文│伍佰鑫 孫鏖 易康樂（湖南省畜牧獸醫(yī)研究所）

牧草是用來飼養(yǎng)家畜的，在貧困的地區(qū)，家畜生產(chǎn)對小農(nóng)戶的生計至關(guān)重要，例如撒哈拉沙漠以南的非洲，基本上是婦女維系家畜生產(chǎn)。據(jù)世界糧農(nóng)組織（FAO，2010）統(tǒng)計，全球牧草用地占陸地面積的26%、占農(nóng)業(yè)用地的70%。牧草通常是禾本科草或草本豆科植物，一些豆科樹（如木豆和銀合歡）生長于沙漠和熱帶草原。熱帶最多的草有象草或狼尾草、臂形草和鳳尾草。溫帶最多的草包括翦股、羊茅、黑麥草、鴨茅或這些草的雜交草，例如，羊茅和黑麥草的雜種是從20世紀70年代開始發(fā)展起來的，產(chǎn)生了羊草等作物，這種作物將黑麥草的優(yōu)良飼料品質(zhì)與羊茅的持久性和抗逆性結(jié)合起來。

一些玉米（品種）已育成為專用牧草（品種）。通常栽培的草本豆科植物是車軸草、苜蓿、三葉草和野豌豆。蕓苔屬牧草包括油菜和甘藍。飼料甜菜是另外一種溫帶作物。任何國家優(yōu)化種植的牧草組合取決于該國的氣候和家畜需要，然而，苜蓿（多年生豆科植物）是栽培最廣的品種，因為它既可在溫帶又可在熱帶生長。

鑒于家畜生產(chǎn)效率和人類健康問題，許多人群持續(xù)呼吁，人們應(yīng)當減少對畜產(chǎn)品的消費，寧愿吃谷物豆類而不是被轉(zhuǎn)化后的畜產(chǎn)品，因為谷物豆類是可持續(xù)發(fā)展的未來食物。歐美發(fā)達國家有1%～10%的成年人群采用以植物為基礎(chǔ)的飲食。然而，無論是生產(chǎn)效率問題還是環(huán)境問題，畜產(chǎn)品（養(yǎng)分濃度高）仍然是重要的食品，特別是在4%～22%人口營養(yǎng)不良的發(fā)展中國家。當投入和產(chǎn)出達到平衡時，家畜生產(chǎn)可以將人類不可食用的農(nóng)作物（牧草）轉(zhuǎn)化為食物，并有可能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的集約化。

此外，畜牧業(yè)文化和社會意義不容低估，全球畜產(chǎn)品產(chǎn)量增長的趨勢不可阻擋。在許多發(fā)展中國家，牛、羊等家畜的飼養(yǎng)在貧困時期是至關(guān)重要的，農(nóng)民認為家畜是活生生的“銀行”，例如可以支付家庭開支。因此，畜牧業(yè)生產(chǎn)將在世界各地繼續(xù)進行，今后數(shù)十年都會種植牧草。提高牧草的產(chǎn)量和營養(yǎng)質(zhì)量，有助于減輕家畜生產(chǎn)對可持續(xù)發(fā)展的負面影響。

一、品種選育

與其他農(nóng)作物相比，牧草的種植相對較新，1900年以前幾乎沒有什么改進。近年來，鑒于農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢和牧草在全球經(jīng)濟中的重要性，已經(jīng)培育出一些新品種，最理想的選育指標是提高牧草干物質(zhì)產(chǎn)量、耐久性、對害蟲（病原真菌和線蟲等害蟲）的抵抗性、干物質(zhì)的可消化性和營養(yǎng)含量。目前已在苜蓿、三葉草、黑麥草和羊茅的育種方面取得最大進展，由美國和加拿大12個州的15個研究所組成的團隊，正在對這些牧草實施大規(guī)模育種計劃。類似的熱帶牧草育種組織包括設(shè)在哥倫比亞的國際熱帶農(nóng)業(yè)中心、烏干達國家牲畜資源研究所、坦桑尼亞家畜研究所、莫桑比克農(nóng)業(yè)研究所和巴西農(nóng)業(yè)研究公司，正在非洲的東部和南部開展工作。

牧草育種過程困難重重，因為個別物種具有高度的基因型和表型異質(zhì)性，許多物種是多倍體，這一問題因近交育種而加劇，與不同基因相關(guān)的農(nóng)藝性狀也很少。盡管存在這些問題，但在牧草育種方面，特別是在苜蓿和黑麥草育種方面有了一些重大進展。最令人興奮的育種進展之一是，利用黑麥草和羊茅的近緣種培育出了羊茅黑麥草，它不僅具有黑麥草的優(yōu)質(zhì)特征，而且具有較強的抗逆性和持久性；通過回交，又產(chǎn)生了蛋白質(zhì)含量比親本穩(wěn)定的新型雜交種。表型方面的進步使田間特征的量化變得更加容易，例如，對生長的牧草進行高水平成像，可準確地確定諸如生物量這樣的后期性狀。測序方法的進步又為新品種提供了更多的轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)。例如，識別SNPs（單核苷酸的多態(tài)性）可以用來改良黑麥草和三葉草。這些牧草品種的基因組草案正變得越來越普遍，而且越來越多的證據(jù)表明，像短柄草這樣的模式物種可作為研究的向?qū)В瑸樵鰪姞I養(yǎng)的候選基因提供線索。

二、增強營養(yǎng)的候選基因

潛在候選基因的識別，通常是通過數(shù)量性狀位點分析或者通過已知基因組的標記輔助選擇進行，識別結(jié)果與生物量和生長性狀有關(guān)。數(shù)量性狀位點分析用于抗倒伏性、活力、植物高度及收割后的再生；候選基因分析用于開花和莖高；活性氧抗性基因的生化標記物用于分析與干物質(zhì)相關(guān)的抗旱性。通過黑麥草轉(zhuǎn)錄譜展示的野生型和矮小突變體之間的差異表達基因，能夠識別并用于篩選與矮小相關(guān)的三個關(guān)鍵基因。（生化）標記用于推斷兩個表型性狀并跟蹤遺傳以幫助育種，例如，已經(jīng)通過類似的技術(shù)對黑麥草葉綠體SSRs（簡單重復(fù)序列）進行了研究。

對模式牧草蒺藜的基因組進行徹底的重新注釋，又發(fā)現(xiàn)了成百上千個小的分泌肽，它們都是由黃斑素應(yīng)答基因和結(jié)瘤應(yīng)答基因編碼的，有助于反向遺傳學(xué)改良許多牧草，特別是亞麻。運用迭代映射軟件（如生物激勵器）和公開的數(shù)據(jù)，分析黑麥草數(shù)量性狀遺傳位點，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狀標記）的基礎(chǔ)上，又獲得了新的候選基因。此外，用來解讀蒺藜開花時間和植株高度的生物激勵器，直接牽涉到亞麻的研究。

盡管需要確保（尤其是成品飼料）最佳的營養(yǎng)含量，但是快速積累營養(yǎng)物質(zhì)是優(yōu)良牧草最理想的性狀，特別是那些在整個生長季節(jié)經(jīng)歷大量收割的牧草。由于這一現(xiàn)象，牧草改良的候選基因要么與光合作用有關(guān)，要么與氮素利用效率有關(guān)。更廣泛地說，在生物抗性和非生物脅迫方面，利用模式牧草獲得的遺傳知識，也有很大的機會來改良牧草性狀。這些性狀的改良得益于成果轉(zhuǎn)化和遺傳標記技術(shù)。已經(jīng)開發(fā)了能繁而高效轉(zhuǎn)化的溫帶品種羊茅和黑麥草，最近又開發(fā)出一些熱帶草，如狼尾草和臂形草。一些牧草對脅迫耐受性的基因編輯，在提高生物量和營養(yǎng)質(zhì)量方面都取得了成功。亞麻和鼠耳芥草耐旱性增強的基因轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的植物，與野生型相比，不僅增加了根長、莖高和營養(yǎng)量，而且增加了干旱脅迫下脯氨酸、可溶性糖和葉綠素的含量。更重要的是，無論是在實驗室還是野外條件下，都顯示出了增長情況。

三、蛋白質(zhì)含量和氮素利用效率

牧草育種的目標之一是蛋白質(zhì)含量和氮素利用效率，蛋白質(zhì)的積累與氮的狀態(tài)有關(guān)，當供應(yīng)超過適度時，就會發(fā)生更大的儲存。與育成的種子淀粉含量高的糧食作物相比，牧草因為生長、儲存能力和較高的纖維含量，通常需要更多的氮。牧草收獲的是葉組織生物量，而不是谷粒、根、塊莖，不僅要求葉子的產(chǎn)量高，還應(yīng)有最佳產(chǎn)量的氮素。

此外，在研究肥料使用的效果時，還應(yīng)關(guān)注施肥過程中的生物量和氮狀態(tài)變化（氮的攝取效率）。由于氮素利用效率是生物量改善的一個重要標準，許多與氮攝取或代謝有關(guān)的基因一直是模型系統(tǒng)中的研究課題。碳代謝中的重要基因也是關(guān)注的焦點，因為碳∶氮比率與植物生長有聯(lián)系。盡管禾本科植物與豆科植物之間存在著長期的進化差異，但許多關(guān)鍵候選基因具有很高的遺傳相似性，可以利用影響一種牧草一個性狀的基因來研究另一種牧草，例如，利用已經(jīng)識別的一系列氮儲存蛋白來研究葉和根。

許多牧草的編碼序列與研究頗多的作物有很高的相似性，例如，通過對下列植物的基因組進行測序：木豆、鷹嘴豆、大豆、百脈根、蒺藜、菜豆，發(fā)現(xiàn)苜蓿和三葉草與豆科植物密切相關(guān)。這樣的序列可以為育種程序提供大量的潛在性基因，例如，蒺藜中的熱休克蛋白（HSP），在亞麻中發(fā)現(xiàn)同源體HSP70，它對鼠耳芥草的抗應(yīng)激有重大作用。

牧草（收割后）對于家畜最重要的營養(yǎng)成分是蛋白質(zhì)和水溶性碳水化合物，開發(fā)莖和葉的器官特異性蛋白組圖，具有重大的現(xiàn)實意義。這些組織中的主要蛋白質(zhì)是光合酶（二磷酸核酮糖氧合酶）、固碳基因（3-磷酸甘油醛脫氫酶和磷酸甘油醛異構(gòu)酶）和結(jié)構(gòu)蛋白（主要參與莖的木質(zhì)素合成）。由于牧草的消化值主要與細胞壁濃度有關(guān)，降低細胞壁濃度有助于消化，一些研究更加關(guān)注這些組織的蛋白組，另一些研究集中在增加和提高氨基酸和蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)基因方法上。

鑒于很多牧草含有低濃度的含硫氨基酸（蛋氨酸和半胱氨酸），一些研究的目的是利用過度表達來提高這些成分的水平，包括用作牧草源的羽扇豆和黃豆。除了品種差異可以通過育種計劃或特定的轉(zhuǎn)基因方法加以改善外，營養(yǎng)含量最顯著的變化是應(yīng)激造成的。因此，應(yīng)激蛋白組也應(yīng)用于植物組織，通過水分脅迫下的羽扇豆莖蛋白分析，發(fā)現(xiàn)絲氨酸蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶有增加。香豌豆幼苗在鹽度、低溫或ABA（脫落酸）脅迫下，產(chǎn)生48種應(yīng)激反應(yīng)蛋白。亞麻在干旱條件下，源于二磷酸核酮糖氧合酶中的氮被動員，以彌補氮素吸收導(dǎo)致的減少。

選用抗病品種；與非瓜類作物輪作5年以上；避免偏施氮肥，施用充分腐熟優(yōu)質(zhì)有機肥，增加抗病力；加強田間管理，及時排水，降低田間濕度，發(fā)現(xiàn)病株及時清除并集中銷毀。

此外，牧草對收獲方式也會產(chǎn)生極大的應(yīng)激，在苜蓿和三葉草中發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)貯藏蛋白去除，新芽再生。黑麥草在寒冷環(huán)境下可增加某些蛋白質(zhì)（特別是天冬酰胺和谷氨酰胺）的相對比例。最后，家畜消耗多達70%的植物氮素用于產(chǎn)奶或產(chǎn)肉，以氨或尿素的形式排出體外，被植物回收利用。

四、根際微生物群

基因組學(xué)的影響從牧草本身延伸到牧草所處的環(huán)境，牧草的附生細菌可能對牧草的健康和營養(yǎng)很重要，一些微生物能在豆科牧草根系中固定大氣中的氮。與牧草一起生活的細菌可能有助于家畜消化吸收攝入的牧草營養(yǎng)，這些細菌可能通過產(chǎn)生特定的結(jié)合分子或載體來促進家畜腸道內(nèi)微量元素的吸收。根際微生物群對土壤養(yǎng)分的循環(huán)和吸收非常重要，特別是低投入的熱帶牧草。將有益微生物接種到新的牧草以及研究根系分泌物成分的微生物，可能是未來牧草研究和應(yīng)用的方向。

根通過改變根分泌物的化學(xué)成分而直接改變根際群落。例如，熱帶臂形草的根系專門產(chǎn)生一種抑制硝化細菌的化學(xué)物質(zhì)，阻斷土壤細菌的氨氧化通路（銨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的第一步）。土壤中的氨氧化細菌迅速將尿素或NH4+肥料轉(zhuǎn)化為NO3-，NO3

-是流動的且易于浸出（有利于植物吸收）。在包括高粱和水稻在內(nèi)的幾種豆科植物和禾本科植物的根系分泌物中發(fā)現(xiàn)了硝化抑制劑；對于牧草，僅在熱帶臂形草中發(fā)現(xiàn)有它的活動。水稻根系分泌物抑制硝化的能力為5%～50%，但在3個祖先系中無顯著提升。應(yīng)用歐洲亞硝化單胞菌即氨氧化細菌，分析了根系分泌物的生物硝化抑制劑活性，臂形草的根滲出環(huán)狀二萜，暴露60%～90%的硝化抑制活動。如果將此特性轉(zhuǎn)移到其他牧草，可望改善牧草對氮素的利用率并提高產(chǎn)量。

五、可消化性

鑒于家畜對蛋白質(zhì)的消化和吸收直接關(guān)聯(lián)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）含量顯得十分重要。黑麥草的WSC包含果糖（最重要的貯藏性多糖），改善源于蔗糖的果糖代謝有助于改善可消化值。應(yīng)用有區(qū)別的6G果糖基轉(zhuǎn)移酶序列變體，證實黑麥草在更暖和氣溫下可提高果糖水平。WSC的數(shù)量與氮素對根的有效性密切相關(guān)，強調(diào)了營養(yǎng)組織中碳∶氮比平衡的重要性。

此外，WSC的數(shù)量對于不同的品種和環(huán)境也不同。在春夏季與根部高氮利用率相對應(yīng)的最佳光合作用狀況下，黑麥草的三個品系都有與最高WSC濃度相關(guān)的最高生長率。黑麥草RBCS和葉綠素a/b結(jié)合的光合作用促進劑，為評估大田試驗的下列參數(shù)提供了轉(zhuǎn)基因品系：增加產(chǎn)量、纖維含量、可消化性、假莖和葉片的果糖濃度。這些工作為將來的研究提供了平臺，是識別其他重要營養(yǎng)性狀的“藥引子”。

抗性淀粉（RS）的含量對牧草的可消化性和營養(yǎng)含量有著重要的影響，RS到達家畜大腸（反芻動物消化RS更多的地方）之前的可消化性一般較低。研究表明，亞麻比谷物更有優(yōu)勢提高消化值。日糧RS之間的一個主要差異是，人類飲食中提供更多的纖維是有好處的，但對非反芻動物不利，因為它仍不能消化。一般來說，RS較低含量的牧草對于反芻動物和非反芻動物，都能改善可消化性。鑒于牧草的消化值與其淀粉、蛋白質(zhì)和木質(zhì)素含量密切相關(guān)，已著手進行大規(guī)模的全基因組關(guān)聯(lián)研究，力求確認一系列性狀之間的相關(guān)性，例如，利用三個不同的苜蓿品種和高通量的基因分型測序方法進行研究。

牧草的另外一種重要養(yǎng)分是原花色素或濃縮單寧（CT），CT與蛋白質(zhì)結(jié)合，到達反芻動物瘤胃之前不能被消化。雖然過高含量的CT會限制發(fā)酵，尤其是在葉蛋白含量低的牧草中，但在提高牧草消化值中卻是一個重要性狀。2% ～ 4%CT含量的牧草具有最佳的消化值。一些豆科牧草（例如百脈根）具有最佳水平的CT，諸如紅豆草和三葉草的一些牧草，在許多氣候條件下往往是很難選作飼料的，這意味高產(chǎn)牧草（品種）存在增加CT濃度的更大空間。由于CT合成通路在鼠耳芥草中已經(jīng)有了很好的識別，轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子是R2R3 MYB、bHLH和WD40蛋白質(zhì)，在最終CT含量中起核心作用。蒺藜種子皮里面的MtPAR已經(jīng)確認與R2R3 MYB同源。苜蓿的毛狀根轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致地上部積累高達20毫克/克的CT，但仍然低于理想的濃度。類似的研究表明，低產(chǎn)牧草（三葉草和苜蓿）的TaMYB14 轉(zhuǎn)錄因子表達，激活CT的生物合成。其他的研究包括蒺藜CT生物合成的早期步驟，CT的相對含量在葉子和花之間有何差異，改變?nèi)~草的花期能否提高其消化值，牧草收割后飼喂前的微生物預(yù)消化（包括微生物添加劑）。

六、生物量產(chǎn)量

鑒于生物量產(chǎn)量是牧草改良的主要目標，快長型品種可作為育種目標。通過建立基因組預(yù)測模型和數(shù)量性狀基因座，重點研究黑麥草的抽穗期和開花時間調(diào)節(jié)。調(diào)控延緩衰老的基因已成為提高生物量產(chǎn)量的目標。例如，在多花黑麥草中引入玉米半胱氨酸蛋白酶基因（SEE-1）的5’側(cè)翼區(qū)，表明該啟動子區(qū)域可使葉片壽命延長約8～16天。利用鼠耳芥草與衰老相關(guān)的基因（SAG-12）啟動子，也延緩了亞麻的衰老，即使生長3個月后，葉綠素和產(chǎn)量也顯著增加。利用柳枝稷品系NAC-1和鼠耳芥草品系（衰老缺陷突變體）NAC-2的轉(zhuǎn)錄因子表達，恢復(fù)了野生型表型（主要用葉綠素總濃度來測量）。

然而，快速生長還必須結(jié)合收割后快速再生的反應(yīng)能力。利用黑麥草和苜蓿的13碳和15氮進行的收割試驗表明，溶解的有機碳和氮以及微生物生物量對土壤都有影響，田間管理方案對隨后的土壤健康至關(guān)重要。一種快速再生的能力可能會增加植物對昆蟲和病原體的敏感性，值得進一步研究。組織損傷與植物免疫之間的關(guān)系也成為研究熱點，組織生長速度與免疫密切相關(guān)。選擇何時收割或放牧，對于隨之而來的牧草再生也很重要；借助分子標記進行選擇大有空間，基于（貯藏蛋白）候選基因表達的最佳時間收獲，將來有可能進行PCR（多聚酶鏈式反應(yīng)）檢測，這種檢測還可用來決定施肥時間。

牧草已廣泛應(yīng)用混種方式，豆科牧草與根瘤菌共生，通過固氮而增加土壤氮，其生物固氮量為32～115千克/公頃（2.13～7.67千克/畝），因此可減少后續(xù)牧草種植的施肥氮量23～31千克/公頃（1.53～2.07千克/畝）。許多間作方式都經(jīng)過了試驗，包括各種氣候和土壤質(zhì)地參數(shù)的建模。氮從豆類向（草地）作物的轉(zhuǎn)移也摸索出經(jīng)驗。然而，這種相互作用如何通過土壤剖面影響氮的遷移和淋溶，還不得而知?；旆N在抵抗疾病和極端氣候方面也有優(yōu)勢，因為植物對這些脅迫的敏感性因品種不同而不同。牧草育種的重點是單作選擇方式，并有更好的混種選擇空間，可納入新品種試驗。

改善牧草的營養(yǎng)品質(zhì)并不是育種計劃的惟一目標，還包括產(chǎn)量和氣候耐受性，未來的牧草必須耐受氣候變化與惡劣氣候。與許多單作時產(chǎn)量最高的作物不同，牧草的優(yōu)勢在于它們混種也容易生長，并且不會降低生產(chǎn)力。這種趨勢已在多項試驗以及增加生物多樣性的情況下得到體現(xiàn)。隨著消費者越來越意識到食品生產(chǎn)對環(huán)境的影響，促進生物多樣性，同時保持生產(chǎn)力，不僅意味著降低管理成本，而且有助于農(nóng)耕文化的認同。

七、微量元素

生物強化谷物是植物研究的重點，但也有改善牧草營養(yǎng)質(zhì)量的潛力。世界上最貧困的地區(qū)，家畜生產(chǎn)的經(jīng)濟重要性提供了生物強化牧草的機會，直接改善家畜健康、間接改善畜主及家人健康。為糧食生物強化而開發(fā)的知識庫（例如候選植物金屬轉(zhuǎn)運體）尚未應(yīng)用于牧草，例如，鐵鋅儲存的轉(zhuǎn)運蛋白已經(jīng)在谷物中識別，它們在牧草中的等同物尚未確定。盡管在大多數(shù)土壤中，硅是禾本科植物特別需要的，但很可能對許多牧草的最佳生長也重要。硅對細胞壁結(jié)構(gòu)重要，因此對病原體和害蟲的抵抗性也重要，但可能會對可消化性產(chǎn)生負面影響。

大多數(shù)牧草都能形成菌根組合，這種共生關(guān)系對微量元素的獲取具有重要意義。對于自然放牧，這些共生關(guān)系特別重要，但施肥時，菌根會受到抑制。通過給牧草接種菌根真菌來提高這種共生性，有可能改善牧草的礦物元素組成。真菌共生可增加土壤養(yǎng)分和水的開采面積，在干旱等惡劣氣候下可能是至關(guān)重要的。此外，一個平衡和優(yōu)化的根際微生物群對于優(yōu)化根系功能是必不可少的。

八、環(huán)境足跡

與所有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一樣，牧草生產(chǎn)也是要提高水和養(yǎng)分的利用效率。玉米無論作為牧草還是作為糧食谷物種植，一般肥料需要量都相同。牧草、豆科作物和根莖作物對氮的需求差異很大，例如，芒草對氮的需求量較低。利用轉(zhuǎn)運體標記基因作為田間作物狀況的指標來改善氮素利用效率，可最大限度地減少過量氮肥的浪費和對環(huán)境的破壞。開發(fā)基因標記可指示每種牧草的氮素狀況。

混合植物群落往往有較好的氮素利用效率，可能是因為每種植物都有不同的攝氮時間模式，導(dǎo)致生長速度和根系結(jié)構(gòu)不同。在較富裕的國家，化肥價格雖然較低，并不提倡給牧草施用更多的化肥。如果制定法規(guī)，不準過量施用化肥，就可能促進肥料使用效率的提高。對于水的獲取，苜蓿的長根可穿透深層，吸收水分和營養(yǎng)。牧草品種的選擇取決于土壤類型、氣候和耕作方式。

總而言之，文章從品種選育、增強營養(yǎng)的候選基因、蛋白質(zhì)含量和氮素利用效率、根際微生物群、可消化性、生物量產(chǎn)量、微量元素和環(huán)境足跡等8個方面，并涉及巴西學(xué)者費利佩·克萊因·里切涅夫斯基引用的世界范圍內(nèi)的多個文獻，歸納了牧草的研究進展，展示了未來靶向。