长在荒地里的芒草是一种高大的野草。尽管平平无奇不被人注意，但这种禾本科植物却是世界上最具开发潜力的木质纤维素原料作物，可以用来生产生物质燃料酒精。近日，山东农业大学农学院教授陈翠霞课题组破译了染色体级别的五节芒参考基因组图谱，解析了芒属植物基因进化历史，揭示了芒草中纤维素或半纤维素含量高的分子机制，为其种质利用和新品种创制提供了理论支撑。相关成果在线发表于《自然—植物》。
“芒属植物是最有潜力的生物能源作物。”五节芒基因组论文的通讯作者陈翠霞告诉《中国科学报》，这类植物含有高比例木质纤维素，生长速度快、生物产量高、易繁殖、抗逆性强，可在荒草地、盐碱地、沼泽滩涂等边际土地上种植生长。不仅如此，它用途广泛，可以固土保水、改良土壤、改善生态环境；作为可再生生物质原料，可转化为热能、电能、液体燃料等；还可用作畜禽饲草。
实际上，中国是芒属植物重要起源地之一。在中国，芒属植物分布广泛，并具有丰富的遗传多样性。陈翠霞说，正是我国丰富的种质资源为他们的研究工作奠定了坚实基础。不过，“芒属植物自交不亲和，基因组庞大、高度杂合。这给其遗传学研究带来了极大的困难和挑战。”陈翠霞说，由于芒属植物基本都是野草，生物学、细胞学和遗传学特征的知识几乎为零，十多年来，他们对其的研究可谓“白手起家”。
高粱、芒草、甘蔗来自同一祖先。在物种进化过程中，基因组多倍化是植物进化和新物种产生的最重要方式之一。“这一现象在高粱、芒草和甘蔗3种禾本科甘蔗亚族植物中得到了充分体现。”陈翠霞说。近年研究发现，芒属植物、高粱属植物和甘蔗属植物的基因组存在密切的关系。芒属、甘蔗的共同祖先与高粱的祖先分化后，分别经历了单次和两次基因组加倍以及染色体重排，演变成了现在的芒属和甘蔗属植物。
基因资源“多面手”有专家认为，除了作为能源植物，芒草的高抗性还有可能给同为禾本科的粮食作物如水稻和小麦等，带来丰富的基因资源。五节芒就好像一个基因资源的“多面手”。“我们鉴定了高粱、甘蔗和五节芒中纤维素合酶CesA/Csl家族基因。”陈翠霞说，芒草作为能源植物，人们利用的主要是其木质纤维素，因此研究纤维素合酶非常必要。
通过比较不同生长期的五节芒，他们发现，正在伸长的茎秆组织中纤维素合酶表达水平很高。而与芒属植物所有基因的表达量相比，大部分CesA和部分Csl基因表达水平最高，这与芒属植物极高的纤维素或半纤维素含量相吻合。