设计培育兼具高产、抗逆与生物质高效转化利用的能饲作物新品种，并在边际土地实现规模化种植，是满足国家能源转型、粮食安全与生态保护等多重需求的重要策略之一。近日，青岛能源所付春祥研究员带领的能源作物分子育种研究组在能饲作物分子育种领域取得重要进展，系统提出了细胞壁高效降解的分子设计策略，并成功开发了单碱基编辑技术，增强了柳枝稷抵抗ALS类除草剂的能力，为培育高品质抗逆能饲作物新品种提供了理论指导与技术支持。

柳枝稷（Panicum virgatum L.）是禾本科C4多年生高大草本植物，环境适应性强，且富含纤维素和半纤维素等细胞壁多糖，是边际土地生态修复与生物能源/牧草饲料生产的理想原料。然而，其细胞壁中木质素的存在严重制约了纤维素和半纤维素的生物转化效率。

针对这一瓶颈，研究团队提出了从木质素调控到细胞壁自降解的系统改良方案。首先，通过调控木质素单体合成与聚合途径的关键酶基因和调控因子，优化木质素的含量和结构组成，促进柳枝稷等能饲作物的纤维素和半纤维素转化效率；其次，利用非典型木质素单体及其类似物的合成基因进行过量表达，重塑木质素多聚体的结构，增强细胞壁的可降解性；最后，引入外源的木质素或/和细胞壁结合酚酸的解聚酶基因，结合目标基因和蛋白的时空特异表达与定位技术，实现细胞壁降解过程的精准控制，既避免了早期对植株生长发育的影响，又能够在后期的加工过程中实现对细胞壁多糖的高效生物转化（图1）。上述策略的系统使用，有望进一步提高柳枝稷等能饲作物的生物转化效率，并显著降低能饲产品的生产成本。

图1 高细胞壁转化效率的能饲作物分子设计策略

高品质能饲作物新品种的生产潜力发挥，还需要配套田间种植管理技术，才能够充分发挥其在边际土地生态修复与能源化/饲料化利用的潜力。因此，研究团队针对柳枝稷等能饲作物苗期生长缓慢，易受杂草侵害等问题，运用胞嘧啶碱基编辑技术靶向编辑柳枝稷的乙酰乳酸合成酶（ALS）基因，成功创制出对烟嘧磺隆除草剂具有强耐受能力的新种质。实验结果显示，该技术诱导产生P163S、P163F、P163I、P163V等多种突变类型，单碱基编辑效率高达53%。在3倍大田推荐剂量（117 g a.i. ha^-1）的除草剂处理下，该基因编辑株系仍保持正常生长态势，可显著提升田间管理效率与生物量积累潜力（图2）。该技术能够使作物快速获得显性优良性状，尤其适合自交不亲、多倍体和多年生能饲作物的基因编辑育种。

图2 柳枝稷单碱基编辑技术开发与抗除草剂种质新资源创制

先进分子设计理念、精准育种技术与核心种质资源是能饲作物新品种培育的关键。研究组基于分子设计与单碱基编辑技术，创制出兼具高品质、抗除草的柳枝稷新种质，将助力生物能源和牧草饲料高质量可持续生产，促进边际土地资源的高效利用与生态修复。上述研究的合作单位包括国家草业技术创新中心（筹）、西北农林科技大学、北京大学、蒙草生态环境（集团）股份有限公司、内蒙古蒙草种业科技研究院有限公司、海尔生物医疗科技有限公司等。相关成果得到了国家重点研发计划科技型中小企业项目、国家草业技术创新中心（筹）重大创新平台建设专项、青岛能源所“抓攻关”计划等项目的支持。（文/图 刘美凤）

原文链接1：https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2025.122444

原文链接2：https://doi.org/10.1111/pce.70238

SM Zhang, CX Fu and MF Liu*, 2025. Efficient conversion for biofuels: From lignin modification to enzymatic delignification of plant cell wall. Plant, Cell & Environment 49: 550-553.

HX Zhao^#, M Liu^#, YF Sun^#, XP Jiang, YL Liu, SY Zhao, YM Wang, CC Pan, F Yuan, Y Wang, WD Zheng, MF Liu^*, CX Fu^*, 2025. Development of herbicide-resistant switchgrass through precision base editing of acetolactate synthase genes, Industrial Crops and Products 239: 122444.