饲用燕麦育种研究进展与展望

叶雪玲，甘圳，万燕，向达兵，邬晓勇，吴琪，刘长英，范昱，邹亮

（成都大学食品与生物工程学院，农业农村部杂粮加工重点实验室，四川省杂粮产业化工程技术研究中心，四川 成都 610106）

燕麦（Avena sativa）是禾本科（Gramineae）燕麦属（Avena）一年生草本植物，不仅是重要的杂粮作物，还是优质的饲用植物。燕麦具有耐瘠薄、耐盐碱、耐干旱、耐严寒等耐极端环境的突出特点，适应性广，可大范围推广种植。随着我国畜牧业快速发展的强劲需求，燕麦已发展成为重要的饲用作物。根据世界粮农组织统计数据记录与分析，截至2021年，我国燕麦种植面积约77万hm2，籽粒产量达62.5万t，其中全国燕麦商品草种植面积超过17万hm2，生产燕麦干草130多万t。饲用燕麦具有产量高、营养价值高、适口性好、消化率高、适于青贮和调制干草等诸多优点，最为重要的是种植饲用燕麦可以解决冬春草场牧草供应不足的重大问题，是保护草地资源，促进草地畜牧业和生态环境可持续发展的关键。同时，发展饲用燕麦也可以实现燕麦干草的自给自足，减少进口的依赖性。因此，在产业需求、饲料安全和国家政策的支持和引导下，饲用燕麦的种植面积不断扩大，对新品种的需求也日益迫切，对饲用燕麦的育种工作也提出新的挑战。

纵观我国燕麦的育种历史，从20世纪50年代至今经历了农家种筛选、系统选育、品种间杂交、远缘杂交4个主要阶段［1］。目前培育出经全国草品种审定委员会审定登记的饲用燕麦品种15个（截至2021年），主要在青藏高原、内蒙古、新疆和甘肃等地区种植［2-5］。而国外的燕麦育种工作已有上百年的历史［6］。由于我国饲用燕麦产业起步较晚，基础薄弱，导致饲用燕麦的育种和科研工作发展缓慢，缺乏育种新技术、新品种。因此，本研究旨在综述饲用燕麦的育种进程，从种质资源、育种目标、育种技术和育种成果等方面进行梳理总结，结合现代饲用燕麦产业需求，分析饲用燕麦育种的重点、难点和热点问题，以期为我国饲用燕麦育种的现代化发展提供指导。

1 饲用燕麦种质资源研究现状

1.1 种质资源的收集

目前，全世界已知的燕麦属物种有30个，广泛种植的燕麦为普通栽培燕麦，主要分布于欧洲、北美洲和亚洲北纬40°以北的温带地区［5］。包括俄罗斯、加拿大、中国、美国、巴西、乌克兰、波兰、芬兰、德国、西班牙、瑞典和英国等。此外，大洋洲和南美洲等地区也有栽培燕麦的种植，比如澳大利亚、新西兰和阿根廷等［7］。根据燕麦籽粒是否有麸皮包裹可分为皮燕麦和裸燕麦。国外大多数种植带麸皮的皮燕麦，主要用于饲养家畜家禽；而我国是裸燕麦的起源地，一直以栽培裸燕麦为主，在北方地区又称莜麦，主要种植于东北、华北、西北和西南等高寒地区。其中裸燕麦种植量占燕麦种植总量的90%［8-9］，收获的籽粒主要用于食用，茎叶部分用于饲喂牲畜。随着我国畜牧业的大力发展，对牧草的需求量也日益增大。饲用燕麦由于其优异的抗逆性和营养品质成为优势牧草，得到了大力推广。根据中国奶业协会、中商产业研究院数据整理统计分析，从2015（15.15万t）到2020年（33.5万t）间，我国的燕麦干草进口总量总体呈上升趋势（图1）。为了满足我国畜牧业的饲喂需求，降低燕麦干草进口的依赖性，保障我国的饲料安全，国家也陆续出台了“草牧业”“粮改饲”“引草入田”等政策，饲用燕麦得到了大面积推广种植。在2021年，我国燕麦干草进口量急剧下降至21.22万t（图1）。同时，饲用燕麦的大力推广，也是对天然牧场生态环境可持续发展的保护。但由于我国饲用燕麦产业及科研育种起步较晚，高产优质品种稀缺，因此要加快饲用燕麦育种工作的推进。

图1 2015-2021年中国燕麦干草进口情况统计Fig.1 Statistics on the oat hay imports in China from 2015 to 2021

育种工作的第一步就是种质资源的收集。种质资源是作物育种的物质基础；是农业的“芯片”；是农业原始创新的根本；更是保护作物多样性，确保作物可持续发展，保障国家粮食安全的战略性资源物资。目前，全世界共有燕麦属种质资源13万余份，其中有一半以上种质资源为育成品种［10］。对我国而言，首先应该摸清家底，对燕麦种质资源进行收集和保护。我国燕麦种质资源收集开始于20世纪50年代，以北“冀晋蒙”3省为首开展了燕麦农家品种的收集保存工作［1，11］，截至目前，我国国家种质资源库拥有燕麦种质资源5282份，涵盖29个种，保有数量居世界第五位［5］。其中，有2099份种质资源均从国外引进，来源于28个国家，涉及29个种。这些引进种质资源主要来自加拿大（1041）、丹麦（502）、匈牙利（52）、前苏联和俄罗斯（84）、美国（64）和澳大利亚（24）等［3］；原产于我国的种质资源3183份，大多数为食用裸燕麦，而饲用燕麦占比较少。饲用燕麦中大多数来自青海、内蒙古、新疆和甘肃等高寒牧区。青海省的牧草品种资源研究开始于20世纪60年代，到2006年，青海省共收集到饲用燕麦种质资源759份，提交给国家中期种质资源库530余份［12］。从20世纪60年代起，内蒙古农业科学院燕麦育种团队通过不同途径引进了包括皮燕麦和裸燕麦在内的各类燕麦种质资源300余份［2］。2004年，白银市农业科学研究所从美国农业部种质资源中心引进了179份燕麦品种及2份（paul和stark）优质栽培燕麦品种［13］。同时，国外对燕麦种质资源的收集也非常重视，前苏联对燕麦种质资源的收集可追溯到19世纪，至今已拥有燕麦种质资源3万份［14］。美国是饲用燕麦的生产大国，根据美国国家植物种质系统（U.S.National Plant Germplasm System）记载，目前拥有包括22个种在内的燕麦属种质资源28621份，经过系统鉴定评价的种质资源约20496份。其中，栽培燕麦种质资源共13540份。截至2014年5月，加拿大植物基因资源库（plant gene resources of Canada，PGRC）共收集燕麦属种质资源27790份［15］。目前，欧洲国家已收集燕麦属种质资源1981份，涵盖7个种，其中栽培燕麦最多，共1881份。这些种质资源主要来自德国（1589份），捷克共和国（81份），意大利（63份），北欧国家（55份），罗马尼亚（81份），斯洛伐克（16份），瑞士（21份），荷兰（75份）等。可以看出，相比于国外燕麦种质资源的收集保存和鉴定评价情况，我国的燕麦种质资源保有量还远远不够，对种质资源的鉴定评价及数据存取共享等工作也需进一步加强。

1.2 燕麦种质资源的鉴定评价

种质资源种类繁多，丰富多样。根据《燕麦种质资源描述规范和数据标准》［16］记录，燕麦种质资源可分为6类，包括野生资源、地方品种、选育品种、品系、遗传材料和其他资源。每一类种质资源都具有其特性，根据其特点不同，选择利用的方式也不同。对种质资源的占有量和研究利用的广度与深度是决定育种工作成败的关键。为了对燕麦种质资源进行高效利用，需要对收集的燕麦种质资源进行系统的鉴定评价，包括对植物学特征、农艺学特点、生物学特性的研究分析。本研究根据鉴定方法的不同，从表型、核型和分子遗传多样性三方面分别进行归纳总结，为饲用燕麦种质资源的选择和创新利用奠定基础。

1.2.1 表型鉴定 表型鉴定是对植物形态学特征的研究，是指在植物生长发育过程中，对其肉眼可见或仪器测量的外部特征的客观的科学评价。表型性状是对分子遗传特点的直观反映，是对植物特性归类的基本判断标准，更是对燕麦育种工作的重要参考。不同种质资源间，其表型性状存在一定差异。根据《燕麦种质资源描述规范和数据标准》［16］规定，表型性状主要包括生长发育过程中的农艺性状、相关产量性状和品质性状等。而在饲用燕麦的综合评价中，更关注品质、产量和抗逆性三方面的性状［4，17］。品质高主要是指蛋白质、粗脂肪、中性洗涤纤维等营养成分含量高，且要茎叶柔软，适口性好。产量指籽粒作为家畜的精饲料和作为青干草的产草量，这就要求饲用燕麦的茎叶比较低，干物质较高。由于饲用燕麦多种植于海拔较高、积温较低的青海、内蒙古、新疆和甘肃等高寒牧区，生态环境较为恶劣。抗寒、耐旱、适应性强、生育期短等是重点关注的特性。目前，不少研究者对燕麦种质资源进行了全面的表型鉴定，涉及株高、分蘖、茎粗等农艺性状，穗粒数、穗粒重、千粒重等产量性状，淀粉含量、蛋白质含量、β-葡聚糖含量等品质性状，抗冠锈病、抗大麦黄矮病毒等抗病性状等，总共超过60多种表型性状［5，10，14，17-29］。加深了人们对燕麦全面科学的认识，更为饲用燕麦的综合评价及育种筛选工作提供了充分的参考。

1.2.2 核型鉴定 植物染色体的核型反映其染色体水平的整体特征，主要包括染色体结构、染色体形态和染色体功能间的相互关系。核型鉴定是植物细胞遗传学研究的一种重要方法，在物种分类、起源进化、物种间亲缘关系和远缘杂交鉴定方面发挥了重要作用。燕麦属为一年生禾本科植物，通常可分为二倍体、四倍体和六倍体三大类。目前，在已知的30个燕麦属中，有二倍体物种15个，四倍体物种9个，六倍体物种6个［16］。通常栽培的饲用燕麦为六倍体普通燕麦，种质资源丰富多样。同时，二倍体和四倍体燕麦属物种中具有非常多优异的抗病虫害及抗逆性特征，是育成饲用燕麦的优质基因资源［3］。

利用C-分带技术和原位杂交（in situ hybridization，ISH）技术可以直观地鉴定不同倍性、不同染色体结构的燕麦属材料，以便对不同染色体属性的燕麦种质资源进行分类［3，30-32］，极大地规范并丰富了燕麦种质资源库。同时，将核型鉴定与不同分子技术相结合，明确不同染色体属性的燕麦间的进化关系和亲缘关系［32-39］。例如，Shelukhina等［33］使用C-分带技术和原位杂交技术对3个四倍体燕麦属物种（四倍体祖先种、大燕麦和墨菲燕麦）进行核型鉴定，发现虽然3个物种均由同一个四倍体祖先进化而来，但四倍体祖先种和大燕麦具有更近的亲缘关系，而墨菲燕麦的进化相对于其他两个物种是独立进行的。Badaeva等［35］利用C-分带技术、原位杂交技术和RAPD分子标记对4个四倍体燕麦物种（埃塞俄比亚燕麦，瓦维洛夫燕麦，细燕麦和阿加迪尔燕麦）与5个不同A基因组类型的二倍体物种（威氏燕麦As，长颖燕麦Al，加拿大燕麦Ac，大马士革燕麦Ad，葡萄牙燕麦Ap）进行鉴定比较，研究结果表明，以上4种四倍体燕麦属的AB基因组均相同，且埃塞俄比亚燕麦、瓦维洛夫燕麦和细燕麦间亲缘关系更近；具有As基因组的二倍体威氏燕麦是A基因组祖先的可能性最高。Jiang等［32］利用燕麦基因组序列信息，设计了应用于荧光原位杂交的新的寡核苷酸探针，对二倍体短燕麦、威氏燕麦、偏凸燕麦和六倍体普通野燕麦、大粒裸燕麦和普通栽培燕麦进行鉴定，建立了能识别普通栽培燕麦的高分辨率标准核型，能精确确定其某些染色体易位的断裂点。这种新的通用染色体识别系统将成为通过比较细胞遗传学和基因组方法描述燕麦物种之间遗传多样性、染色体重排和进化关系的有力工具。此外，核型鉴定还可用于远缘杂交后代的分析，筛选和研究引入的优异基因资源［40-47］，为优质饲草燕麦品种的选育提供育种原材料。

1.2.3 分子遗传多样性鉴定 分子标记可检测生物体DNA水平上的遗传多样性，是检测种质资源遗传多样性的有效工具。具有稳定性好，不受外界环境等因素影响的特点，同时具有标记数量多，多态性丰富，检测方法迅速、简单、重复性好等优点。利用分子标记对种质资源进行深入鉴定和评价，可为拓宽遗传背景，实现种质资源高效利用提供参考。目前，分子标记已在燕麦种质资源遗传多样性检测方面得到广泛使用。Fu等［48］利用5对AFLP标记对来自全球79个国家的670份栽培燕麦的核心种质进行遗传多样性分析，结果表明燕麦的遗传变异具有一定的国家和地理区域特点，其中，来自俄罗斯和美国的燕麦种质资源多样性最为丰富，而来自地中海的种质资源最为独特，不同类型燕麦间遗传多样性有一定差异，地方品种与非地方品种具有相似的AFLP变异模式，以上研究对于了解栽培燕麦的驯化具有重要意义，可用于划分燕麦种质的种内多样性，开发燕麦集合的特定核心亚群，探索燕麦改良基因的新来源。Tinker等［49］利用1295个非冗余的DArT标记对来自世界各地的182个栽培燕麦进行遗传多样性分析，结果表明燕麦多样性的主要集群与冬春性有关，并且与当地的主要育种项目有关。He等［50］利用61个SSR、201个AFLP和1056个DArT标记对94份来源于北欧国家和德国的燕麦种质资源进行遗传多样性分析，结果显示从地方品种过渡到育成的早期栽培品种，遗传多样性显著降低，而现代育成品种的多样性并无显著降低，该结果为利用北欧种质库燕麦种质资源提高育成品种遗传多样性提供了参考。此外，还有不少研究者利用不同类型的分子标记对各种燕麦种质资源进行遗传多样性鉴定［10，14，19，21，24，28，51-53］，揭示了不同倍性、不同种间、不同种类、不同基因型的燕麦种质资源的分子差异和遗传多样性特点，有助于在科研和育种中对燕麦种质资源的高效选择和利用，也有利于稀缺优质种质资源的鉴定和保护。

2 饲用燕麦育种研究进程

燕麦作为重要的禾本科作物，距今已有3000多年的栽培历史［6］。经过长久的栽培驯化，普通栽培燕麦遗传背景趋于狭窄，多样性降低，抗病虫害能力退化，产量难以突破。而世界人口又不断增多，人们生活水平也不断提高。目前的燕麦生产已经不能满足人们对饲喂、果腹和营养方面的迫切需求。为了提高燕麦品种的质量与数量，国内外的育种工作者在燕麦育种工作中都做出了不懈的努力。

2.1 国内燕麦育种进程

我国以栽培裸燕麦为主，主要用于食用，少部分用于饲喂牲畜。在畜牧业不断发展的今天，对饲用燕麦的需求日益迫切。而我国燕麦的科研与育种工作起步较晚，从20世纪50年代起，我国开启了科学系统的燕麦育种工作，前后经历了农家种筛选、系统选育、品种间杂交和远缘杂交4个主要阶段［1］。在国家的大力支持和科研工作者的不断努力下，我国的燕麦育种工作也取得了不菲的成绩。

2.1.1 农家种筛选 20世纪50年代初，我国开始系统地进行燕麦种质资源收集工作，为育种工作奠定了物质基础。育种工作者从收集的众多燕麦种质资源中筛选出产量高、品质好的燕麦品种进行大面积推广，这些品种中以农家品种为主。对优质农家品种的筛选推广，是燕麦育种工作开展初期的主要育种方法，使燕麦产量得到了一定的提高。当时育成的典型代表品种有：五寨三分三、李家场、北山老燕麦、老燕麦、玉麦、小莜麦等［1，54］。

2.1.2 系统选育 20世纪60年代初，由于我国燕麦种质资源研究起步晚，种质资源收集有限，可利用的优质燕麦种质资源较少，且育种技术尚不成熟，于是较多地引进国外品种，再通过系统选育形成燕麦新品种进行推广。20世纪60年代以前以种植地方品种为主，而60年代以后以种植国外引进品种为主。中国农业科学院作物科学研究所等单位从前苏联、加拿大、欧美等国家引进了一批燕麦品种，经过近10年的筛选鉴定和全国区域性试验示范，在20世纪70年代前后推广了华北1号、维尔1998（华北2号）、永75、永492（小465）、坝选1号、坝选3号（赫波1号）、大铃早、李家场、青引1号和2号、魁北克、甜燕2号、KONA和Haywire等一批抗倒伏性强、单产高的优良品种以及饲用燕麦品种丹麦444、苏联燕麦、青永久001、青永久473、LENA和YTY等［1，55-57］。

2.1.3 杂交育种 20世纪60年代初期，我国科研人员已经意识到在育种工作中仅利用地方品种和引进品种的局限性，于是开始进行燕麦杂交育种工作的尝试。通过对燕麦开花习性的长时间观察和规律摸索，我国育种工作者成功掌握了燕麦品种间的杂交技术和杂交育种方法。直到70年代末80年代初，通过杂交育种方法先后培育了燕麦新品种雁红10号、晋燕4号（雁红11号）、晋燕3号、早熟1号、青燕1号等［1，58］，育种成果显著。

2.1.4 远缘杂交育种 为了拓宽燕麦遗传背景，突破育种瓶颈，在20世纪70年代初，我国又开始了皮裸燕麦间、不同倍性间的燕麦远缘杂交工作。由于远缘杂交物种间的杂交不亲和、分离世代长和稳定性差等系列问题，导致外缘优异基因使用困难。经过无数科研工作者的长期努力，目前通过多次授粉、多次回交、幼胚拯救、染色体加倍、花粉管导入等各种技术手段成功育成了一系列抗旱、抗倒伏、抗病、高产、高蛋白的优异新品种［2，11，59-60］。例如：晋燕5～9号、20-1、花早2号、花中21号、花晚6号、坝莜1号、坝莜9号、远杂一号、定燕2号、蒙饲燕1号、蒙饲5号等［1，60-61］，得到了广泛的认可。

目前，我国饲用燕麦育种工作取得了一定成果。在2002-2021年间，经全国草品种审定委员会审定登记的饲用燕麦品种15个，其中育成品种3个、引进品种11个、地方品种1个。饲用燕麦是青海、甘肃、内蒙古、新疆等地区家畜的主要饲料，因此，青藏高原、内蒙古和新疆地区是我国饲用燕麦的主要种植地区，饲用燕麦的育种也主要集中在以上地区。我国在饲用燕麦育种上已经取得一定进展，提高了饲用燕麦的育种水平，并加强了生理、生化和遗传基础理论的研究，但与发达国家相比，我国饲草燕麦的总体育种水平还比较低，特别是在育成品种的质量、育种手段、育种理论与技术应用等方面具有较大的差距。

2.2 国外燕麦育种现状

俄罗斯、加拿大、美国等燕麦生产大国的常规杂交育种和品种引种工作已经持续了上百年［6］。早在1788年，第一个有记录［62］的燕麦育种选择工作发生于英国北部的土豆（Solanum tuberosum）种植地。第一例燕麦杂交工作报道于1873年［63］，而直到1930年［62，64］，燕麦杂交育种工作才真正被大家广为知晓。在欧洲国家，杂交技术在燕麦育种工作中的利用早于美国（1925年）［62］。同时，国外以种植皮燕麦为主，主要用于饲喂牲畜，饲用燕麦育种发展早于也优于我国。

国外燕麦的育种工作大概经历了引种、选育和杂交3个主要阶段［64］。早在18世纪末期，美国先后引进了许多著名的适应性良好的燕麦品种，比如Red Rustproof、White Russian、Silvermine和Kherson等［65］。由于引种材料中存在部分混杂，燕麦育种工作者便利用“纯系选择”或“单株选择”的方法从混合材料中分离出产量最高和适应性最好的基因型。其中代表品种有Burt、Fulghum和Albion等［65］。直到1930年，杂交手段成为了现代育种家的主要育种技术［64］，育成了一大批高产、抗病、矮秆、高蛋白的燕麦新品种［9，17，62，64，66-69］。根据欧盟国家植物品种数据库记录，目前登记在库的普通栽培燕麦品种约384份，其中法国44份、德国38份、波兰33份、意大利23份、西班牙21份、奥地利19份等。根据美国种质资源信息网的记载，目前在该资源库经过认证的燕麦品种有138个。加拿大政府官网登记的燕麦品种255份。苏格兰燕麦品种库登记品种约196份。可以看出，国外燕麦育成品种丰富多样，品种数据库建立完善，值得学习借鉴。

3 饲用燕麦分子育种研究进展

在我国燕麦育种工作人员的不断努力下，饲用燕麦常规育种取得了重大成就，育成蒙燕1号、草莜1号、白燕7号、坝燕1号和4号、青燕1号、陇燕1至3号、草莜1号等突出品种［4］。但由于常规育种时间周期较长，投入的人力物力成本较高，在如今饲用燕麦需求迫切的情况下，必须提高育种技术，加快育种进程。特别是六倍体栽培燕麦及其最可能的祖先种高质量参考基因组序列的陆续公布［70-71］，进一步推动现代分子技术在燕麦遗传育种工作中的应用与发展，促进分子标记在饲用燕麦中的研究利用，加快燕麦基因的深入挖掘，为分子标记辅助选择（marker-assisted selection，MAS）在燕麦育种中的利用奠定基础。鉴定到与目标基因紧密连锁或共分离的分子标记是MAS在燕麦育种中的关键。目前，与目标基因紧密连锁或共分离的分子标记的获得主要通过基因连锁定位和全基因组关联分析两种方法。

3.1 基因连锁定位

基因连锁定位是指利用功能基因与分子标记之间的连锁与重组，通过计算分子标记与功能基因之间的交换率来确定功能基因在染色体上的具体位置。作物中，许多重要的性状都是数量性状，例如株高、分蘖、叶长、叶宽等农艺性状，籽粒数、千粒重、籽粒长、籽粒宽等产量性状，这些性状均受数量性状位点（quantitative trait loci，QTL）控制。早在1993年，Penner等［72］就利用RAPD标记UBC269定位到了一个冠锈病抗性基因Pc68，这样的鉴定方法相对简单、准确性较低。到1995年，O’Donoughue等［73］利用561个分子标记构建了第一张六倍体栽培燕麦遗传图谱，打开了燕麦QTL遗传定位研究的大门。2013年，徐微等［74］利用AFLP和SSR标记，构建了首张大粒裸燕麦的遗传连锁图谱。次年，吴斌等［75］利用231对SSR标记，构建了更高密度的大粒裸燕麦的遗传连锁图谱，并定位了4个β-葡聚糖含量连锁QTL。随着分子标记技术的发展和遗传定位方法的提高，针对燕麦各种性状的QTL定位也越来越多（表1），涉及燕麦生长发育的方方面面。从表1中统计的燕麦部分QTL遗传连锁定位研究中可以发现，多数研究均集中在抗病性和以β-葡聚糖含量为主的少数品质相关性状方面，针对饲草燕麦非常重要的口感品质、产草量和抗逆性方面的研究相对较少。因此，科研工作者应聚焦饲草燕麦的重要性状，深入研究，为饲草燕麦育种研究提供优异基因资源。

3.2 全基因组关联分析

全基因组关联分析（genome-wide association studies，GWAS）指利用分子标记对自然群体各性状关联的QTL进行定位，可鉴定优异基因位点及含有优异基因位点的特征材料，为优异种质资源及其优异基因的利用提供分子参考，也为MAS提供有效分子标记。2011年，Newell等［130］首次利用402个DArT标记对全球收集的1205份燕麦种质资源进行全基因组鉴定，分析群体结构和连锁不平衡对GWAS鉴定能力的影响，证明了在燕麦中进行GWAS的可行性，为GWAS在燕麦QTL定位研究中的利用奠定基础。次年，Newell等［108］利用796个DArT标记对431份来自世界各地的燕麦品种的β-葡聚糖含量进行全基因组关联分析，鉴定到3个关联QTL，其中一个与水稻（Oryza sativa）基因家族β-葡聚糖合成酶基因CslF同源。从此打开了GWAS在燕麦QTL定位研究中的大门，至今约有近400个QTL通过GWAS方法被鉴定（表1），主要涉及β-葡聚糖含量和抗病性相关研究，缺乏对饲用燕麦重要性状QTL的关注，因此，对饲草燕麦重点性状QTL定位研究十分重要且迫切。

表1 燕麦基因定位信息统计Table 1 Statistics of gene information in oat

续表Continued Table

3.3 分子标记辅助选择在燕麦育种中的利用

MAS是指借助分子标记达到对目标性状基因型选择的方法，因此MAS建立在获得与目标基因紧密连锁的分子标记的基础上。MAS能为饲用燕麦的育种工作提供便利，能弥补传统育种中选择技术准确率低、时间周期长、人力物力投入大等不足，大大提高育种效率。我国饲用燕麦育种和科研工作起步较晚，还未建立MAS育种体系，目前处于基因紧密连锁分子标记鉴定的基础研究阶段，相比于国外MAS在燕麦育种中的利用较为滞后。Asoro等［131］利用分子标记对燕麦β-葡聚糖浓度进行辅助选择，经过两代的选择能有效提高目标植株的β-葡聚糖浓度，但也伴随着出现抽穗期较晚的特征，体现了紧密连锁分子标记是保障MAS在育种中高效利用的关键。目前，我国在饲用燕麦目标性状紧密连锁分子标记的研究方面还存在一些不足，构建的遗传图谱分子标记密度不高，高通量分子标记技术利用较少，精细定位及基因克隆研究不足且不深入。总体而言，我国MAS育种在燕麦中尚未建立，燕麦基因组及分子遗传研究等只是MAS的分子基础。

4 基因工程在饲用燕麦育种中的应用

基因工程又叫基因拼接技术或DNA重组技术，是指人们按照意愿定向改造生物遗传特性的方法。目前，常用的基因工程技术主要包括转基因技术和基因编辑技术。受限于燕麦基因组研究的发展，基因工程技术在饲用燕麦育种中的利用和研究较少。在转基因过程中，最重要的环节就是遗传转化体系的建立。在基因编辑技术方面，目前成熟的、常用的方法是CRISPR-Cas9系统，但在燕麦中还鲜有报道。

4.1 燕麦遗传转化体系的建立

遗传转化体系的建立是转基因过程中的重要环节，遗传转化的方法是决定遗传转化成败及效率的关键。植物中遗传转化的方法很多，目前最常用的是农杆菌介导法和基因枪法。其中，农杆菌介导法多适用于双子叶植物，基因枪法则使单子叶植物的禾谷类作物遗传转化成功率大大提高，但随着研究的深入和技术的优化，农杆菌也能在单子叶植物中成功转化［132-134］。

早在1983年，全球第一例利用农杆菌介导的转基因植物烟草（Nicotiana tabacum）试验成功。1992年，明尼苏达大学Somers等［135］利用基因枪法处理燕麦胚性愈伤组织，成功转化了第一个可育的转基因燕麦植株，极大地推动了燕麦基因工程的发展。之后，不少研究者通过对燕麦不同组织培养条件、不同外植体和不同品种的遗传转化条件进行探索和改进，建立了一系列燕麦遗传转化体系。Gless等［136］对新生长的幼叶基部片段进行微粒轰击，形成了一种高效可再生的燕麦转化系统。Koev等［137］使用基因枪法处理燕麦幼胚，将BYDV-PAV基因5'端一半的序列转入燕麦，形成了一种遗传稳定的转基因抗性策略，可提高燕麦对大麦黄矮病毒的抗性。Cho等［138］使用微粒轰击成熟种子的高度再生组织，形成了一种高效且可再生的燕麦转化体系。Kaeppler等［139］通过基因枪法将修饰的gfp基因转到燕麦成熟胚胎组织中，成功获得再生且可育的转基因株系。Maqbool等［140］使用连接hva1-bar的质粒pBY520和不连接gus基因的质粒pAct1-D的微粒轰击3种燕麦栽培品种的顶端分生组织的多个芽分化，最后成功转化，形成了高效可再生的体外培养体系，转入的hva1基因能显著提高转基因植株对盐碱和水分胁迫的耐受性。Rout等［141］利用基因枪轰击的方法处理燕麦顶芽分生组织，开发了一种不受基因型限制的高效再生系统。虽然利用基因枪法对单子叶禾本科植物燕麦进行遗传转化的成功率较高，且具有操作简单、转化时间短、费用较低等优点，但也存在一些问题。Pawlowski等［142］对利用微粒轰击方法形成的23个转基因燕麦品系进行了多代的表达和遗传分析，发现不同世代均出现了无规律的转基因沉默现象。Choi等［143］同样利用微粒轰击方法对成熟种子的高度再生组织进行转化，在转化过程中施加一些包括渗透处理、微粒轰击和抗生素选择等胁迫，可能导致转基因植株的染色体发生变异。Svitashev等［144］使用基因枪法对16个燕麦株系进行转化，检测结果表明在转化过程中，高速的粒子轰击可能导致和引起染色体的断裂和重排。Cho等［145］对燕麦种子发芽后的茎尖分生组织进行粒子轰击，形成了23个可再生转基因株系，但转基因植株中存在部分基因沉默或转基因物质丢失现象。以上研究表明，基因枪法在燕麦转基因中得到了广泛使用，但由于其自身的技术缺陷，会引发染色体结构异常、基因沉默、DNA损伤、目标基因拷贝数变化、遗传稳定性差等问题［9，17，142-145］。

最初，大家广泛认为农杆菌的宿主主要是双子叶植物和部分裸子植物，农杆菌介导的转化方法在单子叶植物中应用难以成功。但随着对农杆菌侵染机理的深入研究，农杆菌介导的转化方法可以成功应用于单子叶植物，例如小麦（Triticum aestivum）、水稻、玉米（Zea mays）等主要农作物［132-134］。2008年，Gasparis等［146］首次在3个燕麦品种中采用农杆菌介导的方法转化成功，并发现不同组织及不同品种在转化能力和转基因表达方面有所不同。Oraby等［147］通过农杆菌介导的方法将CBF3基因成功转入燕麦，盐胁迫下该转基因植株的生理生化性状和产量均保持良好，进一步证实CBF3是增强燕麦耐盐性的关键调控基因。相比于基因枪法，农杆菌介导的遗传转化相对稳定，重复性好，基因沉默现象少，表达效果更好［9，146-147］。

国外研究者在燕麦遗传转化体系建立上获得了初步成功，而我国的燕麦遗传转化体系研究紧随其后。1998年，万士梅［148］使用基因枪法成功转化获得含有bar基因的转基因燕麦植株，自交产生了稳定表达的转基因后代。张艺［149］通过对不同组织培养条件、农杆菌液侵染浓度、共培养时间和温度的探索，成功将类产碱假单胞菌的杀虫毒蛋白基因ppIP转入燕麦。王迅婧［150］探索出“白燕10号”稳定高效的组织培养和植株再生体系方法，成功建立了农杆菌介导的燕麦遗传转化体系。张丽君等［151］成功建立了利用农杆菌侵染划伤燕麦种子的转化体系，为获得稳定遗传转基因植株奠定基础。李庆华［152］以坝莜1号为材料，建立了农杆菌侵染创伤胚的转化体系，转化成功率为3.17%。虽然在燕麦中，农杆菌介导的转化体系相对较好，但也存在一些问题。早期人们多数以胚性愈伤材料作为转化受体，虽然再生率较高，但培养时间长达6个月之久，再加上育性不高，遗传稳定性差等问题，严重限制了燕麦的遗传转化效率。因此，今后应该加强燕麦组织培养技术及培养条件的研究，建立高效且稳定的遗传转化体系。

4.2 燕麦转基因技术的应用

在燕麦的基础研究和应用生产方面，转基因技术的成功利用有助于目标基因的功能验证及优异新品种的培育。但是目前，由于其经济属性及政策原因，转基因技术在燕麦中的应用还处于科研环节，无论国内国外，市面上没有推广的燕麦转基因品种。由于燕麦基因组的复杂性及基因研究的局限性，燕麦转基因技术目前仅用于基础研究。自1992年第一个转基因燕麦诞生后［135］，转基因技术曾多次用于燕麦基因功能的验证［140，147，153］，将转基因技术成功应用于燕麦育种是今后研究的迫切目标。因此，应该夯实燕麦基因组研究基础，加强转基因技术在生产应用方面的研究，利用转基因技术将饲用燕麦中具有重要生产应用价值的目标基因成功转入燕麦，创造理想的饲用燕麦品种，推动饲用燕麦育种又好又快发展。

4.3 燕麦基因编辑技术

目前，常用的基因编辑技术是CRISPR-Cas9系统，又称为第三代基因编辑技术。在模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）及主要粮食作物基因功能研究和性状改良方面利用较多，但在燕麦中的利用鲜有报道。我国的武志娟［154］首次利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对燕麦“拿捕净”除草剂作用靶蛋白乙酰辅酶A羧化酶基因（ACCase）进行编辑，成功获得两株Cas9编辑所产生的突变植株，为基因编辑技术在燕麦分子育种中的应用提供了实验依据。次年，于东洋等［155］利用CRISPR/Cas9技术成功敲除燕麦乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）基因，但没有完成靶向敲除，该试验可为后续燕麦基因组编辑工作提供参考。由于目前对燕麦基因组研究有限，CRISPR技术应用较少，今后应该加快燕麦基因组的深入研究，推动CRISPR技术在燕麦中的利用，通过基因定向编辑实现燕麦性状的高效快速改良。

5 结语

虽然我国的燕麦育种工作已取得了不少成果，但育成的饲用燕麦品种较少，其中专用型饲用燕麦品种更少。面对国内饲用燕麦产业的强劲需求及国外燕麦新品种及新技术的发展，我国燕麦育种研究工作还远远不够。因此，还需要从多方面加强：1）饲用燕麦种质资源的大力收集与深入挖掘，建立专业的种质资源数据库。虽然我国已有燕麦种质资源5282份，但饲用专用型燕麦品种资源很少。同时，相比于美国、澳大利亚、加拿大等燕麦出口大国，我国种质资源的收集研究工作更显劣势。除了野外采集外，应加强国际合作，进行种质资源引进与育种技术交流。特别应加强与种质资源丰富且多样性高的友好国家的交流学习。此外，还要建立专业的种质资源数据库，将种质资源的资料数据全面数字化，方便国内各地间的使用查询，实现种质资源现代化管理和可持续发展。让燕麦种质资源数据得以长期保存且大范围利用，实现种质资源的互利共享，全国科研机构共同努力促进饲用燕麦种质资源在育种中的高效利用，以期快速高效地培育出优质高产的饲用型燕麦新品种。2）加强地域性饲用专用型燕麦品种的培育。目前，我国专用型饲用燕麦品种资源紧缺，应加快该类品种的育种进程。同时，品种应具有适应性特点，品种培育具有地域性特征。根据不同地区不同需求，培育相应的专用型饲用燕麦品种。例如我国的饲用燕麦需求大多在高寒牧区，冬季天气严寒，牧草短缺，且过度放牧导致生态失衡，培育适应性好且抗寒的饲用型专用燕麦品种，不仅能满足饲草产业的需求，还能促进高寒牧区生态资源的可持续发展。此外，随着全球淡水资源的短缺，我国部分燕麦种植地区干旱情况日益突出，比如西北的宁夏与甘肃等地，在2021年出现了60年不遇的大旱，导致包括燕麦、青贮玉米在内的大部分饲喂牧草及庄稼绝收。因此对于这些地方，培育耐旱的饲用燕麦新品种是非常迫切的。3）提升饲用燕麦育种技术。常规育种工作耗时耗力，效率较低，在饲用燕麦品种急缺的情况下，急需建立高效的育种方法，特别是在六倍体栽培裸燕麦的高质量参考基因组序列公布的契机下，应加快分子标记辅助选择、转基因技术和基因编辑技术在饲用燕麦育种中的利用。4）加强分子遗传基础研究。分子遗传研究是分子技术在饲用燕麦育种中利用的基础。例如饲草燕麦优异基因的遗传定位、图位克隆、作用机理研究和基因利用。以上研究也进一步为MAS、转基因和基因编辑技术奠定基础。5）加强国际交流合作。目前，无论是燕麦种质资源、育成饲用燕麦品种及育种技术方面，部分燕麦主产国的发展都优于我国，这是当前需要正视且重视的问题。加强国际的种质资源与技术交流合作，是促进我国饲用燕麦育种发展的高效方法。正如1988年在小麦中开展的国际合作—穿梭育种项目，大大促进了我国小麦育种进程［156］，这正是燕麦育种可以借鉴的成功案例。随着分子生物技术的快速发展及高质量燕麦参考基因组的释放，今后应该夯实种质资源收集鉴定与创新研究基础，加快饲用燕麦的分子遗传研究，为分子技术在燕麦育种中的利用奠定基础，促进饲用燕麦育种的快速高效发展。