苜蓿功能基因研究与分子育种领域取得突破

紫花苜蓿又名紫苜蓿、苜蓿，因含有丰富的矿物质、多种维生素与氨基酸，被誉为“牧草之王”，是世界各国广泛种植的供牛羊、家禽食用的高蛋白优质饲草，也是奶业和畜牧业的核心原料，但国内生产一直不足，依赖进口。

随着人们对奶制品和肉类需求的急剧增加，近年来我国对优质牧草的进口量逐年上升，自主培育优质高产的苜蓿刻不容缓。虽有不少技术团队围绕苜蓿展开研究，但受苜蓿基因组复杂、转基因效率低等因素影响，相关应用研究进展缓慢。据此，中国科学院西双版纳热带植物园联合多家单位，聚焦苜蓿研究中的关键科学问题和技术瓶颈，以叶片、育性和分枝等为突破口，在苜蓿功能基因研究与分子育种领域取得突破，项目成果获2023年度云南省自然科学奖一等奖。

收割苜蓿

取得苜蓿基础研究重大进展

中国科学院西双版纳热带植物园植物功能基因组组长陈江华于2013年自美国学成归国。“云南独有的资源及气候条件让我们看到了做苜蓿研究的优势。”随后，陈江华带领团队成员往返昆明与西双版纳等地，投入全部的精力在苜蓿功能基因研究与分子育种上。

苜蓿是同源四倍体，由于其高度的杂合性和自交不亲和性，阻碍了苜蓿重要农艺性状的遗传解析。“苜蓿的基础研究受到其本身遗传特性的限制，一直进展缓慢。”陈江华表示。

虽然渡过了整整7年未发表一篇研究论文的“坐冷板凳”时期，但项目团队并没有放弃，愈发坚定苜蓿研究的决心。最终，通过正向遗传学方法，团队成员获得了苜蓿多个叶片农艺性状改变的核心材料，克隆出苜蓿重要的功能基因并解析其分子机制，在国际上最先提出了苜蓿复叶发育的分子调控模型，研究成果在2020年以封面论文的形式发表在植物科学领域的顶级期刊《Nature Plants》上。截至目前，项目团队已发表了多篇关于苜蓿研究的论文，核心论文累计SCI影响因子91.154，引用总计236次。

在云南取得苜蓿基础研究的重大突破印证了陈江华最初的判断，“在云南做研究，让我们相较于国际上其他团队来说具备了更多的植物学资源，最终才能取得研究的率先突破”。

攻克苜蓿基因编辑难题

项目团队在取得苜蓿基础研究相关成果之后，开始思考怎样将基础研究成果转化到苜蓿的育种上。

“植物叶片形态多种多样，根据其复杂程度，可以划分为单叶和复叶。单叶包含一个叶片单元，复叶则由多个叶片单元构成。”陈江华说。在植物演化历程中复叶的出现被认为具有提高光合效率、减少植食性动物损伤等优势。因此复叶发育一直以来都是植物学研究的热点。

项目团队以分子育种的形式尝试突破，解析二倍体和四倍体苜蓿基因组结构变异，挖掘与重要农艺性状相关的关键遗传位点和基因，加速紫花苜蓿分子育种。“相较于传统杂交育种，我们的研究在缩短育种周期、提高育种效率等方面更具优势。”

通过科研攻关，项目团队对紫花苜蓿的基因组进行测序组装，得到高质量的染色体水平参考基因组序列，并建立了一套基因组编辑体系，通过调控苜蓿小叶数目，创建了5个小叶的紫花苜蓿优良种质，在世界范围内第一次构建了完整的单倍型染色体级别的紫花苜蓿基因组，这也是首次在紫花苜蓿中成功实现高效的同源四倍体基因组的基因编辑操作。

苜蓿杂交授粉 

聚焦苜蓿品质提升

在解决了复叶发育核心问题、做到了可塑性地调控复叶形态建成的基础上，项目团队正与数家企业和团队开展苜蓿农艺性状相关的功能基因合作，主攻苜蓿基因组水平的提升以及苜蓿转基因和基因编辑效率。

“在苜蓿育种上取得的研究成果实现了苜蓿生物量的大幅提升，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。”陈江华说。2021年，项目团队育成的新品种获得了农业农村部的中间试验备案。“新品种具有优秀的抗病性以及产量水平高等特点，还可在山地、林下种植，不与农田争地。”陈江华说。下一步项目团队将继续开展优质苜蓿品种的繁育工作，提升云南畜牧业饲草料保障能力，为云南乃至我国畜牧业的发展提供有力支撑。