学科发展研究(2012-2013)分述
草业科学
2014年04月01日

  一、引言

  草学是一个新兴学科,近几十年来,其支撑的草业发展迅速,展现出良好的前景。草业关系到国家生态和粮食安全,是农业可持续发展的重要环节,其对社会进步和经济发展具有重要意义。随着国家对草学的重视及草业工作者的不懈努力,草学已在牧草新品种选育、人工草地建设、草原改良、病虫害防治、草产品加工、家畜饲养、生态恢复等方面取得了众多科研成果,并在实践中产生了较好的经济效益和社会效益。2011年草学晋升为国家一级学科,也是农业领域唯一晋升的学科,标志着草学的学科地位得到了社会认可。

  本文将就学科所包括的牧草遗传育种、饲草栽培、饲草加工、草地植物保护、草地资源与生态、草地经营与管理等方面,研究分析了本学科的发展现状、动态和趋势,以及我国的草业学科与国际水平的比较。立足于我国社会、经济、生态等方面对学科的战略需求,跟进、借鉴交叉学科的发展前沿,展望草业学科的发展前景和目标,最后提出草学在我国今后的研究重点和发展方向。

  二、本学科近两年最新研究进展

  近年来,随着《草原法》等相关法规的制定为草业发展提供了法律保障,国家科学发展观的提出为草业发展奠定了思想基础,国家高度重视粮食安全和能源安全为草业发展提供了广阔空间,全社会生态保护意识不断增强为草业发展创造了良好的社会环境。国家“863”,“973”和国家自然科学基金项目等在重大科技创新和高新技术应用领域的项目支持使得一大批具有国际影响力的成果产生。

  牧草生物技术取得了重要进展。随着第二代基因组测序技术的发展,分析与植物重要农艺性状的功能基因变得较为简单。我国设有草学教学点的高校和科研机构在功能基因的克隆方面已与国际知名的研究机构处于同等水平。中国农业大学王涛教授团队通过基因克隆、遗传转化和功能分析发现几个在苜蓿抗逆中起重要作用的功能基因(Li et al. 2011)。目前,已经证明抗旱相关基因MtCAS31与植物的抗旱性和气孔发育相关(Xian et al. 2012)。另外,王涛课题组建立了多基因转化载体构建技术平台,为实现牧草多性状遗传改良奠定了基础(Ma et al. 2011)。华南农业大学郭振飞课题组以黄花苜蓿为试材,通过RNA抑制性差显杂交技术筛选出黄花苜蓿与不耐寒紫花苜蓿品种响应低温胁迫表达差异的基因;并研究与苜蓿耐寒性相关联的基因在冷和其它胁迫因子处理下的表达特性,在一定程度上揭示了黄花苜蓿耐寒性分子机理,为牧草耐寒分子育种提供了可选择的功能基因和遗传标记基因(Zuo et al. 2013)。中科院植物所张文浩课题组(2011)比较了黄花苜蓿和蒺藜苜蓿的抗冻反应,发现CBF3(转录因子)和CAS(冷特异表达基因)的表达量与植物可溶性糖含量和抗冻性呈正相关。此外,兰州大学、甘肃农业大学、内蒙古农业大学等也进行了牧草遗传改良,从苜蓿、偃麦草、柠条、霸王、高羊茅、野牛草中利用基因同源克隆的方法,挖掘与抗逆、品质、熟性等相关的基因上百个,并进行了遗传转化等研究。目前,紫花苜蓿、鸭茅、高丹草等草种的遗传图谱绘制工作已经启动。

  在草种质资源方面,至今我国已建成1个中心库——全国畜牧总站牧草种质资源保存利用中心(北京),2个备份库——温带草种质备份库(中国农业科学院草原研究所,呼和浩特)、热带草种质备份库(中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所,儋州);17个资源圃,10个生态区域技术协作组,覆盖了全国31个省(自治区、直辖市)的国家级草种质资源保护利用体系。截至2012年,已完成农艺性状评价的牧草种质2.289万份,抗性评价鉴定6000余份。这些优良性状的获得为优异基因的挖掘、种质资源创新和牧草遗传育种奠定了坚实的基础。

  在牧草生产方面,长期以来,我国在牧草栽培利用方面经费投入严重不足,以至对饲草生产实践难以形成强有力的科技支撑。尽管环境条件不利,我国的饲草栽培科技工作者依然在牧草种植、推广等方面取得了显著的研究成果。国内众多的研究机构研究了饲草生长发育和环境的关系、饲草种植技术、饲草养分管理等,这些理论和研究的深入促进了我国的牧草种植。就苜蓿而言,2011年我国苜蓿的种植面积已经达到377.493万hm2,比2001年的种植面积增加了85.6%(全国畜牧总站,2011年)。我国牧草种植区划和研究站网点的形成为今后信息收集、共享及提高牧草生产力提供了有力保障。

  在饲草加工方面,已建立了不同类型草种的加工、青贮技术流程,颁布了有关行业标准如《NY/T728-2003禾本科牧草干草质量分级》、《NYT 1574-2007 豆科牧草干草质量分级》、《NYT 1575-2007 草颗粒质量检验与分级》,以及地方标准《DB51 T 684-2007 紫花苜蓿草颗粒加工技术规程》等。这些标准和技术规程将使我国草产品的质量评价和安全生产更加规范。目前,苜蓿干草和草颗粒在国内大型奶牛场已经推广利用,以玉米秸秆为原料的青贮饲料在华北、东北、中原、西北等奶业传统优势区都占有主要地位。

  在草地植物保护方面,我国已建立系统的草地病害、虫害、鼠害、毒草等防治技术体系,在草原病、虫、鼠害及毒草为害特点、防治方法等方面均取得了一定进展。另外,对草地资源调查、草地生态恢复和重建、草地碳贮量、生物多样性、放牧管理等的研究为合理利用草地、解决饲料安全和供应、促进国民经济和社会全面协调可持续发展等方面发挥重要作用。

  根据学科发展和社会需求,草学已成为本科教育一级学科。据统计,目前我国已有31个科研院所招收草业科学专业本科生、硕士生或博士生,草业科研队伍不断壮大,草业科学人才培养体系已形成,草业科学理论得到丰富和发展,相关标准和规程的日益完善,国际合作和交流也明显加强。2008年,在我国内蒙古呼和浩特成功地举办国际草地与草原大会,让世界了解了中国的草原,提升了中国草学的国际地位。2013年9月,国内90多位专家学者参加了在澳大利亚召开的第22届国际草原大会(International Grassland Congress),张英俊教授受邀做了“繁荣草原,和谐社会”的大会主题报告,这充分体现了我国草业科学的进步和国际声誉的提高。

  三、本学科国内外研究进展比较

  草学基础理论方面的进展主要表现为功能基因的研究体系的建立,目前的模式植物都属草类。如,拟南芥在其测序和突变体库建立后便被视为大多数植物基因功能研究的基础。近两年,大量有关与苜蓿抗逆相关的功能基因、苜蓿形态发育及其与微生物共生固氮等方面的论文不断被报道。豆科植物和根瘤菌共生固氮与微生物进化的关系也被揭示(Young el al. 2011, Nature)。此外,谷子(豫谷1号)和狗尾草因为其基因组相对较小、单株种子量大的特点而被美国科学家提出作为C4植物的模式植物,目前这两种植物的基因组测序已经完成,遗传转化和再生已有成功的报道。这些模式植物的研究体系的建立将大大加快今后功能基因克隆、遗传学研究和育种的速度,培育抗逆性好、品质优良的牧草新品种是牧草育种的主要方向。另外,由美国、法国、匈牙利、德国等国多家研究机构参加的蒺藜苜蓿基因组测序项目到2008年已全部完成测序工作,但相关的基因注释和功能验证的研究仍在继续。美国能源部Joint基因研究所又将二穗短柄草测序,目前其再生和遗传转化体系已经建立,作为温带禾本科植物的模式植物的研究报道不断增加。

  目前,苜蓿抗逆境胁迫的研究较为深入,大量与抗逆相关的转录因子以及可产生使细胞免受胁迫伤害的物质的基因已经被克隆并经过功能验证(Suzuki et al.,2012)。提高苜蓿体内的CT含量是苜蓿品质改良的一项重要研究内容。已有研究证明,CT的表达由一个单一的显性基因控制,许多苜蓿品种不含CT,还有一些一年生的苜蓿属植物叶片中均不产生单宁(王妍君,2011)。二氢黄酮醇还原酶(DFR)是缩合单宁形成的关键酶,已在烟草等植物中进行了遗传转化和功能研究。在抗除草剂方面,美国孟山都公司与牧草遗传国际公司合作研发的抗草甘磷除草剂的紫花苜蓿新品种于2010年批准释放,这标志着转基因苜蓿将和转基因棉花、大豆、玉米等农作物一样,会在全球迅速发展推广。

  牧草的品质改良研究主要集中在营养品质及其可消化性,提高蛋白质含量和降低木质素含量。美国已经通过基因工程的方法获得了木质素含量降低、消化率提高的转基因苜蓿品种。在苜蓿中,Dixon实验室克隆、鉴定了一个与花青素合成相关的单宁合成酶基因LAP1(2009)。在苜蓿中的过量表达现示,苜蓿合成大量的色素物质,胁迫条件下花青素的合成的增加尤为显著。此外在遗传图谱研究方面,美国、英国、法国、日本等对禾本科冰草属、披碱草属、羊茅属、黑麦草属、大麦属等以及豆科苜蓿属等草种(品种)间的远缘杂交进行了大量研究,特别是利用RFLP、SSR等多种分子标记进行的遗传作图、DNA指纹品种识别、分子标记辅助选择、图谱克隆等方面取得了较好的成果。

  我国在草类植物遗传育种新技术应用方面取得了较大进展,我国草学科研人员利用SRAP和EST-SSR分子标记研究了扁穗牛鞭草的遗传多样性、群体遗传关系等。针对暖季型草坪草结缕草属植物抗寒性差的特性,通过关联分析法对与结缕属植物抗寒性和青绿期相关联的分子标记(SSR和SRAP)进行了研究,并构建高密度SSR遗传连锁图谱,为进一步解析结缕草属植物抗寒性或抗旱的遗传变异规律和机制奠定基础。随着分子生物技术的兴起,转基因技术也已成为草育种的有效手段。

  利用RAPD、ISSR、SRAP、SSR分子标记系统研究了来自世界四大洲七个国家共45份鸭茅种质资源的遗传多样性,发现鸭茅种质间具有丰富的遗传变异,还能快速准确鉴定各个品种。采用SSR、AFLP、EST-CAPS和RGA-CAPS分子标记构建了高密度多花黑麦草遗传连锁图。通过SSR分子标记对野生扁蓿豆、紫花苜蓿和黄花苜蓿种质资源的遗传多样性进行了分析,并构建了遗传连锁图谱。筛选出了与高羊茅耐热性和越夏性相关的ISSR分子标记,探明了高羊茅耐热性的遗传基础,为耐热高羊茅新品种选育提供了依据。利用ISSR和AFLP分子标记技术分别研究了根茎型羊草和偃麦草]的遗传多样性。通过体细胞杂交的方法,将禾本科小麦族近缘种偃麦草属植物(中间偃麦草、长穗偃麦草)导入小麦,并利用SSR分子标记对来自偃麦草属植物基抗病、耐盐等基因进行遗传定位和分析,明确了其抗逆机制,获得一批抗病、耐盐的偃麦草属-小麦附加系。此外,通过对控制产量、品质和抗逆性等多个目标性状的基因进行聚合和选择,培育综合性状优良的新品种。如,将荒漠植物旱生霸王中抗旱耐盐NHX和VP功能基因聚合导入百脉根中,获得了抗旱耐盐碱和耐贫瘠能力显著增强的转基因百脉根新品系。Hua等人(2012东北农业大学朱延明实验室)将野生大豆(Glycine soja)S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因GsSAMS2导入苜蓿,使转基因苜蓿耐盐性校对照材料显著提高。Song等人(2012,张文浩课题组)研究发现蒺藜苜蓿基因HD-Zip基因MtHB2和植物的抗非生物胁迫(冷、旱、盐 )性相关,通过转基因拟南芥的研究推测该基因的表达与植物的抗逆性负相关。截止2011年,已通过审定登记的苜蓿品种有75个(紫花苜蓿Medicago sativa L.54个,黄花苜蓿M. falcata L.2个,多变(杂花)苜蓿M. varia Martin14个,远缘杂交苜蓿3个,南苜蓿M. hispida Gaertn.1个,天蓝苜蓿M. lupulina L.1个),其中50%以上为地方品种和引进品种,育成品种少、综合性状不突出,与国外苜蓿育成品种的数量和质量相比,我国苜蓿育种工作还相对落后。

  总体而言,本学科已经初步构建起我国草遗传育种研究体系,牧草种质资源保护体系已渐成熟。近年来,我国草地管理学、植物保护学、草地资源与生态科学、草地经济学等已有很大发展,有的研究、技术或分支学科已达到国际先进水平和国际领先水平,但总体上与国际先进水平比较仍有差距。

  四、本学科发展趋势和展望

  中国草业作为一个新兴的朝阳产业、绿色产业,必将受到社会的高度重视,必将更加充满活力,必将在实现生产发展、生活富裕、生态良好的和谐社会的建设中发挥越来越重要的作用。我国是一个草原大国,拥有各类天然草原近4亿公顷的草原资源丰富,但是由于人为活动等原因,草原退化、沙化、盐碱化严重,生物多样性受到破坏,草原病虫鼠危害加剧,要进行生态恢复和重建,势必对优良牧草品种的需求增大,这也对草学的发展指出了方向。

  1.草遗传育种学方面。(1)加强草种质资源收集保存与共享利用;(2)加强草种质资源评价鉴定与创新利用;(3)加强草种质资源重要抗逆品质等基因克隆与功能鉴定;(4)加强现代生物技术(分子标记辅助育种、转基因技术育种等)与航天育种技术、倍性育种技术的利用,开展草遗传育种研究,加速优质、高产、高抗等优良生物学性状的草新品种选育进程;(5)加强草遗传育种研发团队的建设;(6)加强高效饲草产品添加剂的筛选与创制,推进饲草产品的高效利用技术;(7)加强政策引导和投资力度。

  2.饲草栽培学科方面。应当重视栽培区域主栽草种的品种筛选、重点障碍土壤改良和耕作措施、豆科牧草根瘤菌剂研发、播种技术及苗期杂草控制技术,对以土壤养分丰缺指标为核心的测土施肥系统和施肥模式、以饲草需水规律和自然供水规律为基础的灌溉模式等也要加以重视。

  3.饲草加工学方面。应加强抑制饲草产品养分劣变的调控技术,研究与探索不同原料、不同调制措施饲草产品加工贮藏时养分的动态变化过程,高效阻留可供动物利用的养分。科学制定符合中国特色的饲草产品质量评价标准,加强广谱性、复合型饲草生物性添加剂的筛选与创制,加强我国南方地区青贮饲料生产与利用技术。

  4.草地植物保护学方面。应加强建立牧草病虫害监测预报网络,制定适当的经济阈值(即防治指标),加大政策扶持与资金投入,专题立项研究、建立可持续发展的草地病虫害防控体系,密切关注国外草地病害的发生动态,预防危险病害的传入;培育出一批具有我国知识产权的牧草抗病新品种,从种子源头提高牧草产量和品种;利用生物制剂防治病虫害,利用天敌的同时合理使用化学农药。

  5.草地资源与生态方面。应加强草地植被恢复与重建研究,主要集中在放牧对植被的影响方面;加强草、畜间的正负反馈调节机制研究、放牧生态理论指导下的草地管理模式等基础与应用基础研究;加强全球气候变化下的草地生态系统碳氮循环研究,注重草地资源的合理配置与生态优化。

  6.草地经营与管理方面。主要任务是防止草原灾害的大规模发生,巩固现有可利用草原资源,加大草原恢复治理的力度,加快人工草地建设步伐,提高草原产草量,高度重视草原资源的合理利用,缓解草畜矛盾,解决农牧矛盾,促进农业和畜牧业协调稳定的可持续发展。
 

  Pratacultural science is an emerging discipline in China which developed rapidly in the past decades and have revealed good development prospect. This report studies and analyzes the research progresses, achievements, new technologies and new methods in discipline development and personnel training in the following aspects: genetic breeding of leguminous forage grasses, forage grass cultivation and forage grass processing, to expound the application effects and contributions of the newest achieved research progresses and important scientific and technological achievements in sustainable agriculture promoting, ecological security guaranteeing and farmer-herdsmen income promoting, and then to put forward the future study emphases and development directions.

  The gene cloning level of the universities and scientific research institutes has already caught up with those internationally renowned institutes. The Tao Wang team (China Agricultural University) (Li et al. 2011), Zhenfei Guo team (South China Agricultural University) (Zuo et al. 2013), and Wenhao Zhang team (the plant industry of Chinese academy of sciences, 2013) all have done researches on resistant gene of alfalfa, and have made significant achievements. Additionally, Lanzhou University, Gansu Agricultural University and Inner Mongolia Agricultural University have also conducted the genetic improvement of forage grasses.

  As for the germplasm resources, there are currently one central library, two back-up libraries, 17 germplasm repositories and 10 technological cooperative groups in ecological area, which have already covered the protection and utilization system of the national grass germplasm resources of 31 provinces (municipality cities and direct-controlled municipality cities). Up to 2012, 22989 forage germplasm have been evaluated the agronomic characteristics and more than 6000 have been evaluated and identified the resistant capability.

  Although Tthe founding used on forage grass cultivation and utilization was far from enough, but has ait is with significant effect. For alfalfa, the planting area had already reached 3774.93 thousand hm2 in 2011, which had increased 85.6% times compared with that of 2001 (the national animal husbandry station, 2011). And , which formed the forage planting regionalization and research station branches.

  As for forage grass processing, the processing and ensiling technique flows have already been established for different forage grasses, as expressed in the issued industrial standards like NY/T728-2003 grass hay quality grading, and totally more than five industrial standards. Currently, alfalfa hay and granules have been generalized and utilized in some large-scale dairy farms. For grassland protection, grass diseases diagnosis method, information technology, disease damage evaluation, prevention and control technology, and so on, have been established. Certain progresses have been acquired in damage traits and control methods based on the above damages.

  At present, pratacultural science has become the first-level discipline of undergraduate education, up to 31 scientific research institutes recruit undergraduate, postgraduate and PhD students majoring in pratacultural science. The team keeps growing and the personnel training system of pratacultural science has been established, which accelerated the enrichment and development of pratacultural science theories, and the related standards and regulations have been consummated, along with the conspicuously enhanced international cooperation and exchange. Nowadays, some grasslands are degenerating, desertificating or being salinized, damaged the biological diversity or injured by diseases, pests and rats due to human activities. To restore and re-establish the ecology, the demand for excellent forage grass varieties is increasing, which points out directions for the development of pratacultural science.