水稻全基因组选择育种技术平台构建与应用

随着DNA标记技术的发展和越来越多的功能基因被鉴定和克隆,水稻全基因组选择育种已经成为精准高效的新品种培育方法。该文重点介绍新创建的基于高通量测序和基因组育种芯片的全基因组选择技术平台,以及建立的水稻基因组序列变异数据库、受选择功能区段鉴定技术体系和品种系谱溯源技术体系。这些技术平台和体系将有助于水稻全基因组选择育种工作的开展,提高育种效率,更好地满足消费市场对品种培育提出的新要求。     

中国水稻分子育种的新机遇

水稻是我国最重要的粮食作物之一,全球一半以上的人口以稻米为主食.近年来,基于水稻亚种基因组序的测定、遗传变异的全面了解和功能基因组的迅猛发展,大规模的水稻功能性基因被鉴定、克隆.这将给以功能型分子标记技术和基因工程技术为平台的水稻分子育种提供创新的历史舞台.本文综述了水稻现有可利用的基因资源,并为中国水稻育种提供了相应的分子蓝网.     

水稻基因设计育种

本书系统地介绍了水稻转基因技术、花药培养、分子标记辅助育种和基因组辅助育种的基本原理和方法,阐述了水稻产量性状、抗病虫性、抗逆性状、营养品质和特异种质的遗传研究及分子育种的最新进展、水稻基因设计育种数据库建设和水稻基因设计育种的展望,反映了在水稻分子育种方面获得的成果。全书共分12章,各章节前后呼应,     

水稻稻瘟病抗性基因的克隆、育种利用及稻瘟菌无毒基因研究进展

稻瘟病是世界上影响水稻(Oryza sativa)粮食生产的主要病害之一, 抗病基因的发掘与利用是抗病育种的基础和核心。随着寄主水稻和病原菌稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)基因组测序和基因注释的完成, 水稻和稻瘟病菌的互作体系成为研究植物与真菌互作的模式系统。该文对稻瘟病抗病基因的遗传、定位、克隆及育种利用进行概述, 并通过生物信息学分析方法, 探讨了水稻全基因组中NBS-LRR类抗病基因在水稻12条染色体上的分布情况, 同时对稻瘟病菌无毒基因的鉴定及无毒蛋白与抗病蛋白的互作进行初步分析。最后对稻瘟病抗病基因研究存在的问题进行分析并展望了未来的研究方向, 以期为水稻抗稻瘟病育种发展和抗病机制的深入理解提供参考。     

应用基因表达芯片分析水稻高温胁迫相关基因

非生物逆境,如低温、高温、干旱通常会严重影响到农作物的生长及产量,其中高温胁迫则是造成植物伤害的主要原因之一.为深入了解水稻高温胁迫反应的分子机理,发现新的耐高温相关功能基因,为水稻生物工程育种提供候选材料,采用Affymetrix水稻表达芯片分析了超级稻两优培九母本培矮64S(Oryza sativa L.)在高温逆境胁迫下,孕穗期、抽穗开花期的叶片全基因组表达谱,得到大量高温诱导表达基因.应用实时定量PCR方法对其中一部分基因的表达水平进一步分析,所得结果与基因芯片结果基本吻合,证明芯片分析数据是可靠的,为下一步耐高温相关基因的克隆、功能分析等研究提供了基础.     

基于全基因组芯片开发水稻HRM特异分子标记

植物中广泛分布着单核苷酸多态性(SNP)位点。在此基础上发展而来的SNP标记因其具有高分辨率和共显性等优点,已成为当前作物遗传研究重要的分子工具。本研究拟建立基于高分辨率熔解曲线(HRM)技术的SNP分子标记,从而实现对栽培稻和野生稻的高效基因分型,为今后水稻的基因挖掘、品种鉴定以及分子育种等提供可靠、快捷的技术工具。利用水稻全基因组9 K SNP芯片对栽培稻品种黄华占和野生稻Y605进行扫描,寻找两者之间的SNP位点,并将其开发成基于HRM技术的特异分子标记。然后,利用这些分子标记对亲本黄华占、野生稻Y605以及两者的BC3回交群体进行分子检测,以验证其有效性。水稻9 K基因芯片在黄华占与野生稻Y605之间总共找到了4198个SNP位点,它们在12条染色体上较均匀分布。在水稻第1号染色体上随机挑选出5个SNP位点开发成基于HRM技术的特异分子标记。利用这些标记对黄华占与野生稻Y605的BC3F1和BC3F2群体进行检测分析,发现它们都能准确区分亲本的纯合与杂合基因型。并且,在回交后代的第1号染色体ZY1-1~ZY1-4标记区间检测到野生稻片段插入。水稻全基因组9 K SNP芯片可以很好地应用于水稻SNP标记的开发。开发的SNP特异标记能准确、高效地对栽培稻和野生稻进行基因分型。进一步完成基于HRM技术的水稻全基因组SNP标记的开发,可为今后野生稻的分子遗传研究、有利基因挖掘和育种应用提供高效的分子检测手段。     

TILLING在水稻育种中的应用前景

TILLING(Targeting Induced Local Lesions in Genomes)是功能基因组研究中应用的一种反向遗传学技术。它能高通量低成本地在EMS诱变群体中鉴定出发生在特定基因上的点突变。在其基础上发展出的EcoTILLING技术则可发现种质资源中的SNP位点及小插入或缺失多态性位点。水稻是非常重要的粮食作物, 也是已经完成了全基因组序列测定,有丰富的生物信息学资源可以利用的基因组研究模式植物。水稻的分子标记辅助育种将在育种中扮演越来越重要的角色。在这样的背景下,本文从基于特定基因的种质资源鉴定、EMS诱变育种、及水稻功能标记开发等方面论述了其在水稻育种中的应用前景。     

稻属植物的基因组进化

水稻所在的稻属(Oryza)共有24个左右的物种。由于野生稻含有大量的优良农艺性状基因, 在水稻遗传学研究中日益受到重视。随着国际稻属基因组计划的开展, 越来越多的稻属基因组序列被测定, 稻属成为进行比较、功能和进化基因组学研究的模式系统。近期开展的一系列研究对稻属不同基因组区段以及全基因组序列的比较分析, 揭示了稻属在基因组大小、基因移动、多倍体进化、常染色质到异染色质的转化以及着丝粒区域的进化等方面的分子机制。转座子的活性以及转座子因非均等重组或非法重组而造成的删除, 对稻属基因组的扩增和收缩具有重要作用。DNA双链断裂修复介导的基因移动, 特别是非同源末端连接, 是稻属基因组非共线性基因形成的主要来源。稻属基因组从常染色质到异染色质的转换过程, 伴随着转座子的大量扩增、基因片段的区段性和串联重复以及从基因组其他位置不断捕获异染色质基因。对稻属不同物种间基因拷贝数、特异基因和重要农艺性状基因的进化等研究, 可揭示稻属不同物种间表型和适应性差异的分子基础, 将加速水稻的育种和改良。     

水稻基因组加倍对籽粒大小调控基因表达的影响

水稻是最重要的粮食作物之一,提高水稻产量一直是育种的主要目标。水稻四倍体相对于二倍体具有籽粒变大、粒重增加的特点,研究基因组加倍后籽粒大小基因的调控模式,在育种应用方面具有十分重要的意义。本文以二倍体 -四倍体水稻为材料,分析6个控制籽粒大小基因在幼穗发育中的表达差异,同时结合转基因实验,探讨基因剂量增加对基因表达水平和籽粒大小的影响。结果发现：基因组加倍后,水稻的发育进程不变,但株高增加,叶片变宽,籽粒变大,增大后的籽粒在籼稻表现为长、宽均增加显著,而在粳稻中长度比宽度增加更为明显。进一步分析控制籽粒大小基因的表达差异情况,发现这些基因的表达不仅受发育时期的影响,在籼粳亚种间也明显不同,即受遗传背景的影响。在基因组加倍的情况下,正调控基因GS5、HGW的表达普遍高于对应的二倍体;负调控基因GS3在籼稻D9311中趋于下调或沉默,而在粳稻DBl中趋于上调,GW2在D9311中上调,而在DBl中趋于沉默。通过转基因实验分析负调控基因GW2在二倍体Bl中的表达趋势,发现其在基因剂量线性增加的情况下,表达水平高于二倍体和四倍体,导致其籽粒变小。本研究结果有助于了解水稻中控制籽粒大小的基因在二倍体和四倍体中的表达模式,为高产育种提供理论依据。     

国内信息

超级杂交水稻基因组计划正式启动据悉 ,中国超级杂交水稻基因组计划 5月初在北京正式启动。北京华大基因研究中心、中国科学院遗传所植物生物技术实验室和国家杂交水稻工程技术研究中心的科学家将联手破译超级杂交稻的遗传密码 ,为进一步提高水稻产量和改善品质打下基础。与今年 4月美国孟山都公司宣布无偿公开的水稻基因组项目成果———水稻 (粳稻 )基因组工作草图有所不同 ,我国将进行的是籼稻杂交稻的基因组测序。取得粳稻和籼稻两套基因组的信息 ,将大大加快水稻的育种速度 ,并有望使我国成为最先实现“超级稻计划”的国家。“超级稻计…     

是金子无论在何处都发光: 玉米和水稻驯化中的趋同选择

野生植物的驯化为人类定居与文明起源奠定了重要基础。在世界范围内不同地区生活的古人类分别对当地不同的野生植物进行了驯化, 而经过驯化的作物常常表现出相似的驯化综合性状。在基因组层面上对趋同选择规律的解析, 可为作物育种提供重要信息与遗传资源。近日, 中国农业大学杨小红/李建生和华中农业大学严建兵领衔的团队从单基因和全基因组2个层次系统解析了玉米(Zea mays)和水稻(Oryza sativa)趋同选择的遗传基础, 发现玉米KRN2与水稻OsKRN2受到了趋同选择, 并通过相似的途径调控玉米与水稻的粒数与产量。他们还发现玉米与水稻在全基因组范围内存在大量趋同选择同源基因对(gene pair), 这些基因在淀粉代谢、糖及辅酶合成等途径特异富集。该研究不仅克隆了在玉米与水稻中均具有重要育种价值的趋同选择同源基因对KRN2/OsKRN2, 而且在全基因组水平上揭示了玉米与水稻趋同选择的规律, 为进一步解析驯化综合性状形成的分子机理及其在育种中的应用奠定了重要理论基础。     

基因组选择在绵羊育种中的应用

基因组选择是一种利用高密度芯片全部位点与目的基因存在的连锁不平衡估计基因组育种值的方法,目前已相继在英国、法国、澳大利亚和新西兰等国家的畜禽育种中得到应用并有效提升了育种效率。在我国,基因组选择已在奶牛、生猪和肉鸡的育种中开始应用并取得了一定的成效。我国是世界养羊大国,但在羊的养殖管理、育种水平以及生产效率等方面依旧与发达国家存在较大差距。目前,已有育种工作者尝试对绵羊开展基因组选择育种研究,但至今尚未有比较系统的应用案例。基于绵羊育种基础薄弱的现状,开展基因组选择对我国肉羊产业发展具有重要作用。本文综述了畜禽基因组选择的研究进展及其在绵羊育种中的应用,并对该技术在今后绵羊生产中的指导作用进行了展望。     

水稻SBP基因家族的生物信息学分析(英文)

SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE(SBP)转录因子家族是植物特有的一类转录因子。本文确定了20水稻基因组上编码的SBP基因。通过分类,染色体定位,保守区确定,亲缘关系,以及水稻SBP家族中的重复基因及该家族成员形成蛋白二聚体的可能性进行分析,其次利用了Affymetrix水稻基因组芯片数据,对所有这些基因的表达谱进行了分析。结果表明,水稻SBP基因在花和种子的发育过程中可能发挥重要作用,而其对环境胁迫却不敏感。这对进一步研究SBP的功能提供了有价值的线索和思路。     

中国水稻遗传育种历程与展望

我国的水稻育种经历了矮化育种、杂种优势利用和绿色超级稻培育3次飞跃,其间伴随矮化育种(第一次绿色革命)、三系杂交稻培育、二系杂交稻培育、亚种间杂种优势利用、理想株型育种和绿色超级稻培育等6个重要历程。育种目标从唯产量是举到高抗、优质和高产并重,育种理念从高产优质逐步提升为“少投入,多产出,保护环境”。水稻功能基因组研究为第二次绿色革命准备了大量的有重要利用价值的基因,水稻育种正迈向设计育种的新时代。基因组选择技术和转基因技术将为培育“少打农药,少施化肥,节水抗旱,优质高产” 绿色超级稻保驾护航。本文对我国水稻遗传育种的发展历程进行了概括,指出了各种育种方法和育种技术的优缺点,系统介绍了水稻细胞质雄性不育和光温敏雄性核不育以及籼粳杂种不育的分子机制的研究进展,综述了水稻株型、穗型、粒形和养分高效利用相关的重要功能基因,阐明了产量与开花期联动的关系,凸显了我国水稻基础研究在国际上的重要地位。特别指出,近年来,我国水稻生产方式发生了或正在发生巨大变革,育种理念也要与时俱进。未来,杂交育种技术要与现代育种技术紧密结合,选育水稻品种不仅要满足市场需求,而且更要具备绿色健康的特点,同时还要适应新耕作制度和新耕作方法。     

水稻长穗颈eui突变体长选3S最上节间基因差异表达研究

利用水稻全基因组芯片和半定量PCR对水稻长穗颈eui突变体长选3S与对照培矮64S最上节间快速伸长期的基因差异表达分析,在检测到的56 983芯片杂交点只发现527个差异表达转录本,其中上调表达的362个,下调表达的165个.生物信息分析发现,差异表达的转录本包括信号传导相关基因、膜及运输基因、细胞生长与凋亡相关基因、复制与修复相关基因、碳代谢相关基因,次生代谢物合成相关基因和其它功能未知基因.研究结果为了解水稻最上节间伸长机制提供了非常有用的信息.     

水稻低温响应基因OsCR1的克隆与表达分析

低温、高温、干旱等非生物胁迫是影响水稻产量与品质的重要非生物逆境因子.为了探索水稻耐逆的分子机理并挖掘新的水稻耐逆基因,采用Affymetrix 60K水稻基因表达芯片分析了培矮64S全基因组在上述逆境下的表达谱变化,筛选出一个受低温诱导表达水平显著升高的基因OsCR1( Oryza sativaL.cold resp...     

一种基于定量PCR的CRISPR/Cas9基因编辑作物快速检测方法的研究

基因编辑技术自诞生以来,在作物育种、基因功能分析中得到了广泛的应用,其中CRISPR/Cas9系统是目前使用最多的基因编辑技术。基于荧光定量PCR技术,针对编辑位点设计特异性探针,结合基因组快速提取方法和成熟的水稻内参基因PLD引物,对自行研发的CRISPR/Cas9系统编辑水稻的Os11N3基因进行检测,并通过合成质粒模拟不同突变情况对该方法的特异性进行了验证。研究所建立的体系可在节约时间和成本的同时获取满足qPCR检测所需的基因组,能够区分1 bp基因编辑突变体与野生型,具有良好的特异性和灵敏度。检测方法可为作物育种筛选节省时间和成本,为基因编辑产品检测监管提供技术支持。     

水稻基因组测序及基因功能的鉴定

水稻是重要的粮食作物。作为单子叶模式植物,水稻基因组的大规模测序具有巨大的理论价值和现实意义。目前已获得了籼稻“93—11”和粳稻“日本晴”高质量的基因组数据,这为在基因组水平上深入研究其生长、发育、抗病和高产等的遗传机理提供了便利,从而为进一步解决世界粮食危机提供了新的突破口和契机。随着水稻基因组计划的顺利结束,其研究重心也已由建立高分辨率的遗传、物理和转录图谱为主的结构基因组学转向基因功能的研究。结构基因组学研究获得的大量序列数据为揭示和开发功能基因开辟了广阔的前景。目前,利用图位克隆和电子克隆等方法已成功分离了多个水稻抗病、抗虫、抗逆境、抗倒伏、高产、优质等重要农艺性状相关的基因,对培育水稻新品种,促进农业的可持续发展意义重大。据估计,水稻至少拥有3．7万个非转座因子相关的蛋白编码基因。因此,完成全基因组序列测定后,重要基因功能的鉴定已成为当前基因组学研究的主要目标。反向遗传学、大规模基因功能表达谱分析和蛋白质组研究等策略已在研究水稻重要基因的功能方面发挥了重要作用。文章综述了水稻基因组测序及基因功能研究的现状,并就新基因发掘和基因功能注释的方法作了评述,期待为水稻遗传工程和育种实践提供参考。     

不同基因组野生稻随机微卫星扩增多态DNA(RMAPD)遗传分析

采用32对RMAPD引物对水稻9种类型基因组的44份材料遗传多样性进行研究,PCR产物经凝胶电泳后进行带型统计并用NTSYS软件进行聚类分析．结果显示44份材料可分为AA基因组和其他基因组2个大组,其他基因组可分为BCD、EFG和HJ等3个小组;BCD小组聚类结果表明CC基因组与BBCC基因组关系亲缘最近．与CCDD基因组次之,而与AA基因组最远．结果同时表明,AA基因组野生稻和非AA基因组野生稻含丰富的栽培稻所没有的基因．RMAPD标记在群体遗传结构和亲缘关系分析等水稻遗传育种领域具有广阔的应用前景．     

水稻中过敏原蛋白全基因组预测及生物学功能分析

世界范围内过敏症状的流行趋势日益严峻,水稻作为单子叶模式植物和人类主要粮食作物,对水稻中致敏性物质的研究具有重要意义。但目前基于水稻全基因组水平预测和分析过敏原的研究尚缺少相关报道。本研究利用生物信息学方法在全基因组层面上,在水稻基因组数据库中和过敏原数据库中,共筛选和获得了657个过敏原基因/蛋白(属于109个蛋白家族),并进一步对这些候选的水稻过敏原基因/蛋白进行了表达模式、家族分类和功能预测分析;以及在进化上分析了水稻过敏原基因/蛋白家族成员的同源蛋白在低等到高等植物中分布情况,结果表明致敏性可能随着基因家族中成员的功能分化而变化;进一步结合水稻花粉和种子转录组芯片数据,细化分析和获得了148个水稻花粉过敏原和116个水稻种子过敏原,并在基因家族和功能分类上进行了对比分析。本研究结果初步明确了水稻过敏原基因/蛋白家族的进化特点、组织表达特性和生物学功能,为进一步研究水稻以及其他单子叶植物中的过敏原奠定了基础。