为了培育自有知识产权牧草品种,促进民族种业发展,提高牧草养殖经济效益,四川农业大学利用从全国畜牧总站国家草种质资源库申请的50份资源和从野外采集的二倍体、四倍体野生鸭茅种质资源,经过20余年不断试验,采用测序新技术,融合生物信息学,完成了鸭茅全基因组测序工作。这是我国首次在牧草领域完成的第一个基因组测序,目前世界上仅有三叶草和黑麦草完成测序。

鸭茅是世界著名的优良牧草之一,原产自欧洲、北非及亚洲温带地区,在全世界温带地区均有分布。我国鸭茅野生种多分布于新疆天山山脉的森林边缘地带及四川峨眉山、二郎山、邛崃山脉等海拔1600-3100米的森林边缘地带及山坡草地,并散见于大兴安岭东南坡地。鸭茅具有叶量丰富、耐荫性强、草质柔嫩、适口性好、营养价值高等特点,可用于青饲、青贮或调制干草。因其适应能力强,抗旱、耐瘠薄,所以在边际土地及石漠化深度贫困区草牧业发展中发挥着重要作用。

鸭茅是优良的牧草,但在我国亚热带高温高湿地区种植还存在越夏率低和易感锈病等问题。用传统育种方法改良鸭茅产量、品质和抗性等特性,培育一个新品种大概需要15年的时间。而借助分子育种新技术,利用分子标记辅助选择技术(MAS)和基因编辑技术可大大加快植物育种进程,育种周期缩短为8-10年。但分子标记辅助选择技术和基因编辑技术都需要该物种基因组信息库作为支撑才能实现。由于之前鸭茅还没有基因组信息,严重制约了鸭茅分子育种的发展,因此构建鸭茅基因组序列,可挖掘鸭茅优良基因资源和加快新品种培育等工作。

为解决鸭茅基因组信息缺乏这一问题,四川农业大学牧草育种课题组,在张新全教授带领下,自2000年开始此项研究工作。团队成员在全球范围内收集鸭茅资源,共收集了200余份二倍体、四倍体鸭茅材料。由于牧草基因组大、重复序列及杂合度都较高,这增加了牧草基因组序列构建的难度,且我国尚未有牧草基因组的相关报道,全球范围内仅有三叶草和黑麦草基因组草图的报道,无成功经验可借鉴。课题组用了3年的时间,试图利用二代测序的方法构建基因组序列,结果都不令人满意。面对困难和棘手的问题,科研团队没有迷茫、放弃,在张新全、黄琳凯两位教授的带领下,组建了植物遗传学、分子生物学、生物信息学等多学科的攻关小组,经过长期不断地试验,最终选取二倍体鸭茅为研究对象,采用测序新技术,融合生物信息学,构建了一个质量较好的鸭茅全基因组数据库,其相关质量指标是黑麦草基因组的50倍以上。

鸭茅基因组包含了40088个基因,其中有1173个基因家族是鸭茅特有基因,这些特有基因大多和草类植物适应能力强、抗旱耐寒相关。通过比较发现,鸭茅和小麦较为近缘。这些基因资源可用于近缘作物小麦抗寒、抗旱等品质的遗传改良技术中。

鸭茅全基因组的测序成功,为鸭茅分子育种提供了重要的基础信息支撑,加快鸭茅分子育种进程。基因组序列的成功开发为其他牧草基因组测序、分子育种工作提供了参考,将为选育出更多优质、高产、适应性强的牧草提供有力保障,对加速我国牧草基因资源挖掘工作具有借鉴意义。