中国水稻遗传学研究进展与分子设计育种

我国是一个农业大国,水稻是保障我国粮食安全和实现农业可持续发展的主粮作物.经过几十年的努力,我国科学家在水稻遗传学和功能基因组学领域取得了瞩目的成就,特别是在水稻复杂农艺性状基因解析方面取得了一系列重要的原创性研究成果,开创了以水稻为模式作物研究复杂性状基因调控网络的新领域.随着水稻功能基因组学的发展,我国科学家率先践行了分子设计育种理念,为培育高产、优质、抗逆、营养高效利用的"绿色超级稻"提供了有效的策略,对于确保我国粮食安全具有重要的意义.     

水稻育种行业创新进展

水稻是我国最重要的粮食作物,水稻等主要作物的持续稳定生产对保障我国粮食安全和农业可持续发展具有重大的现实和战略意义。近20年来,水稻分子生物学和分子设计育种方面均取得了一系列的重要研究进展,特别是重要功能基因的发现与利用,随着基因组学、计算生物学、系统生物学、合成生物学等新兴学科的发展,不仅为解析生物复杂性状的遗传调控网络带来了机遇,也为育种技术创新奠定了科学基础。本文简要综述与提高水稻产量有关的功能基因研究进展。     

赤霉素生物合成与信号传递对植物株高的调控

植物株高是影响作物产量和品质的重要农艺性状。赤霉素(Gibberellins,GAs)是调控植物株高的重要激素,GA相关株高基因的克隆与分子机制研究对于合理调控作物生长发育和农业生产具有极其重要的利用价值,在水稻、小麦等粮食作物育种中得到了广泛应用。为了促进GA在果树、花卉等园艺作物育种中的有效利用,文中在分子生物学水平上介绍GA生物合成和GA信号传递途径对植物株高的调控。     

油菜素甾醇调控水稻盐胁迫应答的作用研究

油菜素甾醇(BR)作为植物内源激素, 广泛参与植物的生长发育过程及逆境应答。虽然BR调控生长发育的分子机制目前已相对清楚, 但在水稻(Oryza sativa)中, BR在逆境反应中的功能还鲜有报道。该研究系统分析了BR在高盐胁迫过程中的作用, 表明盐胁迫和逆境激素脱落酸可抑制BR合成基因D2和D11的表达, 典型的BR缺陷突变体(如d2-2和d61-1)则表现出对盐胁迫敏感性增强。此外, 通过对BR核心转录因子OsBZR1的过表达株系进行分析, 发现BR可显著诱导OsBZR1的去磷酸化, 盐胁迫对OsBZR1蛋白的积累水平和磷酸化状态均有调控作用。转录组数据分析表明, BR处理前后差异表达基因中有38.4%同时受到盐胁迫调控, 其中91.5%受到BR和高盐一致调控, 并显著富集在应激反应过程中。研究结果表明, BR正调控水稻的耐盐性, 而盐胁迫通过抑制BR合成来限制水稻的生长。     

水稻分蘖氮响应调控机理研究进展

氮肥是作物产量增加最主要的驱动因素,然而氮肥滥用会造成生态环境的严重破坏。因此,提高作物氮素利用效率(nitrogen use efficiency,NUE)对未来农业可持续发展至关重要。产量性状对氮素的敏感性是衡量作物氮素利用效率的重要指标。禾本科作物的分蘖数、穗粒数和粒重是产量的直接决定因子,虽然影响三者本身的分子机制已有大量研究,但氮素对这些性状的调控机理仍知之甚少。分蘖数是对氮素响应最为敏感的性状之一,也是氮肥促进作物增产的关键要素。因此,研究氮素如何调控水稻的分蘖发育对于提高作物产量尤为重要。本文总结了水稻氮素利用效率的影响因素和分蘖发育的调控机理,聚焦氮素如何调控水稻分蘖发育的机制,并对该领域未来研究工作进行了展望,以期为作物氮高效精准改良提供参考。     

短柄草与麦类作物的比较基因组学研究进展

麦类作物是人类主要的食物来源,其遗传改良对于保障世界粮食生产具有重要作用。获得麦类作物的基因组和功能基因组信息是作物遗传育种学家解析种质资源高产及抗逆机理,并准确选择目标性状、实现分子设计育种目标的有效途径。目前,二穗短柄草（Brachypodium distachyum）是早熟禾亚科中唯一完成全基因组测序的植物。以二穗短柄草为模式植物,利用比较基因组学方法获得早熟禾亚科中基因组庞大而复杂的麦类作物的相关信息,必将加速麦类作物的遗传改良进程。本文重点介绍近十年来短柄草在麦类作物比较基因组学方面的研究进展。     

十字花科蔬菜抽薹开花性状的调控机理和分子育种研究进展

十字花科植物抽薹开花是植株由营养生长向生殖生长转变的关键时期,其相关性状涉及作物繁殖和产品器官形成,它们大都是由多基因控制的数量性状,并受到环境信号和内源因素多路径的调控。本文从十字花科蔬菜作物抽薹开花性状的分子标记和分子调控机理两方面进行综述,并就研究中存在的问题和发展方向进行了探讨,以期为全面阐明十字花科蔬菜抽薹开花机制提供综合信息和新线索,为蔬菜作物抽薹开花遗传改良和高产优质栽培提供理论依据。     

植物miRNA参与调控作物农艺性状的研究进展

植物microRNA (miRNA)是一类长度约为20～24 nt的内源非编码小RNA,它们通过在转录后水平调控靶基因的表达,在植物的生长发育、逆境响应和环境适应等过程中起着关键作用. miRNA对水稻、玉米、大豆等重要经济作物的农艺性状也起着重要的调控作用,在改良农作物性状上具有重大的应用潜能.本文重点介绍了参与作物农艺性状(如株型、花期、种子发育及抗逆等)调控的关键miRNA及其调控途径,同时总结了miRNA参与作物性状改良的主要研究方法和手段,并讨论了miRNA在作物性状改良应用中的前景.     

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。     

受油菜素内酯调控的水稻幼苗地上部膜蛋白的鉴定及功能分析

油菜素内酯(brassinosteroids,BRs)对水稻株高、叶夹角等重要农艺性状具有明显的调控作用,鉴定水稻中受BR调控的蛋白质对揭示BR调控水稻生长发育特定生化过程的潜在机制具有重要的意义。该研究以日本晴水稻(Oryza sativa L.ssp.japanica cv.Nipponbare)为研究材料,用明显影响水稻地上部生长的BR浓度处理,提取地上部膜蛋白,经双向电泳及质谱分析,鉴定到7个受BR调控的蛋白质:光系统II稳定因子HCF136、PMRP(putative membrane related protein,gi|113565516)、ATP synthase(gi|113611230)、gi|113594641、gi|22831029、gi|47497322和gi|56784135,对这些蛋白的功能鉴定可以为阐明BR调控水稻生长发育的机理提供新的思路和途径。其中功能未知的膜蛋白PMRP受BR下调,经亚细胞定位,PMRP定位在细胞质膜上,经生物信息学分析,PMRP具有磷脂酰胆碱结合位点,可能影响膜的组分进而参与水稻抗逆性调控;PMRP RNAi转基因拟南芥对冷害的抵抗能力增强,说明BR可通过调控PMRP的表达提高植物的抗冷性。     

植物嫁接愈合分子机制研究进展

嫁接能显著改良单一品种的产量、品质和抗逆等性状, 已广泛应用于农业生产。促进砧木和接穗在嫁接面的快速愈合有利于提高嫁接效率。目前对嫁接愈合调控机制尚了解不足, 因此短时间内难以进行有效的技术改良。嫁接愈合过程包括先后发生的创伤应激响应、愈伤组织形成、砧穗细胞通讯以及砧穗再生重连等生理事件, 均涉及复杂而交联的激素应答及基因调控模式。近年来, 相关领域的研究成果为综合解析嫁接愈合的调控机制奠定了基础。该文综述了在嫁接愈合过程中发挥核心作用的植物激素及其应答方式, 以及激素依赖或非依赖的基因表达调控模式, 以期为深入揭示嫁接愈合分子机制提供参考。     

水产动物重要经济性状相关功能基因的研究进展

随着基因组学技术的快速发展,已经在水产动物中鉴定出了大量的功能基因,并通过建立基因多态性与重要经济性状之间的关联,挖掘出了与经济性状连锁的优势等位基因和基因型。对基因资源的研究不仅有助于理解经济性状的分子调控机制,而且将为分子辅助育种提供理论指导和技术支持。综述了近年来水产动物重要经济性状相关基因的研究进展,以期为解析功能基因的分子调控机制和分子辅助育种提供基础理据和参考资料。     

水稻品质性状的遗传改良及其关键科学问题

改善稻米品质是水稻遗传改良及基础研究的重要目标。破解控制稻米重要品质性状形成的调控机制,对稻米品质改良和品种选育具有十分重要的意义。近十多年来,稻米品质功能基因组研究成果为其遗传改良提供了丰富的功能基因、有效的功能性分子标记及良好的改良策略。但是,稻米品质本身由多个性状构成,且各品质性状间、品质与产量性状间、品质与环境间均互相影响,极大地限制了稻米品质的遗传改良。因此,文中提出了未来水稻品质性状基础研究及遗传改良的六个关键科学问题。     

突破复杂性状多基因转化技术壁垒,首创胚乳花青素高积累的水稻新种质

随着转基因技术的日趋成熟,利用生物工程手段加快改良作物农艺性状,已经越来越显示出其巨大的应用潜力。在改良多基因调控的复杂农艺性状方面,单基因转化收效甚微,而长期以来多基因转化不仅受限于技术因素,而且在协调表达调控、代谢及修饰等一系列相关基因方面更是难于突破。近期,我国科学家首次利用自创的多基因垛叠表达系统,成功在水稻(Oryza sativa)胚乳中合成了具有抗氧化活性的花青素,在复杂性状多基因转化领域取得了突破性进展。     

作物抗旱相关性状的QTLs定位研究进展

提高作物品种的抗旱性、获得高产稳产是抗旱育种的最终目标。作物分子连锁图谱的构建及其它分子遗传学研究进展为改良作物抗旱性提供了新机遇。Ｔａｎｋｓｌｅｙ等[1]指出,通过ＲＦＬＰ或其他分子标记进行标记辅助选择,为难以测量的性状提供了一条重要的选择途径。通过对抗旱相关性状的数量性状位点(ＱＴＬｓ)的标记,就可以把复杂的性状作为一套单基因性状进行分析和选择。一旦找到紧密连锁的标记(1-5ｃＭ),就可以在育种工作中进行标记辅助选择[2]。分子标记使育种家无需测定表型就能够追踪调控抗旱性状的遗传位点,可免去多年多点的大量田间…     

水稻粒型调控相关信号通路的鉴定与解析

水稻是最重要的粮食作物之一，其产量对世界粮食安全影响巨大。提高水稻的产量是育种的永恒主题，也是解决全球人口迅速增长和耕地面积持续下降矛盾的迫切需求。水稻粒型是决定其单株产量的主要因素之一，是受多基因控制的能够稳定遗传的数量性状，由籽粒的粒长、粒宽和粒厚共同决定。籽粒大小由调控母体组织和合子的信号协同控制，与颖壳细胞的增殖和扩张、胚乳的生长发育密切相关。近年来，基于图位克隆和全基因组关联分析技术的发展，对粒型调控机制的的遗传研究逐步深入。大量粒型相关数量性状位点(quantitative trait locus, QTL)被确定，许多粒型相关基因被克隆并进行了功能解析，这些基因大多表现为一因多效，与其他粒型基因共同协调表达，进而构成调控网络。鉴定和解析水稻粒型调控的遗传和分子机制，能为水稻分子设计育种提供新的思路。本文从胚乳发育和颖壳发育视角，概述了水稻籽粒发育的基本过程，以及粒型相关QTL的研究现状，聚焦于近来取得较大进展的G蛋白信号通路、促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)级联、泛素-蛋白酶体途径以及miRNA相关通路在...     

水稻籽粒激素对产量和品质的调控效应研究进展

水稻籽粒激素含量甚微,却能有效调控产量与品质的形成。该文主要对近年来国内外有关水稻籽粒中激素(IAA、GA1+4、Z、ZR、iPA、ABA、ETH)含量在不同环境下的变化规律、各激素及其互作对水稻籽粒产量和品质性状的调控效应和调控机理进行综述,并讨论了该领域未来的研究重点和方向,为今后相关研究提供信息参考。     

水稻害虫化学生态调控研究进展

自然界中,在昆虫和植物种内与种间都存在着复杂的化学联系。开发利用生态系统中这些调控生物种内种间关系的生态功能分子,可望有效降低害虫的种群密度,从而减少化学农药的使用。本文根据目前国内外在利用生态功能分子调控水稻害虫方面的最新研究成果,分别就利用昆虫性信息素、水稻挥发物、非寄主植物提取物、化学激发子以及遗传改良水稻品种等在调控水稻害虫及其天敌中作用的研究进展进行了综述,并提出了今后的研究重点与方向。希望通过本文能促进化学生态调控技术在水稻害虫治理中的应用,以减轻水稻害虫治理对化学农药的依赖。     

水稻垩白性状遗传育种研究进展

水稻(Oryza sativa L.)垩白包括垩白率和垩白度,是重要的外观品质之一,对其他品质性状也有重要影响,阐明水稻垩白性状的遗传机制十分重要。近年来随着水稻功能基因组学和分子标记技术的发展,越来越多的垩白基因获得了克隆。本文综述了水稻垩白的评价指标、与其他品质性状的关系、遗传基础、垩白QTL定位和垩白基因克隆,并提出了借助显性核不育系进行轮回选择改良水稻垩白的分子育种策略,以期为水稻垩白性状的分子改良提供参考和借鉴。     

木薯分子育种中若干基本科学问题的思考与研究进展

木薯作为全球重要的薯类作物,既是热带地区粮食安全的保障,也是重要的淀粉工业原材料,保障其稳产、高产、优质一直是育种家不变的研究主题．当前,木薯品种选育正处在从杂交育种转向分子育种的发展阶段,深入解析木薯特有的经济性状和生物学特点是利用生物技术进行遗传改良的基础．不同于谷物类作物,木薯光合同化物的转运和库源分配的调控机制必有其独特之处;同时,储藏根的“库容”直接影响其产量．作为热带作物,了解木薯对低温和干旱的响应可为改良其抗逆境能力提供理论依据．不同于其他薯类作物,木薯储藏根特有的“采后生理性变质”问题亟待解决,其发生和调控机制的解析对延长木薯货架期意义重大．随着分子生物学的发展,针对上述各方面的研究日益深入,不仅激发了感兴趣的公众对这些问题的认知和思考,也激励了科研人员不断努力寻找解析相关机制的方法,为最终通过分子育种手段改良木薯提供思路和技术方案,揭开木薯的层层“面纱”,推动木薯分子育种的发展．