973項目申報書-主要糧食作物骨干親本遺傳效應和利用的基礎研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 骨干親本為基礎構建不同類型遺傳分析群體為材料，對骨干親本中與產量性狀密切相關的基因組區段、關鍵基因 和基因序列變異 /等位基因及其組合方式進行系統的功能分析，闡明其選擇與遺傳效應 ；重點解析 骨干親本的基礎 遺傳 圖譜 內的 基因組區段、關鍵基因 和基因序列變異 /等位基因 的育種效應 ；發掘對實現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。 一般配合力對骨干親本形成的作用及其遺傳基礎 以骨干親本與典型非骨干親本構建的測交群體或完全雙列雜交群體為材料，利用分子標記、轉錄組學等技術，以穗粒數、粒重等產量性狀形成為主體，定位與產量相關性狀一般配合力密切相關的基因組區段，研究相關產量性狀一般配合力的傳遞規律，探討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遺傳學基礎；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。 候選骨干親本的分子設計 在 解析 骨干親本的基礎 遺傳 圖譜和一般配合力遺傳的基礎上，輔助以計算機模擬，系 統分析骨干親本重要基因組區段、關鍵基因及其等位基因不同組合方式，在不同遺傳背景下對株型、產量三要素等目標性狀 的 遺傳效應與協調表達，建立候選 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。 候選骨干親本篩選、創制與利用 根據不同時期、不同生態區骨干親本遺傳構成特點， 結合骨干親本 基礎 遺傳 圖譜 以及 重要基因組區段、關鍵基因變異類型及其不同組合方式的遺傳效應 和分子設計模型，篩選、創制對未來 5～ 10 年 水稻、小麥、玉米等 主要糧食作物育種與生產具有重要促進作用的候選骨干 親本， 并通過育種實踐 予以驗證 ， 為創立骨干親本育種理論奠定基礎。 項目名稱： 植物免疫機制與作物抗病分子設計的重大基礎理論 首席科學家： 何祖華 中國科學院上海生命科學研究院 起止年限： 至 依托部門： 中國科學院 農業部 二、預期目標 （一）項目總體目標 深入闡明重要糧食作物的免疫機理、建立我國主要農作物重大病害抗病機制為模式的創新研究體系，結合我國轉基因新品種培育的重大戰略需求，建立作物抗病分子設計的理論與技術體系。 本項目 將系統分離并鑒定重要糧食作物水稻和麥類新的抗病基因（包括QTL）、病原菌致病因子的寄主靶標、模式植物擬南芥的重要調控基因及其在作物中的相應功能等，建立我國特色的分子植物病理學前沿理論研究模型，開辟植物免疫研究的國際前沿， 前瞻性地布局國際前沿的創新研究領域與技術體系 。在植物新的免疫機制、作物廣譜持久抗病的分子遺傳機制、作物重要腐生病（如紋枯病）的抗病性等方面獲得重大突破，并以此為基礎建立重要糧食作物抗病分子設計的重大基礎理論和技術體系。本項目將在農作物抗病性的基礎理論上做出創新性貢獻，為作物抗病育種提供具有自 主知識產權的新策略、新技術和基因資源。本項目的實施將在高水平研究論文發表、專利申請和優秀人才培養與團隊建設等方面做出重大貢獻，大幅提高我國的農業科學理論與技術水平，實現跨越式發展，顯著增強我國農業科學自主創新的能力，為國家 “轉基因新品種培育重大專項 ”的高效實施提供理論與技術體系的保障。 （二）五年預期目標 1. 建立水稻和麥類作物免疫研究的前沿體系 以水稻為代表的農作物 與擬南芥相比，它們的免疫分子機理既有相似性，但在抗病基因的結構和功能、對病原菌 PAMP 和 effector 識別應答及其調控網絡的結構等方面存在重要差 異，并存在 較多的技術障礙， 重要的研究體系也沒有很好建立。本項目將立足于領域前沿與國家需求，分別把水稻和小麥的重要抗病系統的研究進一步發展成為全面、成熟、具有國際前沿水平的植物抗病分子機理研究的模式體系；并初步建立對頑拗性腐生病原菌紋枯病（立枯絲核菌）和赤霉病（ 禾谷鐮孢） 免疫研究的技術平臺與重要的抗病相關基因資源， 全面揭示宿主農作物對 腐生性病原 侵染的應答網絡和免疫機制， 為分子植物病理學科的發展和作物抗病分子育種提供新的理論和途徑。 2. 深化植物免疫研究的模式和內容，開辟國際領先的研究新領域 本項目課題組在近幾年 已在擬南芥的 PTI 和 ETI， SAR，及其交互作用（ crosstalk）做出了系列的國際水平的研究成功，項目的實施將進一步建立合作團隊，凝練主攻方向，在 植物 ETI 的新機制、 ETIPTI 交互作用、新的 SAR 調控因子上建立國際領先的研究領域，獲得系列重要研究成果。 3. 創建植物免疫表觀遺傳調控研究新體系 目前植物免疫的表觀遺傳機制研究剛剛起步，若干重要問題亟待解決。本項目將 利用相關課題組已經建立的國際前沿植物 RNA 沉默及抗病毒分子機理的研究水平的基礎上，鑒定新的表觀遺傳因子與作用機制，系統研究 植物中 RNA 沉默介 導的表觀遺傳機制在植物免疫中的新的調控功能；建立重要作物病害如黃單胞菌（白葉枯病）對水稻 siRNA 的調控的全基因組網絡，闡明植物 miRNAs 是否通過調控 R 基因直接參與植物抗病反應，在新的層面上認識植物免疫的 RNA 沉默途徑的應答機制，建立創新的植物免疫研究理論與技術體系，在農作物抗病的理論和轉基因抗病新技術上取得新的突破 。 4. 剖析作物抗病性與產量性狀關聯的分子機制，建立學科交叉領域 以水稻抗病反應與發育的交互作用為模式系統，闡明水稻 SAR 基因 OsNPR1如何調控生長素發育途徑，從而調節水稻產量性狀的分子機制； 闡明 ET 發育途徑參與水稻稻瘟病抗性的分子機理；闡明以水稻病毒病（ RDV 和水 RBSDV)侵染植物導致植物矮化的分子機理 ， 為病毒防治尋找新的途徑；建立新的作物抗病與發育交叉研究領域，在學科創新上有持續的生命力。 5. 系統發掘作物重要抗病新基因，解析新的抗性機制 目前從水稻和小麥中克隆的抗病基因數量非常有限，極大部分抗病基因還未知。 這對于全面理解作物與病原菌的相互作用及抗病機制是主要的限制因素。尤其是對廣譜持久抗病性的分子機制基本上是空白。 此外，對于類似紋枯病這樣的水稻病害，其危害已越來越嚴重，但在水稻中迄今尚未 鑒定有重要抗性的基因位點。本項目將系統克隆 3050 個水稻抗病基因（尤其是廣譜持久抗病基因）、麥類 慢銹病抗病主效 QTL 等、以及重要的抗病調控基因，系統剖析這些新抗病基因的抗性機制，尤其將在克隆水稻廣譜抗病基因 ROD Pigm、小麥慢條銹苗期主效數量抗性基因 Yrq1及大麥慢葉銹成株期主效數量抗性基因 Rphq4的基礎上，確定其在免疫反應網絡中所承擔的功能，提出植物廣譜持久抗病性遺傳與分子機理的模型，也為接續的分子設計育種奠定基礎。 6. 創立并實踐作物抗病分子設計的基礎理論與技術體系 本項目將整合上述基礎理論和 基因資源，解決抗病分子設計育種的關鍵科學問題，包括：優異等位或同源抗病基因的開發、基因簇內復等位基因的重組和功能評價；新型抗病基因的分子設計和功能評價；抗病基因的聚合轉化 /轉育及其功能評價。 本項目將率先建立水稻和小麥抗病分子設計的實踐模型， 發展 23 種農作物抗病改良的新策略， 為廣泛開展作物抗病分子設計育種奠定理論與技術基礎。 通過科學的分子手段，結合傳統育種手段對農作物栽培品種進行遺傳改良，得到抗病性顯著改良和廣譜抗病的水稻、小麥等農作物的品系 710 個，獲得 23 個能夠抗水稻紋枯病、病毒病等疑難病害的農作 物品（株）系。 7. 創造系列高水平的研究成果，大幅提升我國在本領域的國際地位 在國內外核心刊物上發表研究論文 100 篇左右。其中，在國際一流學術期刊（ IF ）上發表論文 10－ 15 篇，申請發明專利 20－ 30 項， 授權專利 7－ 10個 ，主辦一次大型專業國際學術會議，大幅提升我國科研團隊在國際上的研究地位。 8. 全面推進優秀人才培養和創新團隊建設 依托項目實施， 進一步凝練我國在植物免疫和作物抗病分子領域的戰略目標， 培養一批具有科學創新精神和在專業領域具有較高國際顯示度的中青年學科帶頭人， 建設具有國際一流水平的研究 隊伍。培養博士后和研究生 150 名左右，為我國現代農業生物技術的發展奠定人才基礎。 三、研究方案 （一）總體學術思路 本項目緊密結合農業生物學學科前沿，并為保障我國糧食生產安全和 支撐 國家轉基因新品種培育 等 重大戰略需求，建立以我國主要農作物重大病害抗病機制為模式的創新研究體系。在研究思路上強調頂層設計與整合，以 “一線四點六面 ” 的格局組織項目的實施，即： 1 條主線， 4 個關鍵科學問題， 6 方面研究內容。 在具體研究體系上，針對重要的作物 病害體系包括水稻 和 麥類 病害 的新抗病基因和調控基因的克隆與功能機制，并整合與 創新模式植物擬南芥的前沿免疫研究體系。在技術路線上廣泛采用正向、反向遺傳學和表觀遺傳學，并結合生物信息學、蛋白 蛋白相互作用、蛋白組學、現代生物化學與細胞生物學等研究技術。 在目標集成上，剖析 作物對重要病原菌的識別機制與應答的信號網絡，研究作物廣譜與持久抗性尤其是數量性狀（ QTL）抗性的分子機制，分析與整合作物抗病性與產量性狀的互作途徑 ，并緊密結合作物遺傳育種 ，建立作物抗病分子設計的理論、應用基礎和共性技術體系。 （二）總體技術途徑 目前 ‘組學 ’和 ‘復雜性狀 ’的研究方法已貫穿到生物學研究的各個方面，根據總體研究目標和目前學科的發展趨勢，本項目將針對農作物與病原微生物相互作用過程中的關鍵環節，充分利用遺傳學和表觀遺傳、植物病理學、分子生物學、蛋白質相互作用、細胞生物學、生物化學等現代生物學研究手段，將植物 病原菌的功能基因組學、蛋白組學、轉錄組學和生物信息學等精密結合，以嚴密的設計和精準的實驗分析，解析和闡明植物免疫的細胞、生化與分子過程。因此，本項目將發展和利用以下相互交織的技術平臺： 1. 充分運用遺傳學與基因組學平臺，鑒定重要的抗病或免疫調控因子。利用作物抗病資源和大規模突變體篩選，定位克隆重要的抗病基 因（包括 QTL）和關鍵調控基因，分析抗病等位基因的結構與功能差異，并利用植物轉化和基因敲除（ knockout/knockdown）等驗證基因功能；利用蛋白質互作和蛋白組學等技術，鑒定重要的互作蛋白或靶蛋白等；利用表達組學結合基因功能分析，分離鑒定重要的免疫調節基因。 2. 建立表觀遺傳分析技術體系和遺傳資源，分析表觀遺傳機制對植物免疫的調控，鑒定有調控功能的 sRNA 及其靶標基因。 3. 利用生物信息分析平臺，對大規模植物和病原菌基因組數據庫進行序列分析 和基因挖掘鑒定重要的免疫 /抗病 調控因子、 響應因子和路徑節 點 等， 分析重要病原的致病性基因簇結構及其寄主靶標， 預測 抗病 蛋白 的結構和 互作 模式 ，并根據重要的免疫信號轉導途徑建立基因調控網絡。 4. 利用激光微切割技術結合基因芯片和生物信息學分析平臺，精確分離鑒定細胞特異和侵染早期的寄主響應基因，尤其是對腐生菌 (小麥赤霉病 )的抗病相關基因，建立防衛反應網絡。 5. 建立和利用細胞生物學和生物化學平臺，包括各種顯微觀察方法、標記與跟蹤技術、免疫共沉淀、體內外生化活性分析等技術，驗證重要的植物免疫細胞學過程，分離重要的活性小分子，抗病的激素途徑及其與產量性狀等的關聯。 6. 將分子遺傳、轉基因技術和作物育種學結合，進行抗病分子設計育種，選育廣譜抗病水稻和小麥品系，建立分子設計育種的理論與技術體系。 遺傳學途徑 表觀遺傳途徑 生化途徑 生物信息途徑 （注：本設計為技術流程的主要途徑，相互之間有交織） 作物抗病分子設計的理論 與技術體系 作物抗病資源 ,擬南芥突變體 基因定位克隆與功能分析 植物抗病機制與信號途徑 抗病育種分子標記與分子設計 抗病等位基因和功能分化 抗病 TGS 途徑 , sRNA 表達譜 miRNA,RdDM調控 R 基因 RNA 沉默 與水稻抗病性 水稻 sRNA 靶標與抗性途徑 植物新抗病理論與技術體系 蛋白互作 ,關鍵基因鑒定 致病因子新靶標與功能 免疫調控關鍵節點 激素途徑和產量性狀 抗病高產育種基礎理論 重要數據庫分 析與發掘 腐生菌侵染與表達譜分析 重要調控基因鑒定與分析 蛋白互作 的分子特征 與預測 重要免疫途徑基因調控網絡 主要農作物重大病害 抗病機制 為模式的 植物免疫 創新 研究體系 （三）創新性 與 特色 植物免疫與作物抗病性研究是國際植物生物學研究的前沿熱點領域，研究的問題復雜、涉及的學科范圍和技術方法廣、學科發展快、國際競爭大。 目前我國在這方面的研究與技術體系與歐美等國家相比，還 具有很大的的差距 。但是， 我國 在作物 應用基礎 研究 以及相關領域 人才隊伍建設方面具有 明顯 優勢 。本項目根據學科發展和本國農作物病害的特點，立足于創新、突出研究重點、發揮自身優勢，做出跨越式的