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(dú)這里綠意盎然。這是山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院教授陳翠霞團(tuán)隊(duì)的芒草試驗(yàn)地。

他們用近十年時(shí)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(dá)3600公斤。

最近，陳翠霞團(tuán)隊(duì)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(jí)別的五節(jié)芒參考基因組圖譜，還解析了芒屬植物基因進(jìn)化歷史，揭示了芒草中纖維素或半纖維素含量高的分子機(jī)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(zhǎng)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(jià)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(diǎn)。從那時(shí)起，在美國伊利諾斯大學(xué)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(duì)芒草的評(píng)價(jià)。“它抗逆性強(qiáng)，可在荒草地、沼澤灘涂等邊際土地上種植生長(zhǎng)，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(shí)驗(yàn)室被“養(yǎng)育”了多年的芒草，陳翠霞希望它能“有番作為”。

長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)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(jìn)山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)實(shí)驗(yàn)站內(nèi)。

“我們?cè)趯W(xué)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(jìn)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(jiǎn)稱渤海糧倉)是一項(xiàng)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)增糧增收。

乘著渤海糧倉的東風(fēng)，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(tuán)隊(duì)成員將學(xué)校的芒草根資源運(yùn)到200公里之外的柳堡鎮(zhèn)進(jìn)行栽種，到了后來他們直接在當(dāng)?shù)剡x育新品種。

一件讓人哭笑不得的事，更堅(jiān)定了陳翠霞扎根鹽堿地的決心。“芒草剛長(zhǎng)出來時(shí)，附近村的牛羊都來吃，這破壞了芒草生長(zhǎng)，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(jī)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(rèn)可。

“這里各品系植株形態(tài)多樣、錯(cuò)落有致，且四季皆有景可觀，具備了一個(gè)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(tuán)隊(duì)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(qiáng)的抗逆性?為了解答這個(gè)問題，陳翠霞團(tuán)隊(duì)又開始研究芒草分子遺傳學(xué)機(jī)制。“當(dāng)時(shí)關(guān)于它的生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)和遺傳學(xué)文獻(xiàn)很少，我們的研究可謂‘白手起家’，從基礎(chǔ)生物學(xué)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(dāng)前先進(jìn)的測(cè)序方式，用遺傳圖譜和BioNano數(shù)據(jù)等進(jìn)行修正和驗(yàn)證，并進(jìn)行基因注釋和轉(zhuǎn)座子注釋等，解析芒草基因組。”陳翠霞團(tuán)隊(duì)成員、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授張國斌說。

經(jīng)過近十年鉆研，陳翠霞團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)又找到了“瓜”。他們進(jìn)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(gè)物種的具體進(jìn)化關(guān)系和時(shí)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(jī)體內(nèi)纖維素合酶的基因表達(dá)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(shí)，將芒草打造為促進(jìn)鹽堿地生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的‘利器’。”陳翠霞說。

關(guān)鍵詞： 芒草試驗(yàn)地 芒草耐鹽堿基因 鹽堿地和芒草 進(jìn)化歷史