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2023年第26期(总第3791期) 导报二版
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四川农业大学黄琳凯教授团队实现牧草“卡脖子”技术重大突破,着力破解“人畜争粮”难题——
小牧草也有大作为
■张喆 本报记者 鲁磊
《教育导报》2023年第26期(总第3791期) 导报二版

黄琳凯教授(中)与团队成员在实验室工作。(图片由受访学校提供)

“热烈祝贺!为草学人争了光!”近日,四川农业大学草业科技学院黄琳凯教授团队在国际权威学术期刊《自然遗传学》在线发表了主题为“美洲狼尾草泛基因组构建、结构变异挖掘及耐热机制解析”的研究成果。论文一上线,国内同行纷纷发来祝贺信息,黄琳凯的手机响个不停。

之所以引起这么大的“轰动”,是因为几个“第一”:我国牧草领域首次在该期刊上发表研究成果;构建了全球首个美洲狼尾草图形泛基因组,也是世界上首个牧草领域图形泛基因组;首次解释了狼尾草耐热的分子机制,将为相关物种如玉米、小麦和水稻的耐热研究提供重要信息,将在应对全球气候变暖、保障粮食安全等方面发挥重要作用。

这么多的“第一”,诠释着黄琳凯团队扎根牧草研究领域的坚持与守望,把小草做出了大文章。

守住粮食安全底线

“1500元一亩!小麦收割当青贮饲料!”近年来,在我国小麦主产区河南、山东、河北等地陆续出现割青麦做牛羊饲料的现象,引发社会强烈关注。

事发正值4月底5月初,是北方小麦进入灌浆期,再过一个月就将迎来丰收喜悦。农民为什么会卖没有成熟的粮食?一时间众说纷纭。

“割小麦当饲料太不划算了,一亩小麦也就产2吨左右的鲜草料,但是一亩狼尾草至少能产10吨。”黄琳凯也注意到了这条新闻,多年从事牧草研究的他心痛不已,“出现‘人畜争粮’矛盾的重要原因之一就是牧草短缺。”

随着人民生活水平不断提高,我国草畜产品消费大幅增加,牧草的需求量也相应地大幅增加。然而,我国牧草产业发展远落后于发达国家。黄琳凯提供的一组数据足以说明问题:2021年,我国牧草进口量创下新高,达199 .24万吨。目前,我国牧草用种约70%依赖进口。

“如果牛羊的草够吃了,就不会再跟人争粮。”黄琳凯研究牧草的决心更加坚定,“发展高质量的牧草业,也是守住国家粮食安全底线的重要一环。”

科技赋能牧草产业

与改良与选育为主的传统研究方式不同,如何用科技引领牧草产业发展,是黄琳凯团队长期的主攻方向。2019年,他所在的团队公布了我国首个牧草参考基因组—鸭茅草高质量参考基因组,这些都为他下一步研究奠定了坚实基础。

“狼尾草在我国的种植面积越来越大,要注意一下这方面的研究。”早在10年前,在导师张新全教授的嘱咐下,黄琳凯带领团队开始与美洲狼尾草结缘。

美洲狼尾草,又名珍珠粟,是草食家畜和食草淡水鱼类的优质饲料和青料。其作为亲本的杂交狼尾草,目前在南方各省普遍种植,是单产最高的多年生牧草之一。在非洲、印度等热带干旱地区,还是重要的杂粮作物。

“开展分子生物学研究,图形泛基因组就是敲门砖。”黄琳凯解释,受地域、环境、人为等因素影响,每一个生物个体都形成了特别的遗传性状。只有给遗传信息全面、精准“画像”,才能更好地开展基因挖掘、分子育种,真正实现科技引领牧草业高质量发展。

2018年,黄琳凯教授团队开始着手构建美洲狼尾草的图形泛基因组。但是,牧草基因组大、重复序列及杂合度都较高,增加了基因组序列构建的难度。

“全球对于这一领域的研究点多面广,有的擅长基因组装,有的擅长进化研究,有的算力强,有的材料多。”黄琳凯意识到,只有整合资源、优势互补,才能快速攻克难题。研究团队主动出击,积极联系争取到包括亚洲、美洲、欧洲和非洲的16家单位,牵头整合成一支强有力的研究队伍。在黄琳凯牵头下,各方通力合作,研究快速推进。

执著坚守终见“云开月明”

填补“空白”的研究,意味着没有先例可循,谁也不知道前方是失败或是成功。研究过程中,黄琳凯承受的压力非比寻常,他为此投入了所有的精力和全部科研经费。为了筹集更多的科研经费,他甚至带领团队在实验室里种上了白芨、黄精等中药材。

“我坚信这项研究有价值,坚信能有力推动牧草业高质量发展。”尽管“压力山大”,但凭借着对科研的信念和韧性,黄琳凯从未沮丧放弃。他带领团队积极研讨,不断创新技术手段,翻越了一座又一座前人从未经历的科研“高峰”。

由于团队骨干成员主要在中国和美国,两地刚好有12小时的时差。每天,在中国的成员结束实验分析后,将结果上传至公共平台,在美国的成员便接力做下去。通过数年磨合,团队形成了“夸父追日”般24小时不停歇的工作模式,大大加快了研究进程。

“团队中的所有人都被黄琳凯教授的严谨、敬业和情怀所感动。”正在美国佐治亚大学做博士后研究的严海东是团队骨干成员之一,他利用课余时间参与研究,几乎没有了休息时间。虽然任务重、压力大,严海东仍然咬牙坚持了下来,“黄琳凯教授给了我们信心,坚持住!一定有出路!”

“守得云开见月明”。在团队成员不懈努力之下,图形泛基因组构建起来了、结构变异挖掘出来了、耐热机制解析清楚了……随着研究的顺利进行,黄琳凯信心越来越足,“有了这些成果,我们就可以加速攻关牧草业各环节‘卡脖子’技术,培育突破性牧草优良品种,为保卫国家粮食安全贡献草业人的力量。”