动植物基因资源发掘与分子育种

“985 工程”创新平台研究方向项目建议书研究方向名称：研究方向名称：种种质创质创新与分子育种新与分子育种项目名称：项目名称：动动植物基因植物基因资资源源发发掘与分子育种掘与分子育种建议单位：建议单位：农业农业与生物技与生物技术术学院、学院、动动科科学学院科科学学院建议日期：建议日期：2005 年年 9 月月 10 日日一、项目的立项依据1、项目的意义项目的意义在生命科学领域，随着人类、果蝇、拟南芥和水稻等模式生物基因组计划的顺利实施 和测序完成，大量的基因编码序列已经呈现在人们面前，其中只有一小部分的功能是已知 的。面对这样一个打开的基因宝库，如何深入地探索和解析这些基因的生物学功能是摆在 当今各国生物学科技工作者面前的一项首要任务。基因资源不仅是人类社会的衣食 之源，是现代农业科技创新的物质基础和持续发展的保障，而且还是生物技 术原始创新和获得知识产权、专利的重要来源。全球范围内对生物基因资源 及其知识产权的争夺已进入白热化阶段，谁掌握了基因，谁就掌握了未来竞 争的主动权。 我国人口基数大，人口的刚性增长带来了对农产品需求总量的持续增长。据测算，今 后 30 年内，我国需要粮食生产能力提高 1.52 亿吨，粮食单产以年均 1.4以上的速度 递增，即到 2030 年单产水平要比目前提高 6080。这一目标为作物育种提出了前所 未有的挑战，而常规育种技术是难以应对这一挑战的，只有把分子育种与常规育种技术紧 密结合，实现育种技术的重大突破，才能有效地为我国粮食安全提供最基本、最有力的技 术和品种保障，为农业生产和农产品市场的不同需求提供突破性品种。 我国具有 5000 多年的养蚕历史。蚕丝业不仅在历史上一直与农并列，为中华民族经 济的发展做出了巨大贡献，而且对民族文化的传播和弘扬也起了极为重要的作用。目前我 国丝绸工业年总产值达 1050 亿元，占纺织工业总产值的 10%以上；茧丝产量和出口量分别 占世界总额的 70%和 80%以上，年创汇超过 50 亿美元，是在国际市场上处于绝对优势的特 色产业。特别是近年来我国丝绸行业产值和出口创汇的大幅度上升，预示着蚕丝产业发展 的良好前景。 本项目正是针对上述这些直接关系到我国国计民生的重大科技问题而且也是当前农业 科技发展的前沿提出来的，不仅具有十分重要的理论意义，而且具有非常重要的实际意义。2、国内外研究现状分析国内外研究现状分析现代农业动植物的育种目标是为农业与环境的协调、可持续发展提供优质、超高产、 抗逆、高效利用环境资源的新型种质资源和品种。农业动植物重要的经济性状都是多基因 控制的复杂性状，其表现受多基因复杂体系和环境条件的共同作用。目前采用的经典育种 手段，可以有效地改良受单基因或寡基因控制的简单性状（如矮秆等） ，但是尚不能有效 地综合改良复杂农艺性状。 随着分子生物学和生态学与农业科学的交叉,农业科学的研究已从动植物的个体水平 不断向微观和宏观延伸；生物技术、信息技术等新方法与农业科学常规方法的结合，使农 业科学的研究手段日益更新和完善。从多学科、多层次探讨农业动植物丰富基因资源及其 遗传表现，研究基因网络体系及其与环境的相互作用正成为现代遗传学和动植物育种改良 的研究热点。基因组学和生物信息学对高通量基因表达信息的分析和调控技术，为解决农 业动植物生长发育与环境协同发展的复杂性提供了可能。 为了有效地改良多基因控制的复杂农艺性状，国内外正在广泛深入地开展复杂性状的 遗传机理研究。复杂性状的遗传本质是，控制复杂性状的基因的作用并不是独立的，而是 相互作用（上位性）形成复杂的基因调控网络，而这种基因网络的状态又会随环境条件的变化而不断调整（存在基因型与环境的互作） 。上世纪 90 年代，随着分子标记技术的发展， 有关数量性状基因座位（QTL）的定位方法已能将控制数量性状的众多主效基因定位在相 应的连锁图上。同时，利用 QTL 与分子标记的连锁关系，研究者试图通过分子标记辅助选 择改良遗传群体。传统育种技术与现代生物技术的交融，正在从深度与广度上推进动植物 育种科学的发展。目前以分子育种技术为方法和手段的高新技术育种正在成为动植物育种 的发展趋势和方向。 我国具有丰富的动植物遗传资源，但品种改良中所利用的遗传资源和生产中大量使用 的品种还有不少要依赖于国外引进。我国农作物分子育种在发展中国家中处于领先水平， 但离国际先进水平还有一定差距。其中突出的问题是拥有自主知识产权的重要性状的分子 标记和有重大利用价值的功能基因较少，分子育种与常规育种技术有机结合不够，缺乏品 质、产量、抗性协调改良的基础理论和高效育种技术，缺少大规模、高效率的国家级分子 育种技术平台。因此，建立我国的大规模新基因发掘和分子标记开发技术体系，发掘与标 记主要农作物重要农艺性状新基因，构建主要农作物分子育种信息网络，研究基于功能基 因信息的作物品种分子设计理论和方法，突破主要农作物、蚕、桑分子育种理论和技术瓶 颈，创造具有重大应用价值的新种质，培育优质、超高产、多抗性的动植物新品种，提升 我国种业的国际竞争力，已成为农业动植物育种领域亟待解决的重大国计民生课题。二、项目的研究内容、研究目标1项目的研究内容项目的研究内容1.11.1 重要基因资源的发掘与功能鉴定重要基因资源的发掘与功能鉴定1.1.1 应用基因组学、蛋白组学、代谢组学和生物信息学、分子生物学等研究手段， 针对一些重要的农艺性状（如抗病虫性、抗逆性、品质、产量等） ，大规模地鉴 定和分离重要动植物和微生物基因及其表达调控因子和元件，揭示其分子与环 境调控机理，弄清其信号传导与响应过程，为选育高产、优质、高效和抗逆性 强的转基因动植物新品系奠定物质基础； 1.1.2 利用模式植物、家蚕全基因组测序成果和反向遗传学原理，通过各种人工突变 体库（包括插入突变、理化诱变和基因定向打靶修饰）的建立，深入探索和研 究作物重要农艺性状的功能基因组、蛋白组和代谢组，确立基因之间的相互关 联，从全基因组及多基因网络水平上探索农作物生长发育的规律及产量、品质、 抗逆性等重要农艺性状的形成的分子机理； 1.1.3 建立高通量、低成本的分子标记与基因鉴定技术，运用用获得的 EST 以及功能 基因序列，开发以 SNP 和插入确实多态性(InDel)为代表的新型分子标记，特别 是开发一些重要功能基因的特殊等位变异的标记； 1.1.4 结合功能基因组研究，发展和建立高效的基因发掘、操作、转化和定向打靶修 饰等共用型生物技术平台，实现作物基础研究和育种技术的全面提升，并通过 技术集成，形成作物“系统生物学”研究体系； 1.1.5 发展高效率并与育种紧密结合的优异基因（QTL）定位技术。通过共同受体多代 回交的方法，应用分子标记技术，在水稻、棉花等重要农作物中，对核心种质 资源进行大规模的优异基因（QTL）定位，同时，在发展高通量、低成本的分子 标记开发技术基础上，利用模式植物、家蚕全基因组测序成果，大规模开发通 用型、实用型分子标记，为分子标记辅助育种提供物质和技术基础。1.21.2 分子设计与虚拟育种分子设计与虚拟育种1.2.1 收集、分析、整合水稻、小麦、玉米、棉花、油菜、蔬菜、蚕、桑等主要农作 物及模式植物 DNA 和蛋白质的相关数据，并通过软件开发，建立包括基因组、 基因、蛋白质、QTL、分子标记、种质资源等综合生物信息数据库和大规模的集 成性 DNA 和蛋白质遗传信息数据收集与处理系统，为快速、准确的基因鉴定、 标记、定位和分离提供序列信息及其它高通量生物信息； 1.2.2 针对形态、产量、品质等复杂数量性状，发展动植物多基因复杂性状分析的遗 传模型包括基因网络遗传模型，研制复杂性状基因定位和基因及蛋白质表达谱 分析的计算机软件系统，创建新的计算生物学分析平台； 1.2.3 针对水稻、棉花、油菜、大豆、蔬菜、瓜、果、蚕、桑等重要农业动植物，应 用生物信息学技术建立和开发计算机分子模拟育种创新技术体系和“数字作物” 模型，为实施分子育种的方案设计和决策（如亲本选配、研究方案制定等）提 供理论指导。1.31.3 种质资源改良与创新种质资源改良与创新1.3.11.3.1 以动植物重要农艺性状基因的克隆为基础，以新种质创造和新品种选育为目标， 通过上游各种“组学”及生物信息学等基础研究、中游分子标记辅助选择技术、 基因转化与定向打靶修饰技术和下游大田评估和选育技术的集成，形成作物 “分子品种设计、研制、开发与利用”的研发体系，大规模培育能适应现代农 业与环境可持续发展要求的作物新品系，实现既高产、优质、抗逆又符合“基 本不打农药、大量少施化肥、节水耐旱”的绿色农业标准； 1.3.2以有性杂交、人工多倍体进化育种和单倍体、非整倍体和植物远缘渐渗杂交技 术为基本手段，结合细胞学工程、染色体工程和组织培养及快繁技术，大规模 创建可用于现代分子育种计划的作物核心种质和人工种子，培育与环境友好、 适应性广的优质、超高产新品种或新品系； 1.3.3 大规模开展与作物杂种优势利用密切相关的各项新技术研究，如以抗感除草剂 基因和白化苗突变基因为标记的作物杂种优势利用去杂保纯新技术；以花药组 织特异表达的反义 RNA 或 RNAi 抑制技术为先导的化学杀雄技术，以及基于基因 工程原理的人工三系开发技术等等；通过这些新技术体系的研究，全面提升我 国杂种优势利用的科技水平。1.4 种质资源材料平台1.4.1水稻、棉花、玉米和大豆（自然和人工）突变体库。 收集分布于我国各育种单 位的水稻、棉花、玉米和大豆（自然和人工）突变体，建立相应的突变体指纹 图谱数据库； 1.4.2杨梅和南方砂梨种质资源分圃。收集分布于我国及东亚国家的砂梨野生、半野 生、品种及砂梨的野生近缘种；收集杨梅重要类型资源；建立相应的品种指纹 图谱库； 1.4.3桑树种质资源分圃。收集分布于长江流域的主要桑树品种资源；建立相应的品 种指纹图谱库； 1.4.4 茶树种质资源分圃。收集分具有区域特色的茶树品种，特别是低咖啡因、高儿 茶素茶树种质资源；建立相应的品种指纹图谱库；1.4.5 真菌及微生物种质资源库。收集具有各种营养价值生物活性成分的真菌和微生 物小种，建立相应的小种指纹图谱数据库。2项目的研究目标项目的研究目标2.1 以我校业已鉴定出的由单碱基缺失突变引起的苯达松和磺酰脲敏感致死突变体的修 复后可筛选特性，来发展和建立一种以双 RCOs 介导的基因打靶定向共修饰技术为基 础的农业生物基因高效发掘平台技术体系，并首先应用于研究植物细胞色素 P450 酶 庞大基因家族的功能基因组，挖掘与木质素、甾醇、类萜、生物碱、脂肪酸和许多 起植保素功效的次生物质的合成代谢，以及天然和人工合成的许多外源抗生素如除 草剂等成分的降解和脱毒代谢有关的关键酶基因； 2.2 以获得现有主要农作物种质资源、动物以及微生物等特异种质资源为基础，发展和 建立高效基因操作、转化和定向打靶改良等生物基础平台，并通过技术集成构筑动 植物“系统生物学”的研究体系； 2.3 利用现有生物技术发现并挖掘一批与农业生物的高产、优质和抗逆等性状资源相关 的重要功能基因，并阐明他们的生物学功能；利用反向遗传学原理和技术，构建一 批动植物人工突变体库，从基因组、蛋白质组、代谢组以及多基因网络水平上探索 动植物育种过程中的高产、优质、抗逆等复杂性状的遗传表现、选择起源与进化等 关键科学问题，建立复杂农艺性状遗传改良的生物技术产业化体系； 2.4 建成符合水稻、小麦、玉米、蔬菜等主要农作物分子育种需要的包括回交育种模拟、 基因聚合模拟、连锁模拟、杂种优势的预测的计算机分子模拟育种创新技术体系， 并通过试验和搜索互联网资源，获取基因序列或分子标记与复杂农艺性状间相关的 数据和信息，使之能够对分子育种的过程和结果进行模拟和预测； 2.5 利用我校人工合成和新近从微生物和水稻等植物上克隆的的一批抗虫、抗苯达松和 磺酰脲类除草剂、抗高温结实基因和芸薹属蔬菜中具有抗癌功效的芥子油苷生物合 成与代谢的关键酶基因，以水稻、玉米、棉花、油菜和茄科科植物如西红柿等为