乡土草抗逆生物学

第1章 绪论南志标 1.1 引言 乡土草（native plant）是指自然生长于当地的植物，主要指草本植物，但也包括小半灌木和灌木等。这里的“自然生长”，使其有别于栽培植物；这里的“当地植物”，使其有别于引进植物。乡土草按用途分，既包括具有饲用、药用、水土保持、能源和观赏价值的植物，也包括危害家畜的毒害杂草。在社会经济高度发达的今天，广袤的草原可能是乡土草*重要的栖息地。乡土草在保障食物安全、生态安全和生物多样性保护方面具有重要的作用。 1.1.1 保障食物安全 近年来，在全球变化和人与资源矛盾不断增加的双重压力下，提高有限土地资源的生产率、保障食物安全是各国致力的目标之一。据估计，全球尚有10%左右的人口处于饥饿状态（Huws et al.，2018）。联合国粮食及农业组织预测，包括作物和动物生产在内的农业生产，需比2005年增加60%，方可满足2050年全球日益增长的食物需求。对畜产品的需求，远大于对谷物的需求，肉和牛奶的产量必须分别增加76%和63%。草地作为全球的重要资源，在保障食物安全方面发挥着举足轻重的作用，为全球家畜提供了50%的饲草，包括牧草在内的作物-家畜生产系统提供了全球60%的畜产品。 我国以占世界6%的淡水资源、9%的耕地、12.5%的草地，供养了全世界近20%的人口，取得了举世瞩目的成就，为全球的食物安全做出了重要贡献（中华人民共和国国务院新闻办公室，2019）。占国土面积41.7%的草地，提供了全国45%的牛羊肉和49%的牛奶（旭日干等，2017）。到2035年，我国对畜产品的需求将大幅增加，对谷物的需求将主要是饲料粮的增加，而大米、小麦等食物消费将逐步下降，我国的食物安全主要是保障牧草与饲料的供给（南志标，2017）。 草原退化是人类面临的共同挑战，据不同的作者报道，全球不同区域退化草原面积为20%～73%（Kozub et al.，2018）。我国不同程度退化的草原面积曾达到90%，近年来，随着国家一系列重大战略的实施，草原退化的态势初步得到遏制，但生态脆弱的本底状况没有改变。 改良退化草地、提高生产力、大力发展草地畜牧业，将是解决我国和全球食物安全问题的主要战略途径之一。牧草是连接种植业与畜牧业两大食物生产系统的纽带。利用丰富的乡土草资源，培育抗逆、优质、高产的牧草新品种，提高饲料转化效率，是增加畜产品产量的关键因素之一（Herrero et al.，2013）。2011年9月在英国专门召开了第8届国际草食动物营养学研讨会，研究认为需要极大地加强多学科的联合，尤其需要明确草类新品种与家畜生产力或环境效应之间的关系（朱伟云，未发表资料）。 1.1.2 保障生态安全 20世纪80年代以来，人类对草地功能的认识逐渐发生了改变，草地不仅承担着保障食物安全、改善人类营养等传统功能，而且具有生物支持、气候调节、文化与旅游的功能，多功能的草地与经济社会的发展息息相关（Yahdjian et al.，2015）。这种对草地资源的再认识，反映了人与草地相互依赖、协同发展的全新关系，也为乡土草的研究开拓了更为广阔的空间。 全球生态系统退化主要是草原退化、耕地质量变差、水资源短缺及环境面源污染严重，其中尤以旱区问题*为严重。旱区占全球土地总面积的41%，支撑着全球38%的人口。目前，这一区域10%～20%的土地已经发生严重退化，影响着2.5亿人口的生活（Kozub et al.，2018）。大量使用农药、化肥导致环境污染。由于水资源短缺，到2025年，全球将有2/3的人口面临缺水的问题，有20亿人口将严重缺水（Graedel and Allenby，2009）。我国粮食单产的增加，很大程度依靠水、肥等资源的过量使用，全国氮肥用量占全球的32%，水资源不断减少，低产田占全国耕地面积的40%左右（喻朝庆，2019）。修复退化的生态系统，满足人类对美好环境的需求，是全球面临的另一重大任务。调整种植业结构，大量种植水资源利用率高、适应性广的草类作物，修复退化土地，节约有限的水资源，是我国重要的战略措施之一。 我国始终高度关注西部地区的发展。早在20世纪80年代，国家便提出“种草种树、发展畜牧、改造山河、治穷致富”的发展方针。自2000年以来，先后实施了西部大开发、天然草原保护、退牧还草等一系列工程，取得了显著成效。但迄今西部生态环境恶化的状况尚未从根本上得到改变。缺乏适宜西部严酷自然条件、可用于退化草原和农田改良的草类植物品种是不可忽略的原因之一。因此，充分挖掘我国乡土植物种质资源、研究其遗传与抗逆机理、驯化选育新品种，可为西部退化系统的修复与重建提供重要的物质基础和科技支撑。 1.1.3 生物多样性保护 生物多样性是大自然给人类的宝贵财富，其与人类的健康、生态系统可持续发展息息相关。近年来，生物多样性丧失严重，据估计，我国的生物物种平均以每年1个物种的速度处于濒危状况或者消失。这一方面是因为大面积开垦草原，造成了物种的丧失。李建东和方精云（2017）估计，松嫩草原吉林省部分的面积已经从1950年的250万 hm2减少到2000年的97万 hm2，减少了61.2%；幸存的草地，由于不合理的利用，草地退化，植被组分变差，产草量大幅下降，从1500kg/hm2下降到500kg/hm2，降幅达66.7%。另一方面是因为农业生产趋向同质化，少数高产饲草和农作物品种逐渐取代了丰富多样的传统品种，具有优异特性的地方品种大幅度减少。《光明日报》（2019年5月22日）报道，我国地方品种和主要作物野生近缘种呈现丧失速度加快的趋势。据初步统计，主要粮食作物地方品种的数目从1956年的11590个减少到2014年的3271个，丧失比例高达71.8%。因此，国际生物多样性中心发起了“被忽视和未被充分利用的作物”的研发项目，旨在推动生物多样性的利用与保护，其对被忽视作物的定义是“那些主要由农民，在其起源中心或多样性中心种植的传统植物，这些作物对当地人的生存非常重要，但通常正式发表和可供大众利用的信息不充分，并被忽略”。 提高作物和牧草生产的关键是拥有更为丰富的植物种质资源，并了解重要种质的关键性状、表型组和基因组的分子基础（Silvestri et al.，2012）。保护和利用乡土草种质资源，是保护生物多样性、实现可持续发展的重要举措。无论是为农作物品种改良提供丰富的种质与基因资源，还是加强生物多样性保护，治理退化草地和农田，均需要乡土草发挥重要的作用。 1.2 乡土草研究进展 乡土草在人类经济社会发展的历史长河中，发挥了并将继续发挥不可替代的作用。进入21世纪，研究与利用乡土草的力度不断加大。美国在2000年创办了 Native Plants Journal（《乡土草杂志》），专门用于发表相关的研究成果。在犹他州洛根（Logan）的美国农业部牧草与草原实验站设有草原生态与植物改良研究室，主要任务是鉴别适合修复退化草原的各种乡土草优良特性，开展从基因、种质创新、品种选育到退化草原恢复的系统研究。2001年美国农业部土地资源管理局启动了“乡土草研究计划”，旨在研究乡土草多样性及其对气候变化的响应，鉴别并选育适用于退化土地恢复的乡土草种，研发种子生产技术，促进乡土草的应用。澳大利亚也实施了相应的乡土草研究与利用项目，并建立了乡土草网站（Australian Native Grass Website），展示相关研究成果。 各国对乡土草的研究涵盖了基因、个体、群落和生态系统等多个尺度；涉及领域包括栽培与利用（Peng et al.，2020；Mitchell et al.，2019；Tihou and Nave，2018）、病害防治（Carter and Gordon，2020）、繁殖与种子（Cheplick，2020；Ierna and Mauromicale，2020）、遗传多样性（Condón et al.，2017）、纤维提取（Reddy et al.，2018）和生物质能源（Zhang et al.，2015）等。北美对三虎尾草（Trichloris crinita）（Kozub et al.，2018）和地中海沿岸国家对 Piptatherum miliaceum的研究（Ierna and Mauromicale，2020）反映了乡土草研究的水平和进展。 与发达国家相比，我国在牧草、乡土草生物学领域的研究及新品种选育方面约晚半个世纪（Gepts and Hancock，2006），这主要是因为近两千年来，我国“辟土殖谷曰农”，农业系统中粮食作物独大，对牧草的重要性认识不足。与其他学科相比，草业科学发展时间短，队伍规模小，科研投入明显不足。但众多学者针对生产中有重要价值的乡土草资源，克服各种困难，坚持开展研究，积累了宝贵的资料。对青藏高原地区重要乡土草种老芒麦的研究便是典型的范例（白史且和鄢家俊，2020）。 我国真正对乡土草开展系统研究，应归功于*近十余年间两个973计划项目的支持（南志标等，2016）。据对 Web of Science查证，2004～2018年的15年间，我国学者以乡土草为主要研究对象发表的国际学术期刊论文数量增长了173.5%，而同期除我国以外其他国家发表的文章数量减少了1.2%（图1-1），这些成果缩小了我国与发达国家的差距，并在乡土草抗逆机理及驯化选育方面形成了特色。 图1-1 2004～2018年乡土草研究领域全球发表的 SCI论文数量（数据来源：Web of Science） 国内外对乡土草的研究主要集中在以下6个方面。 1.2.1 乡土草种质资源收集与评定 掌握乡土草种质资源是进一步研究与利用的物质基础。发达国家高度重视并不断开展大规模的种质资源采集与调查，对现有种质进行补充。例如，国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）每年均赴全球各地进行种质资源采集；新西兰草地农业研究所福特牧草种质中心也不断赴海外进行乡土草种的采集。各国在采集与鉴定当中，逐渐形成了各自的特色。美国保存有全世界*多的种质，新西兰以白三叶草及三叶草属其他植物*为丰富，澳大利亚南澳大利亚州种质库保存有南半球*大的苜蓿种质资源，国际热带农业研究中心（CIAT）建有*大的柱花草属（Stylosanthes）种质资源库。这些宝贵的资源为乡土植物的深入研究与利用奠定了坚实的基础。 我国有计划地开展牧草种质资源研究始于20世纪80年代初（蒋尤泉，1996）。1988年开始的全国草原资源普查，基本摸清了乡土草的家底，为以后的工作奠定了基础。自那时以来，此项工作取得了长足进展，我国已建成国家长期种质库，保存植物种2114个、种质资源50万份，仅次于美国，位居世界第二。另外，建成了中期库10座，其中包括牧草种质资源中期库1座。取得了一批成果，出版了《中国饲用植物》（陈默君和贾慎修，2002）和《中国作物及其野生近缘植物》系列专著（董玉琛和刘旭，2006）。2003年启动的国家自然科技资源共享平台项目中，植物种质资源建设工作是我国种质资源性状评定工作的深入与继续。2018年启动的国家科技基础性工作专项项目——中国南方草地牧草资源调查，为进一步了解和掌握南方的乡土草种质资源提供了条件。 1.2.2 驯化选育为栽培牧草 在环境严酷或因特殊需要，采用常规技术与方法培育新品种难以奏效时，驯化乡土草是可行之途。国际干旱地区农业研究中心（ICARDA）培育的低毒山黧豆（Lathyrus quinquenervius）品种，加拿大在不适宜苜蓿生长的地区广为种植的东方山羊豆（Galega orientalis）和新西兰培育的带有香柱菌属（Epichlo.）内生真菌 E. festucae var. lolii无毒型的多年生黑麦草（Lolium perenne）品种，均是从野生资源中发现的。将野生的乡土植物