从头驯化：作物品种设计与培育的新方向

全球气候变化对农业生产带来了巨大挑战。在农业投入减少的前提下如何保障粮食生产持续稳步增长,满足人们吃饱、吃好的需求是亟需考虑的问题。培育高产、稳产、绿色、营养的新型作物品种仍然是解决该挑战的有效措施之一。作物新品种的培育高度依赖育种材料遗传多样性的拓宽和育种技术的创新。从头驯化是一种作物品种创新的全新育种策略,以具有某些优异性状的未驯化、半驯化植物作为底盘物种,通过农艺性状重新设计和驯化基因导入实现野生植物快速驯化,从而满足人类多样化需求。本文回顾了作物驯化、遗传改良历程,阐明了丰富作物多样性的必要性,强调野生植物丰富的遗传多样性对于拓展作物重新设计空间的重要价值,提出育种策略革新是加速作物育种的关键,探讨了通过从头驯化快速培育新型作物品种的可行性和发展前景。     

基于作物种质资源的优异等位基因挖掘：进展与展望

作物种质资源中蕴含着大量优异等位基因,如何鉴定并将这些变异应用于作物遗传改良是种质资源研究的中心任务之一。等位基因挖掘对种质资源遗传多样性分析、作物起源与演化研究、重要性状形成的分子基础阐释、种质创新与作物育种具有重要意义,也是作物分子设计育种的基石。因此,未来需要进一步研发更加高效的等位基因挖掘策略与技术方法,加速优异等位基因的发现及其在作物遗传改良中的应用。本文重点评述了等位基因发掘的主要策略与技术途径,提出了今后的重点任务与发展方向。     

植物数量性状基因的定位与克隆

作物的许多重要农艺性状属于数量性状,鉴定和发掘控制数量性状的基因及其优异的等位变异,并使之快速应用于育种实践是新时期作物科学家和育种学家所面临的重大课题。本文从QTL作图、QTL的精细定位与图位克隆、QTL近等基因系和染色体片断代换系的建立以及基于LD的关联分析等方面对植物数量性状的研究进展进行了讨论,提出了以植物基因组学技术为平台,将QTL作图与关联分析方法相结合,是进行数量性状遗传机理研究同时服务于作物育种实践的有效途径。     

植物数量性状基因的定位与克隆

作物的许多重要农艺性状属于数量性状, 鉴定和发掘控制数量性状的基因及其优异的等位变异, 并使之快速应用于育种实践是新时期作物科学家和育种学家所面临的重大课题。本文从QTL作图、QTL的精细定位与图位克隆、QTL近等基因系和染色体片断代换系的建立以及基于LD的关联分析等方面对植物数量性状的研究进展进行了讨论, 提出了以植物基因组学技术为平台, 将QTL作图与关联分析方法相结合, 是进行数量性状遗传机理研究同时服务于作物育种实践的有效途径。     

玉米野生种基因组研究进展及应用

气候变化为粮食生产、生态系统的稳定性带来了重要的挑战。在极端气候变化下,发展适应性物种是作物遗传育种的重要目标之一。作为重要的作物之一,玉米在经历强烈的驯化瓶颈之后,已经丢失了大量的遗传多样性,特别是一些与生物和非生物胁迫相关的位点。在野生种和农家种中寻找玉米驯化过程中丢失的遗传多样性,并将其应用于现代遗传育种中,将为适应性新品种的创制提供新的契机。本文在对大刍草（玉米野生近亲）的发现及分类研究进行介绍之后,进一步总结了大刍草和玉米的性状与基因组差异,并综述了目前基于遗传学、群体遗传学、分子生物学等对大刍草和玉米之间差异遗传机理剖析的进展,多角度表明了大刍草在玉米遗传学研究中的重要性。最后,对未来气候变化下大刍草在玉米育种中的重要性提出了展望。     

作物种质资源表型性状鉴定评价:现状与趋势

表型是作物基因型与环境互作后呈现出来的性状,包括形态学、生育期、产量、品质、抗性等性状。作物种质资源具有丰富的遗传多样性,并经过数千年在世界不同区域驯化利用中的人工选择,形成了表型性状的多样性,构成育种家选育作物新品种的物质基础。认识和发现作物种质资源表型的多样性需要通过系统、科学的鉴定,特别是培育适应全球气候变化下环境的品种,更需在大量种质资源中发掘和利用抗旱、耐热、抗病虫、水肥高效利用等特性的材料。作物种质资源各类表型性状的鉴定需要对环境进行有效的控制,而多年多点的鉴定可以准确观察鉴定性状的变异水平或表达稳定性,是育种家准确选择和利用性状的重要依据。作物种质资源表型性状的鉴定主要采用田间鉴定、设施鉴定、仪器分析、感官鉴定的方式。近年来,作物种质资源表型性状鉴定已从单一环境、低通量、粗放型鉴定转变为多年多环境、重点性状、高通量精准型鉴定。随着组学技术、智能与信息技术的快速发展,作物种质资源的表型性状鉴定已进入一个新阶段,形成作物育种中重要性状准确快速发掘与应用的坚实基础。     

主要农作物驯化研究进展与展望

农作物的驯化过程与农耕文明的发端密切相关,是作物种质资源遗传基础不断丰富衍化,利用价值不断完善的主要途径之一。本文重点从作物驯化的主要性状、基因组遗传区段、重要驯化基因的克隆、作物驯化后的传播与基因渗透、作物驯化理论与研究方法以及作物驯化研究的新趋势等方面评述近年来取得的主要研究进展,讨论研究存在的主要问题并对深入开展作物驯化研究进行展望。     

长雄野生稻有利基因的发掘与利用

人类将普通野生稻驯化为亚洲栽培稻,其农艺性状如株高、落粒性、穗型等发生了重要变化,产量也大幅提高,但许多优良性状如抗逆性等却丢失。长雄野生稻与亚洲栽培稻同属AA基因组,蕴藏了许多生物胁迫和非生物胁迫的抗性基因,被认为是亚洲栽培稻遗传改良的潜在基因库。本文总结了长雄野生稻生物及非生物胁迫抗性、地下茎性状以及其他潜在应用价值性状,包括白叶枯抗性、抗旱性、耐热性、自交不亲和性、氮高效利用以及高产等有利性状。基于长雄野生稻地下茎性状开展多年生稻育种实践的应用研究,对长雄野生稻进行从头驯化的策略进行了探讨,以期为长雄野生稻基础研究及栽培稻遗传改良提供理论参考。     

水稻R7606、229A系列优异资源的创制

作物种质资源是品种改良的物质基础,随着分子生物学技术的发展,水稻育种已经发展到分子标记辅助选择与农艺性状选择相结合的高级育种阶段,种质资源的评价必须满足分子辅助选择育种的实际需要,进行分子辅助评价。本研究利用农业部《水稻品种鉴定DNA指纹方法》（NY/T1433-2007）推荐的24对 SSR引物,对32个水稻恢复系和13个水稻保持系资源材料进行DNA多态性分析,利用遗传相似系数及其主要农艺性状的差异选择亲本进行种质创新,在中间世代利用PCR-AccⅠ分子标记进对控制中等直链淀粉含量的基因型进行辅助选择,创制了系列新的优异资源。结果显示,32个水稻恢复系和13个水稻保持系资源材料的遗传相似系数变化范围分别为0.5244~0.8415、0.4783~1,平均遗传相似系数分别为0.6965、0.6542;选用其中的R3076、中恢8006、229和巨风A/B作为亲本,创制了恢复系R7606和细胞质雄性不育系229A系列资源,稻米品质检测结果表明,R7606系列资源有11个品系达到国标二级稻米标准;229A系列资源中则有3个品系达到国标一级,1个品系达到国标二级标准。经田间观察和配组试验,结果显示R7606及229A系列资源农艺性状优良,配合力较好,可以作为杂交水稻育种的优良亲本。本研究还对水稻遗传改良和种质创新过程中,如何利用对水稻优异资源的评价,拓展创新资源的遗传背景和遗传多样性,促进水稻育种和生产可持续发展进行了讨论。     

驯化对作物微生物组多样性和群落结构的影响及作用途径

植物与共存微生物的相互作用对植物的生长、发育、健康等具有重大影响。人类驯化导致现代作物品种与其野生祖先在生理遗传特性、生长环境等方面存在明显差异, 这必然会影响作物与其微生物组的相互作用。理解驯化对作物微生物组的影响及其作用机理, 是充分应用微生物组进行作物改良或人工育种的重要理论基础。结合课题组前期研究基础, 该文综述了驯化对作物地下和地上部分细菌和真菌(尤其是益生菌和病原菌)群落组成和多样性影响的研究现状; 并结合驯化对作物植株形态、根系构型、根系分泌物等生理特征以及生长环境的影响, 分析了驯化塑造作物微生物组的作用途径, 提出了该领域值得重点关注的研究和发展方向。     

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。     

利用多组学手段解析番茄育种过程中代谢物变化的机制

番茄(Solanum lycopersicum)在育种过程中经历了驯化、改良、分化和渐渗等不同阶段, 在这一选择过程中番茄的果重和风味等均发生了显著改变, 但是目前对于番茄育种过程中代谢物的变化及其遗传基础却不是十分清楚。近期, 中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文研究组与华中农业大学罗杰研究组利用多组学(变异组、转录组及代谢组)手段系统解析了番茄育种过程中代谢物的变化。结果表明, 在番茄驯化过程中有46个甾醇糖基生物碱类物质(SGAs)含量逐渐降低, 并获得了7个与其中44个物质显著相关的遗传位点。因此, 在番茄育种过程中通过优异等位位点的组合可以显著降低SGAs的含量; 同时发现在番茄以果重为目标的选择过程中, 控制果重基因周围其它基因的“搭车效应”是引起许多代谢物变化的重要遗传因素, 及在育种过程中对某一性状的选择会对其它性状产生重要影响。该研究首次利用多组学手段系统解析了选择对作物代谢物的影响, 为番茄品质改良奠定了良好的理论基础。     

植物开花调控中蛋白质相分离机制在从头驯化中的应用价值

全球气候变化和人口快速增长严重威胁世界粮食安全，现有作物难以满足人类未来的粮食需求，亟需高产优质且环境适应性强的作物品种。利用野生种质资源进行快速从头驯化，获得可应用于育种的新种质是应对粮食安全问题的新策略。开花时间性状是决定作物种植区域和最终产量的重要因素，在作物驯化中常常受到选择。目前在从头驯化中，通常直接利用控制作物开花的主效基因来改造开花性状，基因数量非常有限且功能较为单一。植物成花转变受到环境和内源性信号的复杂调控，本文提出利用调控开花基因表达的重要蛋白质的可逆行为变化——蛋白质相分离定向改造蛋白功能，从而精准控制开花相关基因的表达，可能为从头驯化中开花性状的分子设计提供新的选择。     

基于选择牵连效应的标记/性状关联分析方法简介

许多重要农艺性状如产量、品质、抗逆性等多表现为数量性状, 是由多个基因和环境共同作用的结果, 对其遗传基础的研究比较困难。近年发展起来的以选择牵连效应分析为基础, 通过标记/性状之间的关联分析方法为这些性状的作图和遗传解析提供了新的手段, 也为作物的分子设计育种提供了新的思路, 其与QTL作图结果互相验证、互相补充, 必将促进数量遗传学、应用基因组学和育种学的发展。文章对关联分析的思路、方法、优缺点及应用时应注意的问题进行了比较系统的介绍。     

小粒野生稻优异基因的挖掘与利用研究进展

小粒野生稻拥有丰富的遗传多样性,含有大量的优异基因,是进行栽培稻遗传改良和基因组研究的宝贵资源。本文总结了国内外研究利用小粒野生稻种质取得的系列进展,主要包括:小粒野生稻优异性状的鉴定和遗传群体的构建,小粒野生稻有利基因的定位、克隆与育种利用,还对小粒野生稻优异基因利用的困难和应对策略进行了讨论。这些结果必将有利于进一步挖掘和利用小粒野生稻的有利基因。     

作物柱头外露性状研究进展

柱头外露作为一个能提高作物杂交制种产量的重要性状,被广泛应用于杂种优势利用育种中。柱头外露性状多数是数量性状,遗传规律因作物种类和基因型的不同表现出多样性,是近年来作物领域的研究热点。深入解析作物柱头外露的遗传控制机制和调控机理,对于提高作物杂种优势利用效率具有重要意义。本文从柱头外露性状的经典遗传学解析、相关基因的克隆与分析、育种利用及研究存在的问题与展望等几个方面,综述了作物柱头外露性状的研究进展。     

酵母乙醇耐受性状遗传不稳定的表观遗传探讨

诱变、驯化等传统手段获得理想性状的酵母菌株,其性能在传代和保存过程中很容易发生性状丢失现象。从表观遗传学的角度出发,初步探讨酵母菌株在传统的诱变、驯化等育种过程及其性状丢失的表观遗传的分子机理。采用驯化等手段选育耐乙醇酵母,并通过无压力方式传代,研究此过程中酵母乙醇耐受性状遗传的稳定性与耐受相关的pro1、tps1、sod1基因启动子区域结合组蛋白上H3K4甲基化水平的关系。结果表明酵母乙醇耐受性状的变化受到酵母表观遗传控制。控制表观遗传的修饰过程易受环境改变的影响,因此经过选育获得的乙醇耐性性状遗传的不稳定性可能与表观遗传分子机理密切相关。     

燕麦基因组学与分子育种研究进展

燕麦(Avenasativa)是粮饲兼用的一年生禾本科燕麦属植物。燕麦的营养价值和优良牧草品质使其市场需求量逐年增加,这对燕麦新品种的创新培育提出了新要求。分子育种精准且高效,是燕麦育种技术革新的必由之路。而基因组学研究是燕麦重要农艺性状解析、优异种质资源精准利用和分子设计育种的重要基础。该文重点从国内外燕麦种质资源搜集整理情况、燕麦属基因组构成和染色体倍性,以及燕麦遗传连锁图谱构建、基因组测序和分子育种方面对燕麦基因组学与分子育种研究进行综述,并对后基因组时代相关研究的发展趋势进行了展望。     

茄子果实相关农艺性状全基因组关联分析研究进展与展望

茄子是重要的园艺作物,也是茄科植物中种植最广泛的蔬菜之一。茄子果实相关农艺性状是一种复杂的数量性状,传统育种选育效率低、周期长。高通量测序技术与生物信息学技术的快速发展,使得全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)在解析茄子果实相关复杂农艺性状的遗传规律方面展现出巨大的应用前景。本文对全基因组关联分析在茄子的果形、果色等果实相关农艺性状中的研究进展进行了综述;针对茄子数量性状遗传研究中普遍存在的“丢失遗传力”(missing heritability)问题,从4个GWAS策略在茄子果实相关农艺性状研究中的应用热点出发,提出了未来茄子GWAS的发展对策;并结合当前茄子遗传改良的实践需求,展望了GWAS策略在茄子分子育种领域的广阔应用前景。本文为今后利用GWAS解析各种茄子果实相关性状的遗传基础以及选育符合消费者需求的果实材料提供了理论依据和参考。     

作物数量性状基因图位克隆研究进展

对数量性状基因(QTL)的鉴定和克隆不仅有利于从分子水平上阐明作物重要农艺性状的形成机理,而且对于有效开展这些性状的分子育种,进一步提高作物增产潜力具有重要意义.近年来作物QTL图位克隆取得了重要突破,一批QTL被成功克隆,而模式植物基因组研究的快速发展则为作物QTL图位克隆技术带来了新的策略和方法.本文就相关研究的主要进展和发展趋势进行了综述.