主要农作物核心种质重要农艺性状单元型区段及互作研究

项目名称：主要农作物核心种质重要农艺性状单元
型区段及互作研究
首席科学家：张学勇中国农业科学院作物科学研究
所
起止年限：2010年1月-2014年8月
依托部门：农业部
一、研究内容
以水稻、小麦、大豆全基因组单元型区段分析及关联分析为切入点，重点研究和筛选控制高产、优质、抗病及水肥高效的优异单元型区段（或基因），揭示其形成基础和遗传本质，阐明不同功能单元型间的互作效应，为三大作物设计育种奠定材料基础。

重点从以下四个方面开展研究：
1、种质资源中重要单元型区段的发掘
对水稻、小麦、大豆微核心种质中的重要基因组区段进行精细扫描，结合系谱分析，摸清我国育种中稳定传递的单元型区段及其形成和演变过程；通过标记/性状关联分析，明确一些区段所控制的重要性状，系统分析这些单元型区段在核心种质样本中的变异及主要载体（品种）。

2、控制重要性状单元型区段的遗传及互作效应分析
以重要单元型区段在核心种质样本中的变异信息为基础，在微核心种质导入系中，系统筛选同一区段不同单元型，评价它们的遗传效应，发掘具有重要育种价值的新变异; 对优良单元型在不同遗传背景下的遗传效应进行比较和评价，筛选和培育正向效应突出、对产量、品质等无负面效应的抗病、水肥高效等重要单元型，为育种提供新的基因资源；通过导入系之间互相杂交，在消除杂合遗传背景效应的基础上，研究单元型之间的互作效应，提出三大作物育种中单元型优化组合模式与实施方案，与育种单位结合，进行组装育种的研究和实践。

3、典型单元型区段基因组成、结构和功能分析
在小麦中选择15～20个典型单元型区段，用与其紧密连锁的标记筛选染色体大片段插入文库（BAC文库），构建覆盖相应单元型区段的跨跌群（Contig），并完成序列分析；用候选基因在核心种质群体中进行关联分析，结合大面积推广品种突变体库进行重要农艺性状鉴定，发掘有重要育种价值的功能基因；从DNA 和性状形成两个层面揭示单元型区段的本质，为作物的分子育种提供基因和理论依据；充分利用水稻和大豆的全基因组信息，利用高通量测序设备，对典型材料进行重新测序分析，发掘有重要育种价值的单元型和功能基因。

4、控制重要性状关键基因的单元型分析
以微核心种质为基础，重点开展氮、磷、水吸收利用基因及其附近区域的单元型分析和功能鉴定；开展发育关键基因、高光效基因、胚乳淀粉合成关键酶
基因单元型及其关联分析；获得与氮、磷、水高效吸收利用的关键基因及高光合、高转化的优良基因；分析发育基因、光温感应基因的单元型，明确单元型地理分布与环境因素之间的对应关系，为分子设计育种和遗传转化育种提供基因资源，为未来重要基因的合理布局提供科学依据。

二、预期目标
总体目标：应用基因组学、种质资源学等理论和方法，明确水稻、小麦、大豆种质资源中重要农艺性状基因单元型组成、种类、功能及互作关系；挖掘具有重要育种价值的单元型区段，为育种提供重要的基因资源。

通过本项目的实施，推动我国作物种质资源学与基因组学的融合，将我国在水稻基因组学领域的研究优势尽快转化到应用基础领域，引领全国的种质资源研究，实现资源大国向基因富国的转变，使我国在应用基因组学和种质资源学交叉学科领域处于国际领先地位，在新基因及其单元型研究上取得突破，推动我国育种事业的发展。

培养作物种质资源学与基因组学交叉学科人才队伍。

五年预期目标: 建立规模化的单元型区段研究的理论方法和技术体系；明确一批单元型区段的分子基础，跟踪分析其形成和演变过程；发掘具有重要育种价值的单元型区段50～60个; 克隆有重要育种价值的功能基因15～20个；筛选和创造具有突出特点的优异种质60份；发表SCI论文100篇以上；培养研究生80～100人，培养国家杰出青年基金获得者2～3名。

三、研究方案
1）学术思路：将基因组学研究的成果、方法和思路与群体遗传学及种质资源学相结合，研究控制重要复杂性状单元型区段的组成，形成和演变。

从自然变异群体（包括主要品种、地方品种、野生种及半野生种）中发掘有重要利用价值的单元型区段和基因，为分子育种奠定基础。

开拓种质资源学研究的新领域，提高种质资源的研究水平和利用效率。

2）技术途径：本项目计划从4个层面展开研究。

①关键单元型区段发掘及所控性状分析。

对育成品种、地方品种及野生种的全基因组进行标记扫描和比较分析，通过选择牵连效应分析，结合标记/性状关联分析，明确人类选择的关键单元型区段、所控重要性状及其形成和演变。

②核心种质重要性状单元型区段的效应及互作分析。

以上述信息为基础，微核心种质导入系为对象，在统一的遗传背景（轮回亲本）下系统评价同一基因组区段不同等位之作用，筛选正向效应突出、无负效应的等位型，提供育种利用；通过不同单元型导入系之间的杂交，研究不同单元型之间的互作效应。

③典型单元型区段候选基因的关联分析；充分利用现有的基因组学资源，在水稻和大豆中采用重新测序（re-sequencing），对一些作用突出的单元型区段进行等位型分析，获得重要功能基因和优异单元型；在小麦中，用与重要单元型区段紧密连锁的分子标记，筛选BAC克隆，通过测序，初步明确其中的主要基因及调控元件，揭示单元型区段的本质，通过候选基因的关联分析，获得重要功能基因和优异单元型。

④重要基因的单元型分析，在微核心种质群体中，对已克隆的一些重要功能基因、如产量基因、发育基因、水肥高效利用基因、抗虫基因等进行单元型（等位型）分析，获得高产、稳产、高效基因及调控元件。

1和2两个层面的研究主要是为分子标记辅助育种服务，3和4 为转基因育种提供服务，从而有机的将本项目与国家863计划及转基因重大专项衔接起来，服务于国家重大需求。

四个研究层面之间的关系可用图2表示。

图2、总体研究方案
3) 创新点与特色
创新点：单元型研究逐步成为后基因组学时代分析、定位和克隆复杂性状基因的主要方法之一，在作物的种质资源和育种研究领域，目前国际上仅在水稻和大麦、玉米上启动了相关的研究计划或项目；受973项目的连续资助，我国在重要作物核心种质建立和利用方面处于国际领先地位，同时也为关联分析、单元型分析等研究奠定了很好的基础（材料、方法），本项目的启动必将使我国率先在国际上建立水稻、大豆两大作物的单元型图谱（Hap-Map），同时也将为建立小麦的Hap-Map奠定雄厚基础，创新性主要体现在以下三个方面。

①在我国首次开展三大作物重要农艺及产量性状单元型区段的系统研究，将为该技术体系的建立和广泛应用奠定基础。

②把基因组学的相关技术与传统种质资源学研究相结合，拓宽和发展了种质资源学的研究内容，为其注入了新的内涵。

③该研究的实施将为水稻、小麦及大豆的分子设计育种及转基因育种提供可用的重要基因及调控元件。

特色：
①将基因组学研究的成果、方法和技术，应用于传统学科作物种质资源学的研究，利用自然变异群体及微核心种质系列导入系，通过随机关联分析和候选基因的关联分析，发掘有重要育种价值的单元型区段并克隆基因，是本项目的突出特色。

②我国是水稻和大豆的起源中心，是小麦的次生起源中心。

在973项目资助下，我们建立了具有广泛代表性和遗传多样性的核心种质和微核心种质，整个研究进程比国际挑战计划提前4-5年。

本项目将以微核心种质及其导入系为重点开展单元型区段研究，研究材料具有很好的代表性，其中许多材料是祖先驯化、选择保留的地方品种，对它们的系统研究，必将在基因组水平向世人彰显华夏民族对人类农业文明的巨大贡献。

4）可行性分析：
①雄厚的前期基础：在国家前两期973项目资助下，我们建立了全国水稻、小麦和大豆的核心种质和微核心种质，在此基础上建立了最新优良品种的微核心种质系列导入系及应用核心种质子库；应用连锁分析和关联分析，完成了一些重要性状的精细定位，如控制籽粒大小（千粒重、百粒重）、穗粒数、有效分蘖、小麦氮的吸收和利用、大豆根际线虫抗性等；克隆了水稻的多效QTL关键基因Ghd7和控制粒重的GS3等重要基因，并开展了一些重要基因的单元型分析，为本项目的顺利实施奠定了雄厚的材料、方法和技术基础。

②团结高效的研究队伍：组成了以我国基因组学专家、作物品种资源学专家为主的研究团队，该团队曾被科技部评为973计划实施优秀集体，这为本项目的顺利完成提供了人才保证。

③优良的基础设施条件：本项目依托于中国农业科学院作物科学研究所“国家作物基因资源与基因改良重大科学工程”、华中农业大学“国家作物遗传改良国家重点实验室”、中国科学院遗传发育研究所“植物细胞与染色体工程国家重点实验室”、南京农业大学“作物遗传与种质创新国家重点实验室”，这些实验室具备良好的实验设备，特别是开展基因组研究的大型设备，如ABI3730、Solexa、P454等高通量设备。

同时，具有条件优越的种质资源鉴定与作物育种实验地2000余亩，现代化的温室20余亩，人工气候室200m2，抗旱鉴定棚2000m2及性状鉴定分析平台，为抗病、抗逆、品质、产量等重要农艺性状的系统鉴定提供了重要保障。

课题设置
各课题间相互关系
课题设置的思路：以解决我国水稻、小麦和大豆育种中的突出问题为目标，标记/性状随机关联和候选基因/性状关联分析为主要研究方法，以自然群体（微核心种质）及导入系为基础，发掘具有重要育种价值的单元型区段、重要功能基因及调控因子。

在课题设置中强调了整体目标的一致性，方法的通用性及结果的可比性，特别是水稻和小麦之间的可比性。

在制定每个课题的具体目标时，充分考虑三大作物研究基础的差异，如水稻已有非常完整的全基因组序列，大豆的全序测定已经完成，公布时间指日可待，然而小麦基因组计划则仅完成3B染色体BAC克隆的物理图谱的绘制（Science, 322:101-104，2008），个别染色体还无人认领。

因此，在水稻和大豆课题目标中强调了全基因组控制重要性状单元型区段图谱（Hap-Map）的绘制，而在小麦中则更注重重要基因组区域的测序和候选基因的关联分析。

课题间关系:
预期目标：
1）完成水稻的单元型草图绘制；2）分离5～8个有重要应用价值的基因；3）完成4～5个基因的单元型分析；4）申请专利5项：发表SCI论文20篇；培养研究生15人。

研究内容：
在全基因组关联分析和常规群体作图两个层次进行新基因发掘，并针对目标基因开展单元型分析。

1）利用Solexa技术对96份微核心种质库进行测序，分析单核苷酸多态性，明确单元型数目，绘制水稻的Hap-Map。

2）对水稻微核心种质在正常生长条件下进行严格的完全随机区组试验，考察产量等重要农艺性状数据，同时在氮胁迫，磷胁迫和干旱条件下，进行表型鉴定，开展全基因组关联分析，发掘优良农艺性状基因和抗逆基因；以此为基础，对微核心种质中的其余材料测序，确定单元型数目和最优等位基因（单元型）。

3）根据前两期研究结果，确定第1染色体的RM490-RM5841，和RM472-RM104，3染色体的RM6080-RM156，5染色体的R3166-RG360，6染色体的RM170-RM510，7染色体的RM8006-RM5499-RM2和第8染色体的RM25-RM3181，9染色体的RM242-RM215，11染色体的G4001-C1003B共9个区农艺性状QTL热点区间为目标，利用导入系对目标区间的基因进行高分辨率定位，明确是紧密连锁基因或一因多效基因在起作用。

4）对目标区段的主效QTL进行图位克隆，分离控制穗大小基因，千粒重基因和株高基因。

并在微核心种质中对新克隆的基因进行单元型分析，明确主要变异类型及演变规律。

经费比例：16%
承担单位：华中农业大学、上海市农业基因中心
课题负责人：梅捍卫
学术骨干：张启发、罗利军、余四斌
预期目标：
1）完成小麦5～8个单元型区段的测序和候选基因的关联分析；2）完成4～5个基因的单元型分析；3）分离2～3个有重要应用价值的基因；4）申请专利2～3项。

发表SCI论文20篇；培养研究生15人。

研究内容：
1）在微核心种质全基因组关联分析的基础上，重点围绕控制产量三要素及水、肥高效利用的基因组区段进行测序及候选基因的关联分析，用与目标性状紧密连锁的分子标记筛选中国春、乌拉尔图小麦、粗山羊草的BAC文库，对关键克隆进行测序、拼接和组装，发现其中的重要候选功能基因。

2）在微核心种质导入系群体中，对这些候选基因进行单元型及关联分析，获得具有重要应用价值的单元型（基因和调控元件），揭示一些重要单元型区段的本质。

3）以微核心种质为对象，对重要单元型进行系统分析，明确其在我国小麦资源中的主要类型及其演变规律。

主要候选基因组区段有：2AL gwm445-wmc170、2DS cfd160-cfd56、3BS GHB（赤霉病抗性）、4BL gwm149-gwm375、4DS Rht2-Ms2、5DL gwm292-wmc160、6AL cfd82-psp3071、6AS barc171-cfd190、6DL barc273-barc1121、7DS gwm44-gwm111等。

经费比例：22%
承担单位：中国农业科学院作物科学研究所、南京农业大学
课题负责人：张学勇
学术骨干：毛龙、孔秀英、房经贵、董玉琛
课题3、大豆重要农艺性状单元型区段分析
预期目标：
1）绘制大豆Hap-Map草图；2）研究控制大豆高油、高蛋白、百粒重、胞囊线虫抗性、光周期反应等性状的基因组区段的单元型，明确单元型的互作效应；3）分离3～4个有重要应用价值的基因；3）申请专利3项；发表SCI论文20篇；培养研究生15人。

研究内容：
1）利用Solexa技术对96份微核心种质库进行测序，分析单核苷酸多态性，明确单元型数目，绘制大豆HapMap。

2）对大豆微核心种质进行全基因组的分子标记精细扫描，结合表型，发掘驯化和育种选择关键单元型区段及所控制的性状。

3）对微核心种质导入系进行重要性状的系统鉴定，通过关联分析，筛选关键基因组区段的优异单元型，包括控制油分和蛋白质含量（Satt191- Satt 372，Gm18）、百粒重（Satt134-Satt658, Gm6)、胞囊线虫抗性（Satt309-Sat_168，Gm18；Sat_198-Satt294,Gm02；Sat_400-Satt329，Gm08）、光周期（Satt194- Satt321，Gm04；Satt187- Satt089，Gm08），搞清其在微核心种质中的主要变异类型及其形成和演变规律。

4）在对重要单元型区段序列分析的基础上，开展候选基因与性状间的关联分析，发掘和克隆重要功能基因，阐明一些重要单元型区段的本质。

经费比例：15.5%
承担单位：中国农业科学院作物科学研究所、中国科学院遗传与发育生物学研究所
课题负责人：王克晶
学术骨干：张万科、邱丽娟、关荣霞
预期目标：
1）克隆8～10重要功能基因，完成其在微核心种质中的单元型分析，明晰单元型区段的界限；2）在同一遗传背景下，评价10～15已克隆基因的单元型效应及互作；3）与育种单位结合，培育有突出特点的育种材料和品系8～10个，其中5个参加国家或省级区试；4）申请专利3项；发表SCI论文15篇以上;培养研究生15人。

研究内容：
1）以微核心种质/日本晴和微核心种质/珍汕97的导入系为基础，将巢式关联分析与精细连锁定位相结合，克隆水稻控制产量（穗型、穗粒数、粒重和穗数等）、抗逆性状（氮、磷高效，抗旱、耐冷等）、驯化性状（株型）的新基因8-10个。

2）分析这些基因在微核心种质中的单元型，并进行关联分析，评价不同单元型的效应及其应用价值，筛选优异单元型导入系；通过导入系间的相互杂交，分析单元型之间的互作效应。

3）对已克隆的重要性状的基因进行系统的单元型分析，这些基因包括抽穗期基因（Hd1、Hd3a、Hd6）、株高基因（d1，sd1、eui）、粒重基因(GS3、GW2、S5)、穗粒数基因（Gn1）、分蘖基因（MOC1），明确每个单元型的遗传效应，鉴定和筛选优异单元型。

4）与育种单位结合，对优异导入系进行系统评价和鉴定，培育性状突出的育种材料和新品种。

经费比例：15.5%
承担单位：中国农业大学、扬州大学
课题负责人：张洪亮
学术骨干：李自超、裔传灯
预期目标：
1）分析10～15个重要功能基因的单元型及其LD的大小；2）评价15～20个不同单元型效应及其互作；3）与育种单位结合，培育有突出特点的育种材料和品系8～10个，其中5～8个参加国家或省级区试。

发表SCI论文15篇，申请专利3项，培养研究生15人。

研究内容：
1）以小麦微核心种质为材料，对以下重要功能基因的单元型进行分析，开发SNP标签，研究重要单元型的表达特点，筛选有重要应用价值的单元型或等位变异。

这些基因包括：春化基因（Vrn-1、Vrn-2、Vrn3），光周期基因（Ppd-1），穗型基因（Q），氮素吸收利用关键基因（谷氨酰胺合成酶基因GS1、GS2），控制根系形态的主效QTL位点，蛋白磷酸化酶（PP2A），水分利用效率基因（ERECTA），小麦抗氧化（活性氧清除）基因（PMM，DHAR, SRX等），产量基因（TaGW2）及胚乳淀粉合成关键基因。

2）以微核心种质导入系为基础，采用不同遗传交配设计，研究小麦高产、优质、抗病、抗逆等重要性状的单元型之间的互作，包括产量因素之间、产量与品质、产量与抗性等方面的遗传互作；阐明相同遗传背景下单元型互作的模式，培育和筛选正向效应突出、无负效应的单元型。

3）与育种单位结合，将获得的单元型效应和互作等信息应用于育种实践，培育高产优质多抗新品种（系）。

经费比例：16%
承担单位：中国农业科学院作物科学研究所、中国科学院遗传与发育生物学研究所
课题负责人：贾继增
学术骨干：童依平、景蕊莲
预期目标：
1）分析10个重要功能基因的单元型；明确其的单元型区段的界限；2）评价10～12个基因的单元型效应及互作；3）与育种单位结合，培育有突出特点的育种材料和品系8～10个，其中4～5个参加国家或省级区试。

发表SCI论文15篇; 申请专利3项；培养研究生15人。

研究内容：
1）利用大豆导入系，对下列重要基因进行单元型及其效应分析，包括异黄酮合酶基因GmIFS，黄烷酮3-羟化酶基因GmF3H，NAC转录因子基因GmNAC，丙二烯氧化物合酶基因GmAOS，丙二烯氧化物环化酶GmAOC, 酸性磷酸酶基因GmAPS和GmAPase，光敏色素基因GmphyA和GmphyB，生物钟基因GmTOC1、GmLHY和GmCCA1，生物钟相关基因GmZTL和GmGI，开花调节的温控基因GmSVP，开花光周期调控基因GmCO和GmFT等，发掘有重要应用价值的单元型（功能基因及启动子）。

2）以导入系为基础，采用不同遗传交配设计，研究控制大豆高产、优质、抗病、抗逆等重要性状的单元型之间的互作（包括产量因素间、产量与品质、产量与抗性）；阐明在相同遗传背景下单元型互作的模式，培育和筛选正向效应突出、无负效应的等位型，为育种提供新的基因资源。

3）与育种单位结合，将获得的单元型效应和互作效应等信息直接应用于育种实践，培育高产、优质、多抗新品种（种质）。

经费比例：15%
承担单位：南京农业大学、黑龙江省农业科学院绥化分院
课题负责人：赵团结
学术骨干：付亚书、喻德跃
四、年度计划。