羊草(Leymus chinensis)作为欧亚草原的优势多年生禾草，是反刍动物获取碳水化合物和能量的核心来源。中性洗涤纤维NDF主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素与木聚糖可在反刍动物体内被降解，转化为挥发性脂肪酸VFA以供给能量。NDF消化率直接决定反刍动物的采食量与生产性能，是评价牧草品质的核心指标。尽管传统育种技术已显著提升羊草的抗逆性、生物量及种子产量，但兼具高产与高消化率的羊草品种仍严重匮乏。

 

    羊草Lc6-5基因型已完成高质量基因组组装，且具备高效遗传转化效率，是开展高消化率羊草创制及分子机制解析的理想材料。研究团队对羊草Lc6-5的7个不同生育期进行系统划分，通过测定其产量及品质指标发现，随着植株发育进程推进，羊草干物质与NDF消化率呈逐渐下降趋势；且在关键生育期，其消化率与酶解糖化效率均显著低于广泛种植的燕麦品种。通过与细胞壁组分进行关联分析，研究发现不同时期羊草材料的木质素、木糖含量与其NDF消化率均呈显著负相关。由于直接降低木质素含量易引发植物生长发育异常的多效性，因此定向改良木聚糖结构成为降低细胞壁抗降解性、提升消化率的新型策略。

 

    糖基转移酶GT43家族的IRX9/9L、IRX14/14L以及GT47家族的IRX10/10L共同参与木聚糖主链形成。本研究系统分析羊草木聚糖主链形成基因，筛选鉴定出两个高表达基因Lc2Ns001383和Lc2Xm054717 (命名为LcIRX14L)进行深入分析。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，研究团队成功创制出LcIRX14L纯合双突变体cr-1及单基因突变杂合突变体cr-2。表型分析结果显示，生长3个月的突变体与野生型羊草在株高、干重上无显著差异，表明该基因编辑对羊草生物量未造成影响。

 

    进一步化学分析表明，cr-1突变体叶片与叶鞘中木糖含量显著降低，木聚糖聚合度DP下降且主链缩短，而残留木聚糖的侧链修饰密度有所增加。这种木聚糖结构的微调显著提升了cr-1突变体中纤维素的可及性，使其纤维素与木聚糖的水解效率大幅提高。此外，cr-1突变体的NDF含量显著降低，瘤胃发酵过程中干物质和NDF消化率均提升约6个百分点，挥发性脂肪酸VFA产量也显著增加。

 

    综上所述，敲除羊草LcIRX14L基因微调木聚糖结构，可有效改良纤维素、木聚糖与木质素之间的相互作用，显著提升羊草材料的消化率，并且不损失生物量。IRX14L蛋白在主要禾本科植物中高度保守，这一策略为培育高产优质牧草及生物能源作物提供了极具应用前景的新路径。该研究不仅为羊草品质改良提供了精准、高效的分子育种技术方案，更搭建了“靶向调控细胞壁结构改良牧草品质”的理论框架与技术范式，为培育高产、优质、抗逆性兼具的牧草及生物能源草品种开辟了全新路径，对推动我国草业可持续发展、提升反刍动物养殖效益、保障草地生态安全与粮食安全具有重要的理论意义与战略应用价值。

 

    该研究成果于2026年3月24日在线发表于Plant Biotechnology Journal （DOI:10.1111/pbi.70651）。中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风研究组博士生赵梦洁、周奕华组已毕业博士生刘卓林及黑龙江省农科院草业研究所王建丽研究员为论文共同第一作者；遗传发育所曹晓风研究员、张保才研究员、张率斌副研究员为论文共同通讯作者。此外，遗传发育所周奕华研究员、宋显伟研究员、中国农业科学院畜牧所卜登攀研究员及黑龙江省农科院申忠宝研究员、潘多锋副研究员等参与了此项工作。该研究得到黑龙江省现代农业省实验室、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会及国家自然科学基金委等项目的资助。

LcIRX14L突变提高羊草NDF消化率的工作模型