牧草的研究进展

文│伍佰鑫 孙鏖 易康乐（湖南省畜牧兽医研究所）

牧草是用来饲养家畜的，在贫困的地区，家畜生产对小农户的生计至关重要，例如撒哈拉沙漠以南的非洲，基本上是妇女维系家畜生产。据世界粮农组织（FAO，2010）统计，全球牧草用地占陆地面积的26%、占农业用地的70%。牧草通常是禾本科草或草本豆科植物，一些豆科树（如木豆和银合欢）生长于沙漠和热带草原。热带最多的草有象草或狼尾草、臂形草和凤尾草。温带最多的草包括翦股、羊茅、黑麦草、鸭茅或这些草的杂交草，例如，羊茅和黑麦草的杂种是从20世纪70年代开始发展起来的，产生了羊草等作物，这种作物将黑麦草的优良饲料品质与羊茅的持久性和抗逆性结合起来。

一些玉米（品种）已育成为专用牧草（品种）。通常栽培的草本豆科植物是车轴草、苜蓿、三叶草和野豌豆。芸苔属牧草包括油菜和甘蓝。饲料甜菜是另外一种温带作物。任何国家优化种植的牧草组合取决于该国的气候和家畜需要，然而，苜蓿（多年生豆科植物）是栽培最广的品种，因为它既可在温带又可在热带生长。

鉴于家畜生产效率和人类健康问题，许多人群持续呼吁，人们应当减少对畜产品的消费，宁愿吃谷物豆类而不是被转化后的畜产品，因为谷物豆类是可持续发展的未来食物。欧美发达国家有1%～10%的成年人群采用以植物为基础的饮食。然而，无论是生产效率问题还是环境问题，畜产品（养分浓度高）仍然是重要的食品，特别是在4%～22%人口营养不良的发展中国家。当投入和产出达到平衡时，家畜生产可以将人类不可食用的农作物（牧草）转化为食物，并有可能实现可持续发展的集约化。

此外，畜牧业文化和社会意义不容低估，全球畜产品产量增长的趋势不可阻挡。在许多发展中国家，牛、羊等家畜的饲养在贫困时期是至关重要的，农民认为家畜是活生生的“银行”，例如可以支付家庭开支。因此，畜牧业生产将在世界各地继续进行，今后数十年都会种植牧草。提高牧草的产量和营养质量，有助于减轻家畜生产对可持续发展的负面影响。

一、品种选育

与其他农作物相比，牧草的种植相对较新，1900年以前几乎没有什么改进。近年来，鉴于农业发展趋势和牧草在全球经济中的重要性，已经培育出一些新品种，最理想的选育指标是提高牧草干物质产量、耐久性、对害虫（病原真菌和线虫等害虫）的抵抗性、干物质的可消化性和营养含量。目前已在苜蓿、三叶草、黑麦草和羊茅的育种方面取得最大进展，由美国和加拿大12个州的15个研究所组成的团队，正在对这些牧草实施大规模育种计划。类似的热带牧草育种组织包括设在哥伦比亚的国际热带农业中心、乌干达国家牲畜资源研究所、坦桑尼亚家畜研究所、莫桑比克农业研究所和巴西农业研究公司，正在非洲的东部和南部开展工作。

牧草育种过程困难重重，因为个别物种具有高度的基因型和表型异质性，许多物种是多倍体，这一问题因近交育种而加剧，与不同基因相关的农艺性状也很少。尽管存在这些问题，但在牧草育种方面，特别是在苜蓿和黑麦草育种方面有了一些重大进展。最令人兴奋的育种进展之一是，利用黑麦草和羊茅的近缘种培育出了羊茅黑麦草，它不仅具有黑麦草的优质特征，而且具有较强的抗逆性和持久性；通过回交，又产生了蛋白质含量比亲本稳定的新型杂交种。表型方面的进步使田间特征的量化变得更加容易，例如，对生长的牧草进行高水平成像，可准确地确定诸如生物量这样的后期性状。测序方法的进步又为新品种提供了更多的转录数据。例如，识别SNPs（单核苷酸的多态性）可以用来改良黑麦草和三叶草。这些牧草品种的基因组草案正变得越来越普遍，而且越来越多的证据表明，像短柄草这样的模式物种可作为研究的向导，为增强营养的候选基因提供线索。

二、增强营养的候选基因

潜在候选基因的识别，通常是通过数量性状位点分析或者通过已知基因组的标记辅助选择进行，识别结果与生物量和生长性状有关。数量性状位点分析用于抗倒伏性、活力、植物高度及收割后的再生；候选基因分析用于开花和茎高；活性氧抗性基因的生化标记物用于分析与干物质相关的抗旱性。通过黑麦草转录谱展示的野生型和矮小突变体之间的差异表达基因，能够识别并用于筛选与矮小相关的三个关键基因。（生化）标记用于推断两个表型性状并跟踪遗传以帮助育种，例如，已经通过类似的技术对黑麦草叶绿体SSRs（简单重复序列）进行了研究。

对模式牧草蒺藜的基因组进行彻底的重新注释，又发现了成百上千个小的分泌肽，它们都是由黄斑素应答基因和结瘤应答基因编码的，有助于反向遗传学改良许多牧草，特别是亚麻。运用迭代映射软件（如生物激励器）和公开的数据，分析黑麦草数量性状遗传位点，因此，在早期研究（水稻氨基酸生物合成基因的同源性研究和生殖性状标记）的基础上，又获得了新的候选基因。此外，用来解读蒺藜开花时间和植株高度的生物激励器，直接牵涉到亚麻的研究。

尽管需要确保（尤其是成品饲料）最佳的营养含量，但是快速积累营养物质是优良牧草最理想的性状，特别是那些在整个生长季节经历大量收割的牧草。由于这一现象，牧草改良的候选基因要么与光合作用有关，要么与氮素利用效率有关。更广泛地说，在生物抗性和非生物胁迫方面，利用模式牧草获得的遗传知识，也有很大的机会来改良牧草性状。这些性状的改良得益于成果转化和遗传标记技术。已经开发了能繁而高效转化的温带品种羊茅和黑麦草，最近又开发出一些热带草，如狼尾草和臂形草。一些牧草对胁迫耐受性的基因编辑，在提高生物量和营养质量方面都取得了成功。亚麻和鼠耳芥草耐旱性增强的基因转换而产生的植物，与野生型相比，不仅增加了根长、茎高和营养量，而且增加了干旱胁迫下脯氨酸、可溶性糖和叶绿素的含量。更重要的是，无论是在实验室还是野外条件下，都显示出了增长情况。

三、蛋白质含量和氮素利用效率

牧草育种的目标之一是蛋白质含量和氮素利用效率，蛋白质的积累与氮的状态有关，当供应超过适度时，就会发生更大的储存。与育成的种子淀粉含量高的粮食作物相比，牧草因为生长、储存能力和较高的纤维含量，通常需要更多的氮。牧草收获的是叶组织生物量，而不是谷粒、根、块茎，不仅要求叶子的产量高，还应有最佳产量的氮素。

此外，在研究肥料使用的效果时，还应关注施肥过程中的生物量和氮状态变化（氮的摄取效率）。由于氮素利用效率是生物量改善的一个重要标准，许多与氮摄取或代谢有关的基因一直是模型系统中的研究课题。碳代谢中的重要基因也是关注的焦点，因为碳∶氮比率与植物生长有联系。尽管禾本科植物与豆科植物之间存在着长期的进化差异，但许多关键候选基因具有很高的遗传相似性，可以利用影响一种牧草一个性状的基因来研究另一种牧草，例如，利用已经识别的一系列氮储存蛋白来研究叶和根。

许多牧草的编码序列与研究颇多的作物有很高的相似性，例如，通过对下列植物的基因组进行测序：木豆、鹰嘴豆、大豆、百脉根、蒺藜、菜豆，发现苜蓿和三叶草与豆科植物密切相关。这样的序列可以为育种程序提供大量的潜在性基因，例如，蒺藜中的热休克蛋白（HSP），在亚麻中发现同源体HSP70，它对鼠耳芥草的抗应激有重大作用。

牧草（收割后）对于家畜最重要的营养成分是蛋白质和水溶性碳水化合物，开发茎和叶的器官特异性蛋白组图，具有重大的现实意义。这些组织中的主要蛋白质是光合酶（二磷酸核酮糖氧合酶）、固碳基因（3-磷酸甘油醛脱氢酶和磷酸甘油醛异构酶）和结构蛋白（主要参与茎的木质素合成）。由于牧草的消化值主要与细胞壁浓度有关，降低细胞壁浓度有助于消化，一些研究更加关注这些组织的蛋白组，另一些研究集中在增加和提高氨基酸和蛋白质的转基因方法上。

鉴于很多牧草含有低浓度的含硫氨基酸（蛋氨酸和半胱氨酸），一些研究的目的是利用过度表达来提高这些成分的水平，包括用作牧草源的羽扇豆和黄豆。除了品种差异可以通过育种计划或特定的转基因方法加以改善外，营养含量最显著的变化是应激造成的。因此，应激蛋白组也应用于植物组织，通过水分胁迫下的羽扇豆茎蛋白分析，发现丝氨酸蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶有增加。香豌豆幼苗在盐度、低温或ABA（脱落酸）胁迫下，产生48种应激反应蛋白。亚麻在干旱条件下，源于二磷酸核酮糖氧合酶中的氮被动员，以弥补氮素吸收导致的减少。

选用抗病品种；与非瓜类作物轮作5年以上；避免偏施氮肥，施用充分腐熟优质有机肥，增加抗病力；加强田间管理，及时排水，降低田间湿度，发现病株及时清除并集中销毁。

此外，牧草对收获方式也会产生极大的应激，在苜蓿和三叶草中发现营养贮藏蛋白去除，新芽再生。黑麦草在寒冷环境下可增加某些蛋白质（特别是天冬酰胺和谷氨酰胺）的相对比例。最后，家畜消耗多达70%的植物氮素用于产奶或产肉，以氨或尿素的形式排出体外，被植物回收利用。

四、根际微生物群

基因组学的影响从牧草本身延伸到牧草所处的环境，牧草的附生细菌可能对牧草的健康和营养很重要，一些微生物能在豆科牧草根系中固定大气中的氮。与牧草一起生活的细菌可能有助于家畜消化吸收摄入的牧草营养，这些细菌可能通过产生特定的结合分子或载体来促进家畜肠道内微量元素的吸收。根际微生物群对土壤养分的循环和吸收非常重要，特别是低投入的热带牧草。将有益微生物接种到新的牧草以及研究根系分泌物成分的微生物，可能是未来牧草研究和应用的方向。

根通过改变根分泌物的化学成分而直接改变根际群落。例如，热带臂形草的根系专门产生一种抑制硝化细菌的化学物质，阻断土壤细菌的氨氧化通路（铵转化为硝酸盐的第一步）。土壤中的氨氧化细菌迅速将尿素或NH4+肥料转化为NO3-，NO3

-是流动的且易于浸出（有利于植物吸收）。在包括高粱和水稻在内的几种豆科植物和禾本科植物的根系分泌物中发现了硝化抑制剂；对于牧草，仅在热带臂形草中发现有它的活动。水稻根系分泌物抑制硝化的能力为5%～50%，但在3个祖先系中无显著提升。应用欧洲亚硝化单胞菌即氨氧化细菌，分析了根系分泌物的生物硝化抑制剂活性，臂形草的根渗出环状二萜，暴露60%～90%的硝化抑制活动。如果将此特性转移到其他牧草，可望改善牧草对氮素的利用率并提高产量。

五、可消化性

鉴于家畜对蛋白质的消化和吸收直接关联到能量的可利用性，因此，提高牧草（尤其是禾本科牧草）的可溶性碳水化合物（WSC）含量显得十分重要。黑麦草的WSC包含果糖（最重要的贮藏性多糖），改善源于蔗糖的果糖代谢有助于改善可消化值。应用有区别的6G果糖基转移酶序列变体，证实黑麦草在更暖和气温下可提高果糖水平。WSC的数量与氮素对根的有效性密切相关，强调了营养组织中碳∶氮比平衡的重要性。

此外，WSC的数量对于不同的品种和环境也不同。在春夏季与根部高氮利用率相对应的最佳光合作用状况下，黑麦草的三个品系都有与最高WSC浓度相关的最高生长率。黑麦草RBCS和叶绿素a/b结合的光合作用促进剂，为评估大田试验的下列参数提供了转基因品系：增加产量、纤维含量、可消化性、假茎和叶片的果糖浓度。这些工作为将来的研究提供了平台，是识别其他重要营养性状的“药引子”。

抗性淀粉（RS）的含量对牧草的可消化性和营养含量有着重要的影响，RS到达家畜大肠（反刍动物消化RS更多的地方）之前的可消化性一般较低。研究表明，亚麻比谷物更有优势提高消化值。日粮RS之间的一个主要差异是，人类饮食中提供更多的纤维是有好处的，但对非反刍动物不利，因为它仍不能消化。一般来说，RS较低含量的牧草对于反刍动物和非反刍动物，都能改善可消化性。鉴于牧草的消化值与其淀粉、蛋白质和木质素含量密切相关，已着手进行大规模的全基因组关联研究，力求确认一系列性状之间的相关性，例如，利用三个不同的苜蓿品种和高通量的基因分型测序方法进行研究。

牧草的另外一种重要养分是原花色素或浓缩单宁（CT），CT与蛋白质结合，到达反刍动物瘤胃之前不能被消化。虽然过高含量的CT会限制发酵，尤其是在叶蛋白含量低的牧草中，但在提高牧草消化值中却是一个重要性状。2% ～ 4%CT含量的牧草具有最佳的消化值。一些豆科牧草（例如百脉根）具有最佳水平的CT，诸如红豆草和三叶草的一些牧草，在许多气候条件下往往是很难选作饲料的，这意味高产牧草（品种）存在增加CT浓度的更大空间。由于CT合成通路在鼠耳芥草中已经有了很好的识别，转录调节因子是R2R3 MYB、bHLH和WD40蛋白质，在最终CT含量中起核心作用。蒺藜种子皮里面的MtPAR已经确认与R2R3 MYB同源。苜蓿的毛状根转换，导致地上部积累高达20毫克/克的CT，但仍然低于理想的浓度。类似的研究表明，低产牧草（三叶草和苜蓿）的TaMYB14 转录因子表达，激活CT的生物合成。其他的研究包括蒺藜CT生物合成的早期步骤，CT的相对含量在叶子和花之间有何差异，改变三叶草的花期能否提高其消化值，牧草收割后饲喂前的微生物预消化（包括微生物添加剂）。

六、生物量产量

鉴于生物量产量是牧草改良的主要目标，快长型品种可作为育种目标。通过建立基因组预测模型和数量性状基因座，重点研究黑麦草的抽穗期和开花时间调节。调控延缓衰老的基因已成为提高生物量产量的目标。例如，在多花黑麦草中引入玉米半胱氨酸蛋白酶基因（SEE-1）的5’侧翼区，表明该启动子区域可使叶片寿命延长约8～16天。利用鼠耳芥草与衰老相关的基因（SAG-12）启动子，也延缓了亚麻的衰老，即使生长3个月后，叶绿素和产量也显著增加。利用柳枝稷品系NAC-1和鼠耳芥草品系（衰老缺陷突变体）NAC-2的转录因子表达，恢复了野生型表型（主要用叶绿素总浓度来测量）。

然而，快速生长还必须结合收割后快速再生的反应能力。利用黑麦草和苜蓿的13碳和15氮进行的收割试验表明，溶解的有机碳和氮以及微生物生物量对土壤都有影响，田间管理方案对随后的土壤健康至关重要。一种快速再生的能力可能会增加植物对昆虫和病原体的敏感性，值得进一步研究。组织损伤与植物免疫之间的关系也成为研究热点，组织生长速度与免疫密切相关。选择何时收割或放牧，对于随之而来的牧草再生也很重要；借助分子标记进行选择大有空间，基于（贮藏蛋白）候选基因表达的最佳时间收获，将来有可能进行PCR（多聚酶链式反应）检测，这种检测还可用来决定施肥时间。

牧草已广泛应用混种方式，豆科牧草与根瘤菌共生，通过固氮而增加土壤氮，其生物固氮量为32～115千克/公顷（2.13～7.67千克/亩），因此可减少后续牧草种植的施肥氮量23～31千克/公顷（1.53～2.07千克/亩）。许多间作方式都经过了试验，包括各种气候和土壤质地参数的建模。氮从豆类向（草地）作物的转移也摸索出经验。然而，这种相互作用如何通过土壤剖面影响氮的迁移和淋溶，还不得而知。混种在抵抗疾病和极端气候方面也有优势，因为植物对这些胁迫的敏感性因品种不同而不同。牧草育种的重点是单作选择方式，并有更好的混种选择空间，可纳入新品种试验。

改善牧草的营养品质并不是育种计划的惟一目标，还包括产量和气候耐受性，未来的牧草必须耐受气候变化与恶劣气候。与许多单作时产量最高的作物不同，牧草的优势在于它们混种也容易生长，并且不会降低生产力。这种趋势已在多项试验以及增加生物多样性的情况下得到体现。随着消费者越来越意识到食品生产对环境的影响，促进生物多样性，同时保持生产力，不仅意味着降低管理成本，而且有助于农耕文化的认同。

七、微量元素

生物强化谷物是植物研究的重点，但也有改善牧草营养质量的潜力。世界上最贫困的地区，家畜生产的经济重要性提供了生物强化牧草的机会，直接改善家畜健康、间接改善畜主及家人健康。为粮食生物强化而开发的知识库（例如候选植物金属转运体）尚未应用于牧草，例如，铁锌储存的转运蛋白已经在谷物中识别，它们在牧草中的等同物尚未确定。尽管在大多数土壤中，硅是禾本科植物特别需要的，但很可能对许多牧草的最佳生长也重要。硅对细胞壁结构重要，因此对病原体和害虫的抵抗性也重要，但可能会对可消化性产生负面影响。

大多数牧草都能形成菌根组合，这种共生关系对微量元素的获取具有重要意义。对于自然放牧，这些共生关系特别重要，但施肥时，菌根会受到抑制。通过给牧草接种菌根真菌来提高这种共生性，有可能改善牧草的矿物元素组成。真菌共生可增加土壤养分和水的开采面积，在干旱等恶劣气候下可能是至关重要的。此外，一个平衡和优化的根际微生物群对于优化根系功能是必不可少的。

八、环境足迹

与所有农业生产一样，牧草生产也是要提高水和养分的利用效率。玉米无论作为牧草还是作为粮食谷物种植，一般肥料需要量都相同。牧草、豆科作物和根茎作物对氮的需求差异很大，例如，芒草对氮的需求量较低。利用转运体标记基因作为田间作物状况的指标来改善氮素利用效率，可最大限度地减少过量氮肥的浪费和对环境的破坏。开发基因标记可指示每种牧草的氮素状况。

混合植物群落往往有较好的氮素利用效率，可能是因为每种植物都有不同的摄氮时间模式，导致生长速度和根系结构不同。在较富裕的国家，化肥价格虽然较低，并不提倡给牧草施用更多的化肥。如果制定法规，不准过量施用化肥，就可能促进肥料使用效率的提高。对于水的获取，苜蓿的长根可穿透深层，吸收水分和营养。牧草品种的选择取决于土壤类型、气候和耕作方式。

总而言之，文章从品种选育、增强营养的候选基因、蛋白质含量和氮素利用效率、根际微生物群、可消化性、生物量产量、微量元素和环境足迹等8个方面，并涉及巴西学者费利佩·克莱因·里切涅夫斯基引用的世界范围内的多个文献，归纳了牧草的研究进展，展示了未来靶向。