥，對(duì)土壤也有非常好的改良作用。所以我認(rèn)為，云南發(fā)展高端牧草大有可為，對(duì)云南的畜牧業(yè)發(fā)展也有很大的助益。”

“紫花苜蓿物種自身的特征極大地限制了功能基因的解析工作，這是目前整個(gè)苜蓿研究領(lǐng)域都面臨的困難。”陳江華表示，“今后我們的主要研究方向仍是集中于苜蓿農(nóng)藝性狀相關(guān)的功能基因的挖掘。我們將繼續(xù)與三杰牧草（楊凌）研究院和西北工業(yè)大學(xué)合作，將紫花苜蓿的基因組提升到T2T水平；同時(shí)雙方共同努力進(jìn)一步提升苜蓿的轉(zhuǎn)基因和基因編輯效率。此外，在蒺藜苜蓿中發(fā)掘更多的和小葉數(shù)目、復(fù)葉數(shù)量、葉片面積、株高、分枝、開花時(shí)間等相關(guān)的功能基因，評(píng)價(jià)它們對(duì)蒺藜苜蓿的性狀影響后在紫花苜蓿中進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證，爭(zhēng)取不斷地發(fā)掘更多的農(nóng)藝性狀相關(guān)基因。”（姚敏/文 中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園/圖）