973項目申報書-牛奶重要營養品質形成與調控機理研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 功能的機理 ，揭示 LPS 等 影響肝臟物質代謝關鍵功能基因表達譜變化規律， 及其對 乳 成分 前體物重分配 影響的分子機理； 3. 揭示外源 調節因子 對乳腺上皮細胞乳脂肪前體物代謝、攝取、利用和分配的影響規律及其機制； 4. 確定參與乳脂肪和乳蛋白合成的第一基因組和第二基因組中主要功能基因 10 個； 5. 揭示不同 日糧模式下瘤胃、肝臟和乳腺 內 乳 成分 前體物生成與利用的協同關系 。繪制出乳脂肪和乳蛋白合成的關鍵代謝調控網絡，建立干預乳脂肪和乳蛋白合成的關鍵代謝網絡調控通路的技術途徑； 建立典型日糧條件下 牛奶乳脂肪和乳蛋白的特征圖譜，獲得具有 明 確干預效果的日糧模式 1～ 2 種，形成瘤胃“穩態”調控技術 1 項； 6. 發表 SCI 收錄論文 20～ 25篇，培養研究生 25～ 30 名，申報專利 2～ 3 項。 研究內容 預期目標 第 四 年 1. 研究瘤胃細菌、真菌和原蟲在乳成分前體物生成過程中的互作 ；日糧因素影響瘤胃上皮和小腸 吸收 乳成分前體物的 機理 ； 2. LPS 等對肝臟物質代謝關鍵功能基因與免疫相關細胞因子基因表達譜式發生變化的細胞重編程 的影響，分析肝臟免疫與代謝功能的相互關系，及其對肝臟免疫功能和營養重分配的影響； 揭示 LPS 等異常代謝產物對肝臟內乳 成分 前體物重分配 和乳腺乳成分合成 “重編程”的 分子機制； 3. 研究肝臟物質代謝功能基因與免疫相關細胞因子基因表達譜式建立和維持的細胞編程規律；乳成分前體物的組成模式對乳腺 功能 基因、乳蛋白轉運載體表達量的影響，探討其調控機制；確定激素、生長因子、植物生物活性物質等外源信號干預基因組表達后乳成分前體物需求的變化 ； 4. 研究不同日糧模式下關鍵代謝物質與神經內分泌系統的互作關系，構建基于信號轉導通路的關鍵物質與神 經內分泌網絡互作的整合分析系統；建立應用生物活性物質改善乳脂肪和乳蛋白合成的調控方法；確定牛奶中乳蛋白、乳脂肪的特征組成及其比例 。 1. 闡明乳成分前體物在消化道內的吸收機制 及 日糧影響瘤胃VFA 的吸收機理，探明日糧長鏈脂肪酸在瘤胃的氫化效率及其影響機制，揭示 瘤胃微生物在乳成分前體物 生成 中的調節 作用 ； 2. 闡明肝臟物質代謝功能基因與免疫相關細胞因子基因表達譜式和細胞編程規律 ， 揭示肝臟內乳脂肪和乳蛋白前體物重分配的細胞“重編程”分子機制； 3. 提出脂肪酸和氨基酸等乳成分前體物 發揮最佳協同作用的平衡模式， 確定乳成分前 體 物與乳腺 功能基因的互作關系； 4. 揭 示乳脂肪和乳蛋白功能合成基因（組）高效表達的營養需要和調控途徑； 5. 闡明乳脂肪和乳蛋白特征圖譜變化規律， 建立具有中國飼料資源特色的改善牛奶重要營養品質的系統整合理論 ； 6. 發表 SCI 收錄論文 26～ 30 篇；培養研究生 30～ 35 名，申報專利 3～ 4 項。 研究內容 預期目標 第 五 年 1. 日糧組成以及飼料添加物對瘤胃發酵類型、微生物菌群結構、數量與功能的影響； 2. 分析功能基因的甲基化水平，研究瘤胃代謝異常產物影響肝臟 和乳腺 細胞重編程的表觀遺傳機理；瘤胃上皮對 LPS 等異常代謝產物適應機制及其瘤胃內 LPS 等代謝異常 產物生成的控制； 3. 分析預測第一基因組與第二基因組在乳脂肪和乳蛋白合成中的關聯性 ， 通過不同日糧模式奶牛試驗篩選驗證具有 關聯 作用功能基因（組） ； 4. 探討實現“前體物質最大化，異常物質最小化、活性物質高效化”三種模式的條件，優化乳成分前體物的形成與利用，研究提高乳脂肪和乳蛋白合成的營養調控方法；分析乳脂肪和乳蛋白特征圖譜對日糧變化的響應關系，研究評價牛奶營養品質特征的基礎方法。 1. 鑒定參與乳脂肪、乳蛋白前體物生成的關鍵菌群 1?2 個； 獲得 兩個基因組 中具有關聯性的功能基因 3～ 5 個 ； 2. 建立消化道內乳脂肪和乳蛋白前體物生成的優 化模式；揭示維護瘤胃上皮結構和功能完整性的途徑和機理，形成控制代謝異常產物的瘤胃健康模式； 3. 揭示引起肝臟內參與乳脂肪和乳蛋白前體物轉化與分配的功能基因差異表達的表觀遺傳機理； 闡明 乳腺乳成分和 LPS 等異常代謝產物對乳腺乳成分前體物的攝取、利用及其調節機理； 4. 建立干預乳脂肪和乳蛋白合成的關鍵代謝網絡調控通路的技術途徑，試驗驗證使乳脂肪和乳蛋 白 含 量分 別 達到 % 和%；建立評價牛奶營養品質特征的方法； 5. 發表 SCI 收錄論文 35～ 38篇，培養研究生 15～ 18 名，申報專利 3～ 5 項， 出版專著 3～ 5 部 ，培養學術帶頭人 10～ 15 名。 一、研究內容 （一） 擬解決的關鍵科學問題 乳成分前體物是 日糧營養物質通過奶牛機體轉化為乳脂肪和乳蛋白的物質基礎，其 生成與利用是形成牛奶營養品質的關鍵。立足我國 不同產地的 飼料資源，揭示不同日糧模式下乳成分前體物的生成 過程、分配機制、利用途徑及其神經內分泌調節，代謝 異常產物的產生及其控制機制，對瘤胃、肝臟、乳腺代謝的影響及其分子機理， 闡明乳脂肪和乳蛋白合成的機制及代謝調控網絡，解析我國當前牛奶品質低下的原因，建立干預關鍵網絡調控通路的有效技術途徑，為改善牛奶品質提供基礎理論和技術指導。這已成為 提高牛奶質量亟待解決的重大科學問題。 （二） 主要內容 立足我國 不同產地的 飼料資源，針對大規模、中等規模和農戶養殖 3 種主要生產方式，以健康經產奶牛為試驗動物， 研究比較不同日糧結構（粗料型、精料型和混合型）和營養水平（高、中、低） 組成的日糧模式下 ， 奶牛合成乳脂肪和乳蛋白 的差異及其 調控機理 ， 重點從以下幾個方面開展研究： 1. 乳成分前體物的 生 成與利用規律及調節機制 以我國當前奶牛生產實際和飼料資源為基礎，比較研究不同日糧模式下主要營養物質（含氮物質、碳水化合物、脂類）在消化道（瘤胃和小腸）和肝臟內 生成乳成分前體物的 規律，以及 乳腺對乳成分前體物攝取利用 的 機理和效率，研究乳成分前體物 生 成與利用的 神經 內分泌調節機制 ， 建立乳成分前體物組成的理想模式 。 2. 代謝異常產物 的產生及其對 瘤胃、肝臟、乳腺代謝的影響 研究 代謝異常產物 的產生條件，代謝異常產物 對乳脂肪和乳蛋白合成的影響及其 引起 肝臟、乳腺細胞 “ 重編程 ” 機理， 建立代謝異常產物的控制途徑。 3．乳脂肪和乳蛋白合成相關功能基因（組） 的 篩選及其 與 營養 素 互作關系 從奶牛 乳腺 （第一基因組）和消化道微生物（第二基因組）篩選參與乳脂肪和乳蛋白合成的功能基因（組），研究乳成分前體物及代 謝產物與功能基因的互作關系及其信號轉導通路，探索第一基因組和第二基因組在乳脂肪和乳蛋白合成中的 關聯性 、相關功能基因（組）的作用以及營養調控機理。 4． 改善乳脂肪和乳蛋白含量與組成的系統整合理論和關鍵調控途徑 以整合生理學為指導，分析乳脂肪和乳蛋白組成的特征圖譜及其與乳成分前體物的關聯度，研究乳脂肪和乳蛋白合成過程中瘤胃、肝臟和乳腺的協同作用及其神經內分泌調節機制，解析乳成分前體物 生 成與利用的關 鍵代謝網絡調控通路 ，建立日糧中營養素及生物活性物質調控乳脂肪和乳蛋白合成的關鍵途徑，為定向調控乳脂肪和乳蛋白含量，優 化乳脂肪和乳蛋白的組成 及 改善牛奶品質提供理論依據和技術途徑。 項目名稱： 主要糧食作物骨干親本遺傳效應和利用的基礎研究 首席科學家： 李立會 中國農業科學院作物科學研究所 起止年限： 至 依托部門： 農業部 二、預期目標 （一）總體目標 針對骨干親本在育種實踐中作用突出以及新時期育種目標的需求，在我們通過前一個 973 項目的研究，已基本明確了骨干親本第一個關鍵科學問題 “遺傳構成 ”的基礎上，本項目圍繞骨干親本的第二個關鍵科學問題 “遺傳 與利用 效應 ”，以水稻、小麥、玉米等主要糧食骨干親本親本及其衍生的大面積推廣品種為基本研究材料，應用表型組學、基因組學、作物育種學、生物信息學等學科的理論和方法，闡明不同時期、不同生態區的水稻、小麥、玉米骨干親本中重要基因組區段 /基因簇 /基因 /等位基因的演變趨勢，構建水稻、小麥、玉米骨干親本 的 基礎 遺傳 圖譜 ，為基于全基因組分子設計育種提供依據； 闡明水稻、小麥、玉米骨干親本的基礎 遺傳 圖譜的遺傳與 育種 效應；發掘對實現水稻、小麥、玉米未來育種目標具有重要價值的 關鍵 基因組區段 /基因簇 /基因 /等位基因 ； 闡明水稻、玉米 的穗粒數、粒重等產量性狀一般配合力的遺傳學基礎，并揭示一般配合力對骨干親本形成的作用以及骨干親本能夠衍生出大量主栽品種的生物學基礎 ；闡明控制一般配合力基因組區段與 骨干親本的基礎 遺傳 圖譜 的關系；建立 水稻、小麥、玉米 候選骨干親本選育以及最佳親本組配的分子設計模型 ；提出綜合評估候選骨干親本和改良現有骨干親本的技術方法，指導并提高親本組配和育種效率 ； 篩選、創制對未來 5～ 10 年水稻、小麥、玉米等糧食作物育種具有重要促進作用的候選骨干親本，并通過育種實踐 驗證 ，為創立骨干親本育種理論、培育新時期需求的新品種提供理論和物質 支撐。 通過該項目的實施，將進一步強化我國在農作物骨干親本基礎理論和應用研究方面的原始創新，并通過創建圍繞農作物骨干親本的新的育種理論與技術體系，以及創造的符合新時期育種目標需求的候選骨干親本的應用，繼續提高我國在雜交稻等作物育種領域的國際領先地位，最終為我國的糧食安全提供科學保障與技術和物質支撐。 （二）五年預期目標 闡明不同時期、不同生態區的 水稻、小麥、玉米共 40~50 個 骨干親本中重要基因組區段 /基因簇 /基因 /等位基因的演變趨勢，構建 水稻、小麥、玉米 骨干親本 的 基礎 遺傳 圖譜各 1 個 ， 為基于全基因組分子設 計育種提供依據 。 闡明 水稻、小麥、玉米 骨干親本的基礎 遺傳 圖譜的遺傳與 育種 效應； 分析重要基因 和基因序列變異 15~20 個， 闡明 5~8 個 基因 /等位基因的功能 ； 發掘對實現 水稻、小麥、玉米 未來育種目標具有重要價值的 關鍵 基因組區段 /基因簇 /基因 各 2~3 個 。 闡明水稻、玉米 的穗粒數、粒重等產量性狀一般配合力的遺傳學基礎，并揭示一般配合力對骨干親本形成的作用以及骨干親本能夠衍生出大量主栽品種的生物學基礎 ；闡明控制一般配合力基因組區段與 骨干親本的基礎 遺傳 圖譜 的關系 。 建立 水稻、小麥、玉米 候選 骨干親本 選育以及 最佳親 本組配的分子設計模型 ；提出綜合評估候選骨干親本和改良現有骨干親本的技術方法，指導并提高親本組配和育種效率。 篩選、創制對未來 5～ 10 年 水稻、小麥、玉米 等糧食作物育種具有重要促進作用的候選骨干親本 6~8 個，并通過育種實踐 驗證 ，為創立骨干親本育種理論奠定基礎。 培養博士研究生 30～ 40 名，碩士研究生 50～ 60 名。 發表 SCI 論文 50～ 60 篇（累計影響因子 150 以上）；申請 專利 9~10 項。 三、研究方案 （一）學術思路 為了進一步強化我國在農作物基礎理論和應用研究方面的原始創新，針對作物遺傳育種基 礎研究中的關鍵問題之一，骨干親本在育種中效果顯著但其形成與利用的遺傳基礎不明的客觀現實，以水稻、小麥、玉米等主要糧食作物骨干親本及其衍生的大面積推廣品種系譜分析為出發點，在已解決了骨干親本的第一個關鍵科學問題 “遺傳構成 ”的工作基礎上，綜合利用表型組學、基因組學、作物育種學、生物信息學等學科的理論與技術，從骨干親本重要基因組區段 /基因簇 /基