1简介
保障国家粮食安全是关系我国国民经济发展和社会稳定的重大战略问题。常规育种面临育种周期长、效率低、遗传背景狭窄等瓶颈,难以培育出产量突破性新品种。因此,育种理论与技术创新是现代种业发展的迫切需求。由中国科学院遗传发育生物学研究所傅向东研究员牵头申报的国家重点研发计划“主要农作物产量性状形成的分子基础”项目获得科技部立项支持,通过利用水稻、小麦、玉米、大豆等主要农作物的野生种、农家种、主栽品种和优异种质材料,试图解析产量性状形成的分子基础,从“增源–扩库–畅流”三个层面上发掘优异等位基因,在当前主栽品种中聚合优异等位基因,创制产量突破性新材料。为分子设计育种技术体系创新提供理论和技术支撑。
2研究背景
“国以民为本,民以食为天”。我国是农业大国,也是世界人口第一大国,在经济全球化背景下,我国粮食安全长期面临多种刚性制约以及激烈的市场竞争等多重压力。预计到2030年,我国人口将达到16.5亿,粮食缺口1.4亿吨。为满足国人吃饱吃好的小康需求,我国粮食单产需从目前每亩344公斤提高到430公斤,需增加25%。在有效耕地面积难以增加的情况下,提高单产是保障我国粮食自给自足的必由之路。“农以种为先”,优良品种是农业增产的核心要素,是种子产业发展的命脉。联合国粮农组织(FAO)研究表明:国际粮食总产增长的80%依赖于单产水平提高,而单产提高的60%~80%来源于良种的贡献。多年来,育种家们通过常规育种方法培育了大量高产品种,为解决13亿人口吃饭问题做出了巨大贡献。我国粮食总产量已跃居世界首位,农业生产水平有了大幅度提高。但是近十年来,我国主要粮食作物如水稻、小麦、玉米等单产的提高呈现停滞不前的局面,这与传统育种手段改良产量潜力已经基本得以挖掘有很大关系。在传统的植物遗传育种实践中,研究人员一般通过植物种内的有性杂交进行农艺性状的转移与改良,然而,随着品种间遗传多样性逐步降低,常规育种瓶颈效应愈来愈明显,利用现有育种技术已经很难育成产量突破性提升的新品种。而且,常规育种存在育种周期长、遗传改良实践效率偏低等缺陷。因此,育种理论与技术创新是现代种业发展的迫切需求。2003年,比利时科研人员Peleman和vanderVoort提出了分子设计育种的技术体系(Peleman和vanderVoort2003)。根据预先设定的育种目标,选择合适的设计元件,利用分子标记跟踪完成多基因组装育种,既缩短了育种周期,又增加了遗传多样性,因此,分子设计育种具有常规育种无可比拟的优点,目前已经成为引领国际作物遗传改良的最先进技术。目前我国已经完成水稻、小麦、玉米、大豆、棉花、油菜、黄瓜等大概70%~80%重要作物基因组测序及其种质重测序工作,作物基因组学研究水平已走在国际前列。近年来,在控制作物产量性状的优异等位基因发掘和功能研究领域也取得了明显的进展。另外,水稻、小麦、玉米等全基因组育种芯片的成功研发,也为我国开展品种分子设计育种提供了技术支撑。但是,产量性状形成的分子基础研究还局限于单个基因功能研究,基因与基因、基因与环境之间互作网络研究还非常少;基因克隆与育种应用严重脱节,导致种质资源中优异等位基因挖掘力度不够。要突破现有品种产量瓶颈问题,还需要更加深入地研究主要农作物产量性状形成的分子调控网络,尤其是发掘和利用更多更好的高产优异等位基因。2016年初,科技部启动实施“七大农作物育种”试点专项。专项依据总体目标部署五大任务，即优异种质资源鉴定与利用、主要农作物基因组学研究、育种技术与材料创新、重大品种选育、良种繁育与种子加工。本项目聚集国内作物分子生物学和遗传育种研究领域的优势力量,围绕种业科技创新链,解析水稻、小麦、玉米、大豆等主要农作物高产性状形成的遗传调控网络,发掘和利用优异等位基因,创制产量突破性新材料,为分子设计育种技术体系创新提供理论和技术支撑。
3项目主要内容
根据目前我国不同作物结构基因组学和功能基因组学研究基础存在差异这一客观事实,按“有所为、有所不为”的指导思想,发挥水稻引领作用,开展“基因克隆–网络解析–等位变异–基因聚合–性状改良–品种培育”相互衔接、综合集成一体化研究,实现“基因克隆”到“品种培育”无缝对接,推动其他作物高产优异等位基因发掘和利用。根据项目研究目标和任务,设置六个课题:(1)增加籽粒数的分子调控机制,(2)增加粒重的遗传基础及其调控网络,(3)作物高产株型的遗传调控网络,(4)作物密植高产性状形成的分子基础,(5)提高光合作用和同化物分配的分子机制,(6)高产优异等位变异聚合和新品种创制。具体研究内容如下:课题1:增加籽粒数的分子调控机制。在产量构成三要素中,籽粒数变异系数最大且对产量贡献也最大,提高籽粒数一直是高产育种的主要目标。利用水稻、小麦和大豆等主要农作物的野生种、农家种、主栽品种和优异种质材料,解析增加籽粒数的关键基因及其调控网络,挖掘优异等位基因,导入主栽品种,评价增产效应,创制高产新材料,并应用于育种。课题2:增加粒重的遗传基础及其调控网络。小麦和水稻品种演变分析结果表明,增加粒重是当前高产育种的有效途径之一。针对小麦和水稻主产区超高产育种的需求,利用小麦、水稻等主要农作物的野生种、农家种、主栽品种和优异种质材料,克隆控制粒重关键基因及其调控元件,挖掘优异等位基因,导入主栽品种,评价增产效应,创制高产新材料,并应用于育种。课题3:高产株型的遗传调控网络。株型是影响光能利用效率和群体产量的重要因素。利用水稻、小麦等优异种质材料,克隆控制分蘖数、分蘖角度、叶夹角和株高等株型性状的关键基因,解析高产株型形成的分子机制,发掘有利于理想株型塑造和产量提升的优异等位基因,导入主栽品种,评价增产效应,创制高产新材料,并应用于育种。课题4:作物密植高产性状形成的分子基础。增加种植密度是提高玉米等主要农作物产量提升的关键措施之一,但密植易造成倒伏、空杆、穗粒数下降等系列问题。针对制约玉米密植高产的限制因素,利用玉米关联分析群体、MAGIC群体和染色体代换系等群体,采用连锁分析、全基因组关联分析策略,克隆密植条件下(5000株•亩-1以上)提高玉米群体产量的关键基因并解析其调控网络,发掘优异等位基因,导入主栽品种,评价增产效应,创制高产新材料,并应用于育种。课题5:提高光合作用和同化物分配的分子机制。光合作用是作物产量形成的物质基础,克隆调控光合作用效率、同化产物分配、衰老等性状的关键基因及调控元件,解析基因互作网络,揭示提高光合作用与同化物分配的分子基础,发掘优异等位基因,导入主栽品种,提高主要农作物光能利用效率、协调“源–库–流”,评价增产效应,创制高产新材料,并应用于育种。课题6:高产优异等位变异聚合和新品种创制。根据当前不同生态区主栽品种基因组序列,分析已知高产优异等位基因利用情况,在此基础上,挖掘更多的高产优异等位基因,评价优异等位基因聚合的增产效应,探索不同生态区优异等位基因聚合的最佳设计,创制产量突破性新材料,为品种分子设计提供技术支撑。
4项目目标
本项目针对主要农作物基因组学研究任务方向的“主要农作物产量性状形成的分子基础”,利用水稻、小麦、玉米、大豆等主要农作物的野生种、农家种、主栽品种和优异种质材料,发掘一批增加有效穗、增加籽粒数、增加粒重、高产新株型、密植高产、光能高效利用等的优异等位基因,揭示高产性状形成的遗传调控网络,获得具有重大育种利用价值的新基因,在当前主栽品种中,评价单个和多个优异等位基因聚合的增产效应,创制一批设计型的产量突破性新材料,并应用于育种,突破我国水稻、小麦、玉米、大豆等主要农作物产量提升面临的瓶颈,推动我国战略性农作物生物育种产业的快速发展,增强国际竞争力。
作者：刘倩 傅向东 单位：中国科学院遗传与发育生物学研究所
