我国各类天然草原草地约占国土面积的41%，是耕地面积的三倍。草种业被认为是国家战略性产业，也是确保草地生态与草牧业可持续发展的关键。我国是草业大国，却不是草业强国。据统计，我国至少有40%的牧草需要依赖进口。因此，研究和发展乡土草种，对减少我国对进口草产品的依赖、推动草种业的发展具有重要意义。羊草，一种属于禾本科小麦族的优质牧草，被誉为“禾草之王”，也是我国重要的乡土草种和欧亚草原上的优势草种之一。羊草以其发达的根状茎而著称，具备耐寒、耐旱、耐盐碱、防风固沙等特点。同时，由于其高营养价值和适口性而成为优质牧草，具有重要的生态和经济价值。然而，由于羊草基因组庞大且存在高度杂合性，导致羊草基因组学研究以及对其卓越特性的解析相当具有挑战性。中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士团队对羊草基因组进行了深入解析，揭示了其演化规律，并通过羊草基因组编辑体系提高了羊草生物量相关性状，助力草种业进入以“大数据+生物技术”为特征的智慧育种新时代。相关成果以“Genome evolution and initial breeding of the Triticeae grass Leymus chinensis dominating the Eurasian Steppe”为题于近日发表在PNAS上。
作者选取了东北羊草草场（125°42′-130°10′E, 44°04′-46°40′N）中具有较强根状茎的单株进行了基因组组装（命名为Lc6-5）（图1）。利用最新测序技术和方法组装获得了羊草基因组，其大小约8 Gb, 搭载染色体的contig N50超过300 Mb，重复序列占全基因组87.76%。由于羊草基因组的高杂合性，作者也进行了单倍型水平的组装。这些结果为更深入的研究提供了基因组资源。羊草是异源四倍体，由小麦族的Ns亚基因组（新麦草近缘种）和Xm亚基因组（祖先种未知）组成。比较基因组学分析发现Ns和Xm在约1600万年前分化，并在约400万年前发生多倍化从而形成异源四倍体羊草。Xm亚基因组比Ns亚基因组具有更高的基因含量和更低的TE含量以及更快的进化速度。进一步分析发现，羊草经历了多次转座子插入事件，而且两个亚基因组共享了大部分转座子家族，具有相似的分布规律，这意味着两个亚基因组经历了同时和同等程度的转座子爆发事件。
图1 中国羊草的形态观察与基因组图谱。（A）草原上生长的羊草具有强壮的根状茎；（B）羊草基因组图谱;（C）羊草根尖细胞的核型分析；（D）亚基因组特异k-mers的主成分分析;（E）来自新麦草的重测序数据在羊草基因组的覆盖度。基于精准的基因组信息及small RNA 数据，作者鉴定出禾本科特异的小RNA，通过表达图谱确定了MIR528在叶片具有很高的表达丰度。作者进一步利用实验室建立的羊草Lc6-5的CRISPR/Cas9编辑体系，对MIR528进行全基因组敲除，结果发现羊草的分蘖数目及生长速率都有明显的升高（图2）。总之，作者组装的基因组以及创建的基因编辑体系为羊草生物量提升提供可能，也为羊草的快速改良和基因组育种创立先例。
图2 利用基因组编辑系统对羊草进行遗传改良。（A）羊草 Lc6-5转化体系；（B）植物miRNA家族保守性分析；（C）单子叶保守的miRNA成员表达水平；（D）羊草中MIR528的基因组编辑；（E）通过northern blot实验检验突变体；（F）NC和突变体T0代的表型；（G）NC和突变体的分蘖数数目比较；（H）NC和突变体T0代分蘖移栽后表型比较。中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风课题组的李彤博士、唐善杰博士、河北大学杜会龙课题组的李伟博士为该论文的共同第一作者。中国科学院遗传发育所曹晓风研究员、黄盖副研究员、宋显伟青年研究员以及河北大学杜会龙教授为该论文的共同通讯作者。同时，黑龙江省农科院草业所羊草研究团队、中国农业科学院叶兴国课题组、南方科技大学翟继先课题组也参与了此研究。该研究得到了内蒙古自治区科技重大专项、中国科学院战略性科技先导专项（A类）、国家自然科学基金青年项目、中国科学院青年创新促进会等的资助。
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2308984120
