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用近十年時間自主選育新品種我國科學家發(fā)現(xiàn)新芒草耐鹽堿基因

2022-04-11 14:35:47 來源：科技日報

在山東省濱州市無棣縣柳堡鎮(zhèn)的土地上，一塊“綠洲”格外引人注目。其四周都是白花花的鹽堿地，唯獨這里綠意盎然。這是山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院教授陳翠霞團隊的芒草試驗地。

他們用近十年時間自主選育的芒草抗鹽堿新品種，就種在這里。到了收獲季節(jié)，畝產(chǎn)整株產(chǎn)量高達3600公斤。

最近，陳翠霞團隊又發(fā)現(xiàn)了新的芒草耐鹽堿基因，相關(guān)成果在線發(fā)表于國際期刊《自然·植物》上。陳翠霞課題組破譯了染色體級別的五節(jié)芒參考基因組圖譜，還解析了芒屬植物基因進化歷史，揭示了芒草中纖維素或半纖維素含量高的分子機制，為種質(zhì)利用和新品種創(chuàng)制提供了理論支撐。

創(chuàng)建芒屬植物種質(zhì)資源圃

在荒地里瘋長的芒草外形高大，俯拾即是。這種禾本科植物是世界上極具開發(fā)潛力的重要木質(zhì)纖維素原料作物，其用途廣泛、可生產(chǎn)生物質(zhì)燃料酒精。

十多年前，石油價格大漲，歐美國家紛紛斥巨資研究可再生能源，木質(zhì)纖維素作物成為研究焦點。從那時起，在美國伊利諾斯大學香檳分校生物能源所工作的陳翠霞開始涉足相關(guān)研究。

外表平平但極具內(nèi)涵，這是陳翠霞對芒草的評價。“它抗逆性強，可在荒草地、沼澤灘涂等邊際土地上種植生長，也是世界上最具開發(fā)潛力的木質(zhì)纖維素原料作物。”她說。

在實驗室被“養(yǎng)育”了多年的芒草，陳翠霞希望它能“有番作為”。

長久以來，土地鹽堿化是山東所在的黃河三角洲地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的突出問題。

“鹽堿地和芒草種植‘聯(lián)姻’應(yīng)該有前景。”深度調(diào)研之后，陳翠霞給出判斷，團隊成員迅速收集國內(nèi)外芒草種質(zhì)資源，他們把找到的200多份種質(zhì)都放進山東農(nóng)業(yè)大學南校區(qū)實驗站內(nèi)。

“我們在學校里又通過雜交育種培育，篩選出300多份芒草雜交種，由此創(chuàng)建了自己的芒屬植物種質(zhì)資源圃。”有了“家底”，陳翠霞覺得在鹽堿地進行芒草種植研究更有底氣了。

選育出耐鹽堿芒草新品種

“渤海糧倉科技示范工程”(以下簡稱渤海糧倉)是一項農(nóng)業(yè)科技工程，旨在通過科技攻關(guān)改良中低產(chǎn)田和鹽堿地，進而實現(xiàn)增糧增收。

乘著渤海糧倉的東風，陳翠霞在緊鄰渤海的柳堡鎮(zhèn)找到了近20畝中、重度鹽堿地，種植已研發(fā)的芒草新種質(zhì)，篩選并培育出耐鹽堿雜交品種。

起初，陳翠霞團隊成員將學校的芒草根資源運到200公里之外的柳堡鎮(zhèn)進行栽種，到了后來他們直接在當?shù)剡x育新品種。

一件讓人哭笑不得的事，更堅定了陳翠霞扎根鹽堿地的決心。“芒草剛長出來時，附近村的牛羊都來吃，這破壞了芒草生長，但卻讓我們看到了芒草作為畜禽飼料的潛力。”她說。

如今，這片有3000余株芒草的鹽堿地生機勃勃，它不但成了網(wǎng)紅美景打卡地，還受到了業(yè)內(nèi)專家的高度認可。

“這里各品系植株形態(tài)多樣、錯落有致，且四季皆有景可觀，具備了一個小型鹽堿地生態(tài)恢復(fù)觀光園的功能。”山東省畜牧總站研究員翟桂玉說。

此外，陳翠霞團隊新選育的耐鹽能源芒草137、耐鹽綠芒297、耐鹽荻竹101芒草新品，在中、重度鹽堿地上一畝地整株鮮重年產(chǎn)量分別約為3600、3200、1500公斤，表現(xiàn)十分亮眼。

破譯五節(jié)芒基因組

芒草為什么具有這么強的抗逆性?為了解答這個問題，陳翠霞團隊又開始研究芒草分子遺傳學機制。“當時關(guān)于它的生物學、細胞學和遺傳學文獻很少，我們的研究可謂‘白手起家’，從基礎(chǔ)生物學相關(guān)內(nèi)容開始。”她回憶道。

芒草的基因組龐大、較為復(fù)雜，這給研究帶來了不小的挑戰(zhàn)。

“我們通過二代、三代等當前先進的測序方式，用遺傳圖譜和BioNano數(shù)據(jù)等進行修正和驗證，并進行基因注釋和轉(zhuǎn)座子注釋等，解析芒草基因組。”陳翠霞團隊成員、山東農(nóng)業(yè)大學副教授張國斌說。

經(jīng)過近十年鉆研，陳翠霞團隊終于成功破譯了芒屬植物代表性物種五節(jié)芒的基因組。順著芒草基因組的“藤”，該團隊又找到了“瓜”。他們進一步推斷出同為禾本科甘蔗亞族植物的高粱、芒草和甘蔗3個物種的具體進化關(guān)系和時間;探討芒屬植物之間存在著廣泛種間雜交和漸滲作用的理論支撐;鑒定高粱、甘蔗和芒草機體內(nèi)纖維素合酶的基因表達情況。

“我們希望為糧食作物，如水稻和小麥等，提供基因資源;同時，將芒草打造為促進鹽堿地生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的‘利器’。”陳翠霞說。(王延斌郭翠華)

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