西部旱區寒區草類植物種質資源研究現狀與發展機制

師尚禮

（1. 甘肅農業大學草業學院，蘭州 730070；2. 草業生態系統教育部重點實驗室，蘭州 730070；3. 干旱生境作物學國家重點實驗室，蘭州 730070）

一、前言

與以籽實體為主要收獲物的農業相比，以莖葉營養體為主要收獲物的草業特色鮮明，在“山水林田湖草沙”系統統籌治理，保障飼料糧安全、生態安全方面具有不可替代的作用。草地覆蓋了地球40%的陸地面積，形成了陸地草原和海底草甸，發揮了多樣性的價值，如穩定土壤、儲存碳、產生氧氣、提供動物棲息地、用作建筑材料、供給食物等。草地生物群系受地形變遷、氣候變化、家畜放牧等長周期因素的影響，具有廣泛的生物地理分布，進化出了抗旱耐寒、短生命周期、多年生芽、快速再生等功能。草原豐富的植物組成了規模龐大的種質資源庫，為植物品種改良及培育提供了豐富的種質資源。也要注意到，未來農業面臨全球氣候變暖、資源約束趨緊、糧食安全、耕地退化及水資源安全等挑戰，迫切需要種業創新發展。我國草類植物種源研究起步較晚，種質資源收集、保存、發掘、利用遲于發達國家近200 年，草類種子科技基礎薄弱，牧草種子進口依賴度約為60%，草坪草種子進口依賴度超過90%[1]，發展水平明顯偏低。因此，推動草類植物種質資源理論研究與技術創新，確保草種產業全鏈條協調發展勢在必行。

黃土高原、青藏高原、蒙新高原的干旱寒冷氣候孕育了豐富的草類植物種質資源，形成了旱區寒區草類植物種質天然資源庫。河西走廊、天山沖積扇等區域地域寬廣、日照充足、灌溉條件優越、適宜機械化作業，是草類植物種子生產、種業發展的良好區域。目前，西部地區在草類植物基因資源創新和利用方面進展良好，如甘肅河西走廊的玉米、苜蓿、燕麥制種業已具規模，初步形成了以河西走廊為核心的旱生寒生植物種業核心基地。為此，國家相關發展規劃將海南省、四川省、甘肅省明確為國家級種業重點發展區，為建設“西部種業之都”、西部種業創新高地指明了方向[2]。

我國草類植物種質資源的功能基因發掘工作起步較晚但發展迅速，相關機構在收集、保存、評價的基礎上，較系統地開展了基因發掘工作。針對紫花苜蓿、燕麥等牧草，利用同源克隆方法，發掘與抗逆、品質、熟性等相關的基因資源超過100 個。采用比較基因組學等方法，發掘優異抗性基因資源，建立了基因資源信息庫；以分子遺傳學為理論基礎，搜集、整理、完善并建立了黃土高原和青藏高原區域的草類植物種質資源庫；引進國內外優質、抗逆草類植物并對其性狀進行綜合評價，開展草類植物特異基因的分離、篩選和功能鑒定，構建了旱區寒區草類植物的重要基因文庫。圍繞苜蓿耐旱、耐寒、抗蟲、穩產高產、高固氮、低自毒，燕麥耐寒耐旱、高光效等性狀，利用表型組學方法對優異和特異種質資源開展苗期、成株期的形態學鑒定，獲得了一批特異性的新種質。系統開展了寒旱疊加逆境、鹽旱疊加逆境的抗性評價，篩選優異種質并建立優良種質資源庫。評價并建立了苜蓿、燕麥等草類植物核心種質庫。另外，氣候資源、土地資源、種質資源、品種培育有機結合，初步構建了布局合理、資源與機制良性循環的創新體系，保障了草類植物種質和種業創新的“多快好省”發展，支持解決草業科技原始創新和種業發展的核心問題。

然而，我國西部地區草類植物種質創新與利用依然存在理念不夠交融、資源整合不足、創新力度不強、成果應用不充分等系統性問題。為了推動西部旱區寒區草種業的高質量發展，可率先從旱區寒區草類植物逆境適應性等關鍵問題出發，應用轉基因、分子標記輔助選擇結合常規育種技術，挖掘或創制具有超強抗旱 / 抗寒 / 耐鹽、高效生產、生態功能調控等基因的草類植物新種質?；诖?，本文面向西部地區經濟社會發展、草類植物種源技術發展的需要，圍繞苜蓿、燕麥等重要草種，分析國內外草類植物種質資源的研究脈絡、開發現狀、存在差距、面臨問題，明確西部旱區寒區草類植物種質資源發展重點，為旱寒生境適應性品種培育、草種產業發展研究提供基礎參考。

二、草類植物種質資源收集保護、研究利用的國內外發展現狀

（一）國外發展現狀

草業發展的基礎是草類植物種質資源。發達國家很早就啟動了草類植物種質資源的收集保存、開發利用工作，收集資源全球分布廣、類型豐富，保存份數多；以經濟和生態價值較大的禾本科、豆科草類種質資源為主，輔以較多的苜蓿、燕麥起源中心材料以及其他珍貴材料，具有較好的資源完整性（見表1）。在近30年全球氣候變化的背景下，以前收集保存的部分草類植物種質資源在當下成為珍稀、瀕危甚至絕種的資源，潛在價值極高。

表1 部分國家和國際組織的草類植物種質資源收集保存情況

國外草類植物種質資源收集保護、研究利用的特點如下。① 廣開基因資源挖掘渠道，強化資源在品種開發中的作用。在高生物量、高生物質能源草、天然草地植被恢復及改良方面進行了全面的資源探尋和深入的研究開發。② 建立規范的基因資源篩選評價標準、科學的新舊品種更替機制。系統性建立了基因資源鑒定評價、新品種培育、種子繁育等方面的規范性標準，在采取市場化機制進行草品種研發的基礎上高效開展新品種創新與商業化；每年推出多個新品種，以新品種更替舊品種的方式驅動舊品種退出市場[3]。③ 常規育種、現代分子育種技術集成應用，實現了品種培育技術更新換代，加速種質創新、種子繁育和育種進程，取得顯著成效[4]。④ 平衡區域氣候、土地、種子等要素，不斷提高種子生產的質量和數量[5]。

（二）國內發展現狀

草類植物種質資源是國家的戰略性資源。我國草類植物種質資源保護利用工作起步較晚，需要加大投入以迎頭趕上，否則面臨較大的潛在損失和遺憾（見表1）。相關工作于1997 年起步，建立起了國家級草類植物種質資源收集保護體系，收集保存的草類植物種質資源超過6.35×104份，但資源分布范圍、遺傳基礎相對狹窄，遺失量較多[2]。在草類植物資源持續減少、需求不斷增加且趨于多元化的背景下，以草類植物為基礎的營養體農業可在保障糧食安全、改善營養結構、維持國計民生等方面發揮重要作用，能夠承擔緩解全球能源危機、維護生態安全、傳承并弘揚傳統文化等新任務。

當前，我國草類植物種質資源保護利用已從引種、野生栽培馴化的初級階段發展到雜交選育、分子育種相結合的新階段，創新利用方式呈現多樣化特征。① 分子輔助種質創新成為熱點，分子育種、分子設計育種正在草類植物品種培育中獲得應用。② 轉基因品種可改善生物原有性狀或賦予新的優良性狀，正在加速應用[6]。③ 在空間誘變方面利用快速發展的太空實驗室條件來誘變草類植物種子，初步探討草類植物種子的空間誘變遺傳機理，推進了草類植物航天誘變育種、新品種培育等工作[7～9]。④ 鄉土草類植物抗逆生物學研究、新種質創制等方面的成果較多，增強了對草類植物育種服務的支持力度；⑤ 基因編輯技術、快速從頭馴化策略等為草類植物種質資源開發提供了理想的參考解決方案，在突破性草類植物品種創制方面具有重要意義[10]。

三、西部旱區寒區草類植物種質資源收集保護、研究利用的問題分析

西部地區多為干旱、寒冷或者旱寒疊加逆境環境。以甘肅省為例，地處西部農牧交錯區，多樣性的地理氣候造就了豐富的草類植物種質資源，但在種質資源評價、表型鑒定、功能基因挖掘、原創性育種技術研發、重要新品種培育方面，落后于發達國家的主流水平，與國內主要作物領域相比也存在諸多不足。

（一）對旱區寒區草類植物種質資源價值的認識不足

西部旱區寒區草類植物種質資源總量在全國居于領先位置，但種質資源保護體系不健全，原生境保護、資源庫建設的系統性規劃缺失。雖然具有抗逆、高產等特色和優異種質，但是資源本底不清；在全球氣候變暖、生物種質資源多樣性加速減少的背景下，亟待提高對西部地區多樣性地理氣候造就的旱區寒區草類植物種質資源的特殊性、稀缺性、珍貴性以及保護與開發利用價值的認識。例如，近40 年來一直使用第一次全國草原資源普查數據（1979—1988年），而第二次、第三次普查數據沒有公開應用。

梳理形成的問題主要有：① 種質資源全面普查、特異 / 優異資源重點篩選、表型精準鑒定、全基因組水平鑒定等，有待系統性加強[15]；② 日照時間長、晝夜溫差大、干旱少雨的氣候資源是草類植物育種和繁育的有利條件，而相應認識不足，導致野生近緣種、旱寒生境超適應種質的發掘和創新力度有待加強[16]；③ 基因編輯、單倍體誘導、全基因組選擇等生物技術在種質創新中應用不充分，基因轉化體系構建基礎工作薄弱，不滿足旱寒生境突破性新種質的開發需求[17]。

優異基因資源的挖掘及利用是種質創新和新品種培育的基礎，隨著主要作物基因組測序工作的逐步完成，草類植物種質資源鑒定的重要性進一步顯現。草類植物種質資源作為戰略性資源中逆境開發的特異性資源，將在未來國際競爭中面臨更為激烈的爭奪?！昂岛}”脅迫環境超強適應、多年生、再生長、生物量形成與抗逆、高產、優質等的關聯機制，高緯度區域積溫與生殖生長的關聯機制，自交不親和種子產量與傳粉授粉媒介關聯機制等的系統性解析，是國內研究的短板環節。關鍵基因遺傳調控網絡構建，“旱寒鹽”逆境脅迫下特異性狀、復雜性狀以及性狀間的遺傳調控互作關系等，也需盡快補齊短板。

（二）草類植物基因挖掘與種質創新體系尚未建立

當前，連鎖分析、關聯分析、比較基因組學等基因挖掘新方法，高產、優質、抗逆、抗病蟲、養分高效利用等重要性狀分子調控機制的系統解析技術，野生植物快速馴化的理論與技術等逐漸成熟。但在西部地區，發掘新材料 - 挖掘功能基因 - 創制新種質的體系尚未建立。需要應用相關先進技術挖掘旱區寒區優異或特異草類植物種質功能基因，增強具有重大育種價值的基因挖掘力度與原始創新能力，建立種質資源基因鑒定、表型性狀精準鑒定的質量控制技術體系，挖掘更多攜帶優異與特異基因資源的種質材料。開發功能型分子標記技術，定向改良或創制高產、優質、抗逆、養分高效利用的新種質，建立高通量基因型 - 表型數據庫，創建種質資源管理與共享平臺，全面提升種質創新水平[18]。

具體而言，有待開展的草類植物基因挖掘與種質創新工作有：多倍體構成、演化、表型，農藝性狀多樣性、重要功能基因時空表達特性等的基因組學解析；以蛋白質含量高、氨基酸均衡、礦物質豐富、維生素豐富為代表的品質性狀的生物學基礎；以抗病蟲特殊性，鹽、堿、旱、冷、寒等抗性特殊性為代表的遺傳基礎及形成機制；以全生育期生長發育模型為代表的高產生理以及全生育期數字化管理技術體系構建；產量性狀的遺傳學和生理學基礎；以種子硬實度、色度與種子壽命等為代表的等種子高產生物學基礎；以豆科植物共生固氮的物質、能量、信息運營為代表的遺傳學和生理學基礎；育性控制、單倍體創制、染色體加倍、無融合生殖、抗除草劑等特異材料的創制效率增強。

（三）育種新技術研發與新品種培育進展滯后

發達國家已經形成以轉基因、全基因組選擇、基因編輯技術為代表的現代分子育種技術體系，發展了智能設計育種技術。我國作物分子育種技術緊跟國際前沿，但草類植物育種技術嚴重滯后：草類植物關鍵性狀形成的遺傳機理與調控網絡研究不系統，具有重要育種價值的關鍵基因缺乏；分子育種與分子設計育種應用仍處于探索階段，基礎研究與新品種創制研究脫節，育種大數據平臺建設、信息化、系統開發與應用不足。我國草類植物新品種培育長期采用常規育種技術，新材料和新種質創新效率低、質量差，形成新品種周期長，目標性狀特異性不夠突出，遺傳穩定性和個體一致性不佳，良種支撐產業發展的能力薄弱。截至2022年年底，我國僅審定了604 個草類植物品種，多為抗逆不豐產品種，而適宜干旱、半干旱或者高寒、高緯度地區種植的豐產優質飼草品種缺乏。種子生產技術研發能力不強，質量認證、監管體系尚未建立，導致國產飼草種子世代不清、品種混雜、制種成本高，良種擴繁滯后、質量水平不高、供給總量不足；苜蓿、黑麥草等優質飼草種子長期依賴進口[19]。

我國西部地區的草學教育、科研院所育種技術研發及新品種培育工作起步并不晚，但受區域經濟發展條件、人才質量限制而發展較慢，與技術創新制高點的發展目標相比差距較大。今后的草類植物種質創新與新品種培育，需充分利用現代新技術和新方法，強化多性狀的模塊化設計與協調改良，綜合應用分子標記、轉基因、全基因組選擇、分子設計育種等技術，建立單一性狀和復雜性狀調控的高效育種技術體系；重在提高產量、改善品質、增強抗性，加速培育高產、優質、多抗、廣適的草類植物新品種。

（四）草類植物種質創新的資源要素聚合度不高

甘肅省作為西部地區重要的旱寒草類植物種質資源天然基因庫，擁有草類植物資源優勢研究力量，如中國科學院、中國農業科學院、教育部、國家民族事務委員會所屬的駐甘科研院所、高校，省屬科研、教育、技術推廣等機構，省外部分育種單位（長期駐扎河西走廊進行種子繁育研究）。然而，相關力量存在資源競爭而難以集中發力，導致種質創新人才聚合度不高，優勢潛能挖掘不足，新育成品種基礎種子生產環節薄弱，苜蓿等蟲媒花草類植物種子繁育輔助授粉昆蟲養殖及放飛回收技術缺失。

多年生豆科、禾本科等草類植物的種質創新技術管理要求高，而社會力量參與少、公益經費支持不足，新品種擴繁技術研發緩慢，良種產業化程度低，種子生產比較效益不明顯。亟待建立良種繁育基地，完善支持機制，解決“有品種、無種子”的難題。創制突破性種質和品種，改善種子基因純度和種性，提高種子產量和質量，相關任務艱巨。需要搭建覆蓋“產學研”、各類機構聯合的新型平臺，構建從種質資源收集、鑒定、評價到功能基因挖掘再到新材料、新種質、新品種的創新鏈，提高草類植物種質資源原始創新能力和草種國產化水平[20]。

四、西部旱區寒區草類植物種質資源開發利用的優勢條件

（一）國家和地方種業發展政策保障

在建設海南省、四川省、甘肅省三大國家級種業重點發展區、國家級種子基地的背景下，位于西部地區的甘肅省制定了《甘肅省種業振興行動實施方案》，規劃建立河西走廊區、黃土高原區、高寒草原區草種制種基地以及飼草良種繁育保障體系。河西走廊具有土地平整、降雨少、灌溉條件好、光照足、溫差大、野生傳粉昆蟲群落多、風能資源好等特點，與具有自交不親和、異花授粉特性的紫花苜蓿等多年生草類植物種子的繁育需求條件契合，是適合草類植物新種質、新品種種子繁育的首選地。祁連山亞高山冷涼氣候區適宜燕麥種子繁育，成為重要的燕麥制種基地。黃土高原區具備抗旱草種開發利用條件，正在培育形成抗旱草種制種基地。高寒草原區依托黃河源頭生態治理保護與牧區生態畜牧業的發展，正在培育形成抗寒耐牧草種選育制種基地。

河西走廊是甘肅省草類植物種子生產的核心產區，主要分布在酒泉市、張掖市。酒泉市制定了《酒泉市現代種業振興行動實施方案》《酒泉市農作物制種基地管理辦法》《酒泉市種子企業信用評價管理辦法（試行）》《酒泉制種環境保護及污染治理的暫行辦法》，推動優質企業和優勢基地整合，布局核心技術攻關，實施種業產業升級，筑牢產業發展基礎。張掖市制定了《關于加快現代農業高質量發展的意見》《加快現代種業高質量發展若干措施》，從投資經營、科技創新、人才服務、基地配置等方面提出了具體措施，以支持種業科技攻關和產業升級。

（二）科技資源支撐條件良好

甘肅省作為西部地區草類植物種業繁育基地，基礎條件得天獨厚，多樣性的地理氣候造就了草類植物種質資源“博物館”，豐富的草類植物資源繁育均可與多樣性氣候環境選擇匹配。農牧業領域的駐甘機構和省屬單位擁有較強的種業研究隊伍且育種歷史悠久，部分省外單位長期駐扎河西走廊進行種子繁育研究，共同確立了較好的發展基礎。

西部地區草類植物種質資源研究與利用基礎良好，在旱區寒區草類植物種質資源收集評價、鄉土草逆境生物學研究，重要牧草、生態草特異性狀遺傳機制方面取得了良好進展，獲得了一批有價值的種質資源及功能基因（見圖1）。支撐育成了甘農系列、中苜系列、新牧系列、草原系列、中蘭系列高產優質紫花苜蓿，隴燕系列、青海系列抗寒高產燕麥，甘農系列冬性小黑麥，蘭箭系列箭筈豌豆，超強耐旱騰格里無芒隱子草（生態型）、持綠性草地早熟禾（生態型）等草類新品種；育成品種、地方品種、野生馴化品種、引進品種的選育工作并舉，育成品種以苜蓿、燕麥等重要草類為主，性狀多樣性豐富且特異性突出。整體上，在常規育種與分子育種技術集成、種質資源創新、野生資源馴化理論及技術方面均取得重要進展，關注生物耦合共生并提出了苜蓿與根瘤菌共生育種新技術以及專一性共生理論，創制了苜蓿種子內棲根瘤菌“可遺傳性”新種質[21]。目前，農區草業的支柱型草種（苜蓿），高寒牧區草業的支柱型草種（燕麥、草地早熟禾、披堿草）以及良種良法配套技術，支撐形成了甘肅省草類植物種子核心產區以及創新試驗網，涵蓋資源圃、育種基地、綜合試驗站、授粉昆蟲研究站、良種繁育試驗站等。

圖1 根莖型紫花苜蓿新種質（甘肅省天水市清水縣發現）

五、西部旱區寒區草類植物種質資源開發利用的新機制

草類植物種質資源的收集保存與研究工作極為重要，建設不同層次的種質資源基因庫是國際發展共識。扎實開展庫存資源的編碼保存、繁殖更新、室內與田間鑒定評價、篩選和分發研究這一基礎性、長期性的工作，才能持續性、全方位支持草類植物種質創新和品種創新。我國在資源繁殖更新、室內與田間鑒定評價、篩選和分發研究方面開展的工作仍處于起步階段，深挖未知的野生資源、庫存資源以服務種源科技創新是一項長期任務。

西部種業雖有長足發展，但對照“打好種業翻身仗”的國家宏觀目標仍有諸多短板和不足。面對我國飼草缺口為5×107t/a，苜蓿種子約有60%依賴進口，草坪草種子約有90%依賴進口[19]，生態修復用草種多使用天然草原直接采集種子或進口種子，野生馴化或育成的適宜旱寒生境草品種和種子嚴重缺乏的現狀，作為國家級種業重點發展區的西部地區，應研究構建草類植物種質資源開發利用的新機制，從而破解旱寒草類種業發展瓶頸，解決種質資源深度挖掘、突破性品種創制方面的困境[2]。

（一）將草類植物種質資源優勢轉化為學科優勢和產業優勢

在廣泛收集西部地區數量豐富且適應逆境的草類植物種質資源，通過國際交流引進飼用、生態價值高，特有、珍稀草類植物資源的基礎上，開展抗旱、抗寒、抗病蟲、耐鹽堿等性狀的鑒定與評價，挖掘相關功能基因，創制優異性狀的草類植物新種質，擴充種質資源優異性狀基因的數量[22～24]。旱區寒區豐富的鄉土草在生產和環境建設中的潛力有待完全發揮，部分原因是對鄉土草的特殊價值缺少全面認識，連續性支持的收集保存、交流引進、鑒定與評價工作有所不足。

西北旱區寒區處于苜蓿起源、裸燕麥起源、青藏高原草類植物區系地理區，具有系統性收集、鑒定、評價種質資源的客觀條件和區位優勢。為了將草類植物資源優勢轉化為學科優勢和產業優勢，需系統性開展種質資源的深度挖掘和精準鑒定，強化種質資源與遺傳育種研究的密切協作，批量獲得優異資源并進行改良創新（見圖2），從而將種質資源轉變為可利用的親本材料，保障突破性新品種培育需求。此外，遺傳基礎狹窄是苜蓿、燕麥、草地早熟禾等草種育種難以突破的普遍性問題，對建立有效的持續支持機制、加強自主知識產權新品種的創制力度提出了較高要求[10]。

圖2 創制的旱作密植高產飼用燕麥新種質

（二）驅動草類植物種質資源創新利用由認知層面轉向行動層面

我國退化草原多分布于干旱、鹽堿、高海拔區，開展旱區寒區草類植物資源研究成為一項艱苦且艱巨的任務。地球氣候變暖的趨勢增加了稀有、瀕危草類植物種質資源的消失風險。近40年草原資源變化的本底不清，旱區寒區草類植物種質資源的收集、保存、利用缺乏系統性和持續性，加之種質資源名錄不夠完整、重要或特異基因信息掌握不充分，導致種質創新和利用過程中問題導向性不強，性狀定位精準性不足?！按蚝梅N業翻身仗”重在對草類植物種質資源的全面掌握與深入研究，但相關工作剛進入認知層面，生物學、生理學、遺傳學等的交叉性研究尚未納入發展規劃。

西部地區種業振興是新發展階段的重要任務，也需貫徹新發展理念，構筑新發展格局。一方面，旱區寒區草類植物的種質創新與利用研究，與土地（耕地）、資金、人力資源、政策等生產要素密切相關，而有關支持亟待明確；另一方面，草種業應融入農業全產業鏈，完善要素配置、形成系統工程是應有之義。亟待啟動草地資源普查、種質資源系統性收集與持續性鑒定 / 評價、種質資源名錄編制等基礎性工作，以盡快由認知層面轉向行動層面。創建以稀有和瀕危草類種質資源保護、優異與特異資源開發、骨干親本遺傳構成揭示為“標桿”的精準鑒定新技術，支持種質資源保護與育種兩方面的密切協作及高效利用，促進旱區寒區草類種質資源創新及利用的加速發展[20]。

（三）引導草類植物種質資源開發利用由分散發展轉向系統化集成

草類植物種質資源開發利用是保障草種業穩定發展、糧食安全、生態安全的關鍵因素之一。然而，多年來草類植物種質資源開發利用、草種業發展存在各自為戰、割裂運行的現象，未能集聚形成產業發展的強大動能；科研成果轉化為草種業優勢的體系、機制不完備，草類植物種質資源開發與種業人才優勢潛能挖掘不足。創制新種質、新品種的常規選育與分子育種技術的集成應用力度不夠，從資源收集、鑒定評價、功能基因挖掘到新材料、新種質的創新鏈沒有形成，加之原始創新能力不足、優良種質儲存數量不夠，導致新品種創制發展乏力、育種速度慢、品種性狀不突出。在草品種審定完成后，良種繁育體系尚未建立，種子認證缺失，不易獲得市場認可，形成了國產品種“有品種、無種子”的不利局面。草類植物種質資源創新、良種生產需要地力良好的耕地，異化授粉草類植物需要適當的隔離距離、必要的授粉昆蟲及放養設施。通過國家級平臺建設和機制創新引導，才能實質性解決上述問題[25]。

發達國家建立了以轉基因、全基因組選擇、基因編輯技術為代表的現代植物分子育種技術體系，發展了精準智能設計育種技術。我國作物分子育種技術緊跟國際前沿，今后在草類植物種質創新研究方面也需積極利用新技術、新方法并與常規育種技術相結合，強化多性狀的協調改良，創新并集成分子標記、轉基因、全基因組選擇、分子設計育種等技術，盡快建成種質創新體系、遺傳轉化體系、育種技術體系；以提高產量、改善品質、增強抗性為重點，創制優質、高產、高效、多抗的突破性新種質。

（四）構建草類植物種質創新發展的跟蹤或超越機制

基因編輯技術的創新運用、生物學特性的深度研究具有革命性，通過人工設計進行知識驅動的分子設計育種時代已經到來；精確地修改植物性狀，創造新性狀甚至新植物種，才能更好滿足發展需求并形成新農業模式。以往研究集中在篩選基因、挖掘基因、基因編碼區編輯，以期獲得功能基因以及突變或堿基替換，對少數單基因控制性狀進行改良[26]。然而，前沿研究是針對產量、品質、抗逆、養分利用等多基因控制的復雜性狀，通過分子模塊化設計育種，對控制復雜性狀的主效基因或多基因網絡進行遺傳操作，可有效改良或加強植物的經濟性狀[27]?；谄贩N分子設計與快速馴化新技術，在收集并篩選優異野生資源，開展重要農藝性狀基因注釋、多基因編輯及聚合的基礎上，建立野生植物快速馴化技術體系并用于新材料、新種質創制，可開辟野生植物馴化新道路，培育產量更高、環境適應性更強的新品種。需要將野生資源基因挖掘、新種質創新、新品種分子設計育種與快速馴化的前沿理論和技術應用于草類植物種質創新，相應研究隊伍建設迫在眉睫，可在加強國內外交流和學習的基礎上，建立跟蹤或超越機制，走自主創新的發展道路。

六、西部旱區寒區草類植物種質資源開發利用的務實舉措——建設國家旱生寒生草類植物種質創新與利用科技園

在西部地區建設國家旱生寒生草類植物種質創新與利用科技園，將之作為現代種質創新與品種創新示范、現代種質創新技術與優勢資源融合集成、優勢特色種業發展的載體，從而構建平臺、資源、機制良性循環的種質資源開發與品種創新體系，支撐形成“西部種業之都”、西部種業創新高地?？萍紙@下設“三中心、一平臺、一示范園”：干旱寒冷生境草類植物種質資源鑒定與評價、種質創新、品種選育繁育3個功能中心，草類植物種質資源數字化與信息化戰略平臺，草類生物育種科技示范園。立足科技園公共平臺，注重機制創新、匯聚能力資源、貫穿種業價值鏈，探索一條西部種源科技創新發展示范之路。

（一）干旱寒冷生境草類植物種質資源鑒定與評價中心

主要功能是長期進行干旱寒冷生境草類植物種質資源的系統性收集保存、鑒定評價、描述規范、歸類整理名錄等基礎性工作。① 建立干旱寒冷生境草類植物種質資源庫。在草類資源本底普查的基礎上，收集和交流引進優異或特異種質資源，建立田間資源保存圃，編制資源名錄。構建本國資源收集、國際資源交流引進體系，形成長效機制。② 建立草類植物種質資源田間鑒定評價圃、特異性狀控制評價圃，進行覆蓋室內、田間的系統性鑒定與評價。釋放干旱寒冷生境野生資源、地方資源、引進資源、人工創造資源的生物學和植物學性狀信息特征，建立草類植物種質資源系統性鑒定與評價的長效機制。③ 開展種質資源歸類，編制描述規范，整理各類名錄。

（二）干旱寒冷生境草類植物種質創新中心

主要功能是策劃干旱寒冷生境草種質創新的方向、目標和思路，論證種質創新方面的科技專項及攻關策略，發掘并創制新材料、新種質、關鍵功能基因。① 調查、篩選、發掘干旱寒冷生境野生或特異新材料，通過馴化、雜交、分子設計操作等方式創制新材料[28～31]。② 創制干旱寒冷生境苜蓿、燕麥、草地早熟禾等重要草類的特異和優異種質，發掘特異與優異種質主要性狀調控的關鍵基因，解析目標性狀形成的機理機制、復雜性狀調控的分子模塊設計。在干旱寒冷生境野生草類基因挖掘方面，注重進化歷程解碼、特異性狀調控基因開發利用研究，將優異種質創新目標調整為知識驅動精準化分子設計，支持干旱寒冷生境高產、優質、抗逆的草類新種質創制[32,33]。③ 在干旱寒冷生境草種品質性狀形成與調控機理方面，重點研究干旱寒冷生境草類品質與營養物質形成基礎及調控、品質形成的級聯調控機制及調控網絡，激素信號轉導與品質形成的交互調控機制，干旱寒冷生境草類品質形成與環境耦合的信號途徑及調控機制，筑牢干旱寒冷生境草類產品品質調控與營養成分改良的理論和技術基礎[34]。

（三）干旱寒冷生境草品種選育繁育中心

主要功能是設計親本或親本組合、創新選育技術、創造新品種，加速種子繁育進程，破解品種少、性狀弱、缺種子的不利局面。① 確定朝著重要或特殊利用方向延伸定位的草品種性狀目標，設計親本資源和育種技術路線，突出抗旱、抗寒、耐鹽堿、高產等優質性能的新品種培育。② 開展干旱寒冷生境草類多年生、再生長、營養體生物量積累與遺傳的育種技術集成創新，突破新品種目標性狀遺傳發育及性狀釋放表達、基因型純化、精準選擇培育等技術[35]。③ 建立親本圃、雜交圃、選育圃、品種比較圃等方面的選育基地、加代繁育基地，提高選育效率，加快新品種培育。④ 建立干旱寒冷生境集約化的三級良種（原原種、原種、商品種）繁育制種基地，確保新品種的優良種性，加快良種繁育進度。

（四）草類植物種質資源數字化與信息化戰略平臺

主要功能是提高草類植物種質資源信息共享、信息采集、種質創新利用等方面的效率。利用國家基因庫生命大數據平臺、農業數字化服務平臺植物科學數據庫，開展種質資源收集、鑒定、評價并編制草類植物種質資源名錄，建立草類植物種質資源共享與利用信息系統（平臺），支持種質資源 - 脫氧核糖核酸（DNA）樣本 - 基因數據 - 分子育種 -分子設計育種的全鏈條研究[3]。

建立數字化服務平臺，為科技研發企業和機構提供數字化測序、DNA 備份庫建設、育種生物信息分析、“種質資源 - DNA樣本 - 基因數據”建庫等服務，增強植物遺傳資源的智慧育種能力，促進植物遺傳資源在草業、農業上的研究與應用水平。鼓勵草種質資源的收集、保存、編目、入庫研究，盡快建成標準化的種子實物繁殖保存數據庫、信息共享系統，支持區域資源優勢的發揮和運用。此外，與國家基因庫農業數字化服務平臺進行合作，建立農業數字化服務平臺上的植物科學數據庫、草類植物種質基因資源數據庫，豐富野生近緣種的基因數據和種質信息，保障草類植物育種的質量和速度。

（五）草類植物生物育種科技示范園

主要功能是面向草類植物轉基因、分子設計創制的新種質、新品種，太空搭載誘變并結合生物育種形成的技術成果，開展展示和科普[36]。① 隨著轉基因作物的逐步推廣應用，飼草飼料轉基因品種的種植應用也成為重要趨勢，草類植物生物育種和應用迎來了發展機遇期；發掘并應用草類關鍵功能基因、發揮生物育種技術優勢，是草類植物種質創新以及種業突破的重要方向。建立草類植物生物育種科技示范園，更好支持轉基因草類植物、分子設計育成品種的技術普及與示范應用。② 我國形成了近地軌道持續駐留的太空實驗室能力，可利用太空搭載誘變優勢并與生物育種技術相結合，提高苜蓿、燕麥等重要草類植物的種質創新效率。建立草類植物生物育種科技示范園，加快解決草類植物種質創新和利用方面的前沿科學問題和成果轉化難題，進行相應技術產品的高質量示范。

七、結語

面向新發展形勢，本文凝練西部干旱寒冷生境草類植物種業發展需求、“山水林田湖草沙”系統統籌治理需要，提出了西部旱區寒區草類植物種質創新利用發展的新機制和務實舉措。相關內容有利于強化草類植物種質資源的前沿理論和技術集成應用，也有助于西部地區草類植物資源優勢盡快轉化為學科優勢和產業優勢。

著眼未來發展，應立足西部地區草類植物種質資源富集的優勢和特色，加強科研集智攻關，開展種質資源的精準鑒定、優異基因的挖掘與種質創新，釋放逆境草類種質資源的科學利用價值、產業開發價值、社會文化價值，為建設“西部種業之都”、西部種業創新高地，加快我國現代種業發展奠定堅實基礎。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財務沖突。

Received date:May 18, 2023;Revised date:June 20, 2023

Corresponding author:Shi Shangli is a professor from the Pratacultural College, Gansu Agricultural University. His major research field is grass germplasm resources and breeding. E-mail: shishl@gsau.edu.cn

Funding project:Chinese Academy of Engineering project “Research on the Construction of Germplasm Resources Science and Technology Innovation System” (2021-DFZD-21)