破题高端牧草优质培育 助力畜牧业高质量发展
随着人们对奶制品和肉类的需求急剧攀升,激增的家畜养殖对优质牧草,特别是紫花苜蓿的需求量大增。但我国每年仅能生产200多万吨优质紫花苜蓿,存在巨大的需求缺口,长期以来高度依赖进口牧草。国内优质牧草短缺的现状已成为制约我国畜牧业高质量发展的关键瓶颈。
“培育属于自己的优质高产苜蓿品种势在必行。”为此,2023年度云南省自然科学奖一等奖获得者、中国科学院热带植物资源可持续利用重点实验室副主任陈江华及其团队于2014至2021年间,聚焦解析苜蓿作物研究中的关键科学问题和技术瓶颈,以叶片和株型为突破口,在苜蓿功能基因研究与分子育种领域潜心研究、攻坚克难,取得了重要进展。在为苜蓿育种研究提供全新思路,实现紫花苜蓿产量大幅提升的同时,也为苜蓿叶型、杂交育种和分枝性状的分子改良提供了重要的基因资源。
探索基因资源夯实苜蓿品种改良“新”基础
(曲靖市马龙区苜蓿育种基地)
“牧草跟作物不一样。对于作物,我们大多吃它的种子作为能量补充来源,但是苜蓿不行,以我们改造苜蓿跟其他的作物不一样,主要聚焦的就是它叶片的形状。这也是我们的研究目标。”陈江华及其团队从一开始就抓住了研究的重点。
经过10多年的努力,陈江华及其团队通过正向遗传学,获得了多个叶片农艺性状改变的核心材料并克隆出其中的功能基因,在国际上率先提出了苜蓿复叶发育的分子调控模型,为苜蓿叶型的分子改良育种提供了重要的基因资源。
同时,团队克隆了多个苜蓿重要农艺性状的功能基因,包括苜蓿雄性不育基因,调控苜蓿分枝性状功能基因等,为苜蓿不育系的应用和株型改良奠定了坚实的基础。
“我们的创新点之一,就是针对核心的农业性状功能基因进行攻关合作,形成了国际专利自主资产的基因资源。这些基因资源是我们宝贵的生物资源,对于科研等领域具有重要的价值,将为我们今后的研究提供很多帮助。”陈江华说。
基因编辑技术打通苜蓿育种“新”途径
(苜蓿杂交授粉)
“紫花苜蓿是优良豆科牧草,是世界范围内重要的优质饲草,有20%的高蛋白含量,被誉为‘牧草之王’,对畜牧业特别重要。”陈江华介绍。但是,由于紫花苜蓿复杂基因组与多倍性、转基因效率低等因素,极大地阻碍了其基因组密码的破译,进而阻碍了与关键农艺性状相关的基因的挖掘以及新品种的培育,制约了其基础与应用研究。
“传统的杂交育种运用在同源四倍体中周期非常长,一个周期可能需要5至10年。所以我们打破传统的杂交育种方式,找了另外一个途径,就是通过基因编辑育种,直接定向的去改造重要的功能基因、叶片基因。”陈江华说。
经过不懈地努力,陈江华及其团队解析出了我国地方特有品种“新疆大叶”紫花苜蓿基因组,并成功将四倍体基因组组装到32条染色体上。在此基础上,他们进一步开发出高效的基因编辑技术体系,成功培育出一批多叶型紫花苜蓿新材料,其杂交后代表现出稳定的多叶型性状且不含转基因标记。这是我国农业科研人员首次破译紫花苜蓿基因组并建立基因编辑育种体系。
对此,陈江华自豪地说:“原本在同类型的研究中我们相比国外启动的要晚一点,但是在我们团队的通力合作之下实现了弯道超车。我们的新品种不仅叶片产量高,还具有抗病的特性。”
云岭大地孕育畜牧业发展“新”方向
(收割苜蓿)
无论是植物动物还是微生物,云南的生物物种资源都十分丰富。在牧草研究发展的过程中,云南多样的气候类型和丰富的生物资源都是陈江华及其团队选择在这里开展研究工作的因素之一。
陈江华认为,云南的气候非常有优势,特别适合牧草生长。同时,云南也是非常大的畜牧业生产大省,牛的存栏量在全国前三,是我国畜禽品种最丰富的地区之一,还拥有中国西南地区最大的活畜交易市场,对牧草的需求非常大。“我们是围绕云南省的十大产业开展工作,也是因为产业背后的市场需求。”
“云南山区面积较大,种植了非常多的咖啡、核桃、澳洲坚果等。但是防野草对农户来说是一个非常头疼的问题。”结合云南产业发展实际情况,陈江华说道,“如果能把高蛋白牧草种下去,就能实现一举三得。首先是不用防野草了,还能利用云南的气候和牧草便于管理的特性生产高蛋白牧草,让农户实现增收。同时高蛋白牧草相当于天然的化肥厂,在土里可以跟微生物发生共生,把空气中的氮元素变成植物可以吸收的氮肥,对土壤也有非常好的改良作用。所以我认为,云南发展高端牧草大有可为,对云南的畜牧业发展也有很大的助益。”
“紫花苜蓿物种自身的特征极大地限制了功能基因的解析工作,这是目前整个苜蓿研究领域都面临的困难。”陈江华表示,“今后我们的主要研究方向仍是集中于苜蓿农艺性状相关的功能基因的挖掘。我们将继续与三杰牧草(杨凌)研究院和西北工业大学合作,将紫花苜蓿的基因组提升到T2T水平;同时双方共同努力进一步提升苜蓿的转基因和基因编辑效率。此外,在蒺藜苜蓿中发掘更多的和小叶数目、复叶数量、叶片面积、株高、分枝、开花时间等相关的功能基因,评价它们对蒺藜苜蓿的性状影响后在紫花苜蓿中进行相关验证,争取不断地发掘更多的农艺性状相关基因。”(姚敏/文 中国科学院西双版纳热带植物园/图)来源 : 中国网作者 : 姚敏
“培育属于自己的优质高产苜蓿品种势在必行。”为此,2023年度云南省自然科学奖一等奖获得者、中国科学院热带植物资源可持续利用重点实验室副主任陈江华及其团队于2014至2021年间,聚焦解析苜蓿作物研究中的关键科学问题和技术瓶颈,以叶片和株型为突破口,在苜蓿功能基因研究与分子育种领域潜心研究、攻坚克难,取得了重要进展。在为苜蓿育种研究提供全新思路,实现紫花苜蓿产量大幅提升的同时,也为苜蓿叶型、杂交育种和分枝性状的分子改良提供了重要的基因资源。
探索基因资源夯实苜蓿品种改良“新”基础
(曲靖市马龙区苜蓿育种基地)
“牧草跟作物不一样。对于作物,我们大多吃它的种子作为能量补充来源,但是苜蓿不行,以我们改造苜蓿跟其他的作物不一样,主要聚焦的就是它叶片的形状。这也是我们的研究目标。”陈江华及其团队从一开始就抓住了研究的重点。
经过10多年的努力,陈江华及其团队通过正向遗传学,获得了多个叶片农艺性状改变的核心材料并克隆出其中的功能基因,在国际上率先提出了苜蓿复叶发育的分子调控模型,为苜蓿叶型的分子改良育种提供了重要的基因资源。
同时,团队克隆了多个苜蓿重要农艺性状的功能基因,包括苜蓿雄性不育基因,调控苜蓿分枝性状功能基因等,为苜蓿不育系的应用和株型改良奠定了坚实的基础。
“我们的创新点之一,就是针对核心的农业性状功能基因进行攻关合作,形成了国际专利自主资产的基因资源。这些基因资源是我们宝贵的生物资源,对于科研等领域具有重要的价值,将为我们今后的研究提供很多帮助。”陈江华说。
基因编辑技术打通苜蓿育种“新”途径
(苜蓿杂交授粉)
“紫花苜蓿是优良豆科牧草,是世界范围内重要的优质饲草,有20%的高蛋白含量,被誉为‘牧草之王’,对畜牧业特别重要。”陈江华介绍。但是,由于紫花苜蓿复杂基因组与多倍性、转基因效率低等因素,极大地阻碍了其基因组密码的破译,进而阻碍了与关键农艺性状相关的基因的挖掘以及新品种的培育,制约了其基础与应用研究。
“传统的杂交育种运用在同源四倍体中周期非常长,一个周期可能需要5至10年。所以我们打破传统的杂交育种方式,找了另外一个途径,就是通过基因编辑育种,直接定向的去改造重要的功能基因、叶片基因。”陈江华说。
经过不懈地努力,陈江华及其团队解析出了我国地方特有品种“新疆大叶”紫花苜蓿基因组,并成功将四倍体基因组组装到32条染色体上。在此基础上,他们进一步开发出高效的基因编辑技术体系,成功培育出一批多叶型紫花苜蓿新材料,其杂交后代表现出稳定的多叶型性状且不含转基因标记。这是我国农业科研人员首次破译紫花苜蓿基因组并建立基因编辑育种体系。
对此,陈江华自豪地说:“原本在同类型的研究中我们相比国外启动的要晚一点,但是在我们团队的通力合作之下实现了弯道超车。我们的新品种不仅叶片产量高,还具有抗病的特性。”
云岭大地孕育畜牧业发展“新”方向
(收割苜蓿)
无论是植物动物还是微生物,云南的生物物种资源都十分丰富。在牧草研究发展的过程中,云南多样的气候类型和丰富的生物资源都是陈江华及其团队选择在这里开展研究工作的因素之一。
陈江华认为,云南的气候非常有优势,特别适合牧草生长。同时,云南也是非常大的畜牧业生产大省,牛的存栏量在全国前三,是我国畜禽品种最丰富的地区之一,还拥有中国西南地区最大的活畜交易市场,对牧草的需求非常大。“我们是围绕云南省的十大产业开展工作,也是因为产业背后的市场需求。”
“云南山区面积较大,种植了非常多的咖啡、核桃、澳洲坚果等。但是防野草对农户来说是一个非常头疼的问题。”结合云南产业发展实际情况,陈江华说道,“如果能把高蛋白牧草种下去,就能实现一举三得。首先是不用防野草了,还能利用云南的气候和牧草便于管理的特性生产高蛋白牧草,让农户实现增收。同时高蛋白牧草相当于天然的化肥厂,在土里可以跟微生物发生共生,把空气中的氮元素变成植物可以吸收的氮肥,对土壤也有非常好的改良作用。所以我认为,云南发展高端牧草大有可为,对云南的畜牧业发展也有很大的助益。”
“紫花苜蓿物种自身的特征极大地限制了功能基因的解析工作,这是目前整个苜蓿研究领域都面临的困难。”陈江华表示,“今后我们的主要研究方向仍是集中于苜蓿农艺性状相关的功能基因的挖掘。我们将继续与三杰牧草(杨凌)研究院和西北工业大学合作,将紫花苜蓿的基因组提升到T2T水平;同时双方共同努力进一步提升苜蓿的转基因和基因编辑效率。此外,在蒺藜苜蓿中发掘更多的和小叶数目、复叶数量、叶片面积、株高、分枝、开花时间等相关的功能基因,评价它们对蒺藜苜蓿的性状影响后在紫花苜蓿中进行相关验证,争取不断地发掘更多的农艺性状相关基因。”(姚敏/文 中国科学院西双版纳热带植物园/图)来源 : 中国网作者 : 姚敏
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