【基金標(biāo)書】2010CB126600-重要熱帶作物木薯品種改良的基礎(chǔ)研究

項(xiàng)目名稱： 重要熱帶作物木薯品種改良的基礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 彭明 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部門： 農(nóng)業(yè)部 海南省科技廳 一、研究?jī)?nèi)容 1、木薯淀粉高效累積的 分子基礎(chǔ) 采用 塊根 淀粉 率差異顯著的木薯 品系，監(jiān)測(cè) 其 塊根發(fā)育 的生物學(xué) 全過程， 采用轉(zhuǎn)錄組、全長(zhǎng) 庫(kù)、 基因芯片等先進(jìn)的分析手段，尋找木薯淀粉高效累積的主要代謝途徑，發(fā)掘關(guān)鍵基因，建立相關(guān)候選基因間的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。通過對(duì)木薯淀粉積累重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄組和全長(zhǎng) 庫(kù) 分析，篩選淀粉高效累積相關(guān)的候選基因并獲得其全長(zhǎng)序列克??；通過 序及其靶基因預(yù)測(cè)分析 ， 發(fā)現(xiàn)淀粉高效累積相關(guān)的 其靶基因 （ ；通過基因芯片雜交，解析淀粉高效累積相關(guān)候選基因和 時(shí)空表達(dá)譜。 綜合候選基因， 其靶基因 和表達(dá)譜 信息，利用基因網(wǎng)絡(luò)分析平臺(tái)，構(gòu)建木薯淀粉高效累積的基因調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)并發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因。進(jìn)而，利用木薯全基因組序列，將淀粉高效累積的相關(guān)基因定位到基因組物理圖譜， 比較分析這些基因在高淀粉 品系 、 低淀粉 野生種 和 糖木薯 3 個(gè)基因組 中的差 異 ，揭示 這些功能基因在進(jìn)化中的結(jié)構(gòu)演化 關(guān)系。通過 比較基因組學(xué) 的方法，發(fā)掘 木薯近緣作物光合產(chǎn)物形成與分配的 關(guān)鍵基因及其 共性機(jī)制 。從而，建立木薯及其近緣作物光合產(chǎn)物高效累積的理論基礎(chǔ)。 2、木薯逆境適應(yīng)的調(diào)控機(jī)理 選擇對(duì)干旱、土壤貧瘠耐性 和敏感的木薯基因型，完成誘導(dǎo)和非誘導(dǎo)脅迫處理的生物學(xué)過程，測(cè)定 兩 個(gè)處理的轉(zhuǎn)錄組和 達(dá)信息 ，分別獲得 木薯逆境誘導(dǎo)表達(dá)的 根據(jù) 測(cè) 控的靶基因（ 通過基因芯片雜交及分析 ，獲得木薯抗逆相關(guān)候選基因和 時(shí)空表達(dá)譜，構(gòu)建木薯逆境適應(yīng)的基因調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)并發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因。對(duì)關(guān)鍵基因 進(jìn)行差異表達(dá)分析和 靶基因相互作用分析。將關(guān)鍵抗逆基因定位到物理圖譜， 并 利用擬南芥等的轉(zhuǎn)基因方法對(duì)其中若干重要基因進(jìn)行功能驗(yàn)證，為木薯抗逆遺傳改良提供新的基因資源。 此外，通過 比較基因組學(xué) 的方法，發(fā)掘 木薯近緣作物抗旱耐貧瘠的關(guān)鍵基因 ，鑒定抗性同源基因在近緣 物種間 的重要結(jié)構(gòu)域和進(jìn)化規(guī)律 ，尋找逆境適應(yīng)的共性機(jī)制 。 3、木薯重要基因的功能驗(yàn)證與分析 建立在相對(duì)成熟的木薯遺傳轉(zhuǎn)化體系基礎(chǔ)上，采用基 因敲除和過表達(dá)策略，將 木薯 光合產(chǎn)物高效累積及逆境適應(yīng) 途徑中的 關(guān)鍵基因 轉(zhuǎn) 入木薯 ，獲得轉(zhuǎn)基因植株。通過對(duì)轉(zhuǎn)基因植株的生理生化和分子生物學(xué)分析， 進(jìn)一步闡明 這些 關(guān)鍵 基因在相關(guān) 代謝途徑 中的作用機(jī)理。 同時(shí) 創(chuàng)造 具有不同淀粉品質(zhì) 和抗逆特征 的木薯新種質(zhì) 。 4、木薯分子育種技術(shù)集成與種質(zhì)創(chuàng)新 綜合運(yùn)用形態(tài)學(xué)、植物生理生化和分子標(biāo)記等實(shí)驗(yàn)手段，篩選分別具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆特征的木薯 核心 種質(zhì)； 利用全基因組序列和關(guān)鍵代謝途徑表達(dá)基因（ 發(fā)大量 分子 標(biāo)記，構(gòu)建高密度分子遺傳圖譜，整合物理圖譜，定位重要經(jīng)濟(jì) 、抗逆性狀的 建立 實(shí)用的分子標(biāo)記輔助育種技術(shù) 體系 ；發(fā)展細(xì)胞原生質(zhì)體融合雜交 育種、轉(zhuǎn)基因育種等新方法。將育種新技術(shù)融合到 傳統(tǒng) 的木薯 雜交育種 體系 ，建立親本雜交 細(xì)胞育種 速、高效培育 高產(chǎn)、抗逆且具有不同淀粉品質(zhì)特征的專用型 木薯新品 種（ 系 ） 。 二、預(yù)期目標(biāo) 1、總體目標(biāo) 通過項(xiàng)目的實(shí)施，以木薯為熱帶作物典型材料，探索其淀粉高效累積和抗逆的分子遺傳基礎(chǔ)，解析木薯光合產(chǎn)物高效積累的基因調(diào)控模式，揭示其淀粉持續(xù)高效累積的生物學(xué)基礎(chǔ)和逆境適應(yīng)的分子機(jī)制，旨在解決熱帶作物光合產(chǎn) 物高效累積的關(guān)鍵性基礎(chǔ)理論問題；發(fā)掘具有應(yīng)用價(jià)值的基因資源和分子標(biāo)記，發(fā)展新的分子育種綜合技術(shù)，為木薯新品種培育奠定堅(jiān)實(shí)的應(yīng)用理論基礎(chǔ)。建設(shè)一支高水平的研究團(tuán)隊(duì)，推動(dòng)木薯及熱帶作物產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。 2、五年預(yù)期目標(biāo) （ 1） 闡明木薯淀粉高效累積的主要代謝途徑，及抗旱、耐貧瘠等逆境的分子機(jī)理 ； （ 2） 發(fā)掘關(guān)鍵基因、新的 其靶基因，構(gòu)建多層次的表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)； （ 3） 驗(yàn)證光合產(chǎn)物高效累積及抗旱、耐貧瘠 6重要基因的功能； （ 4） 闡述木薯及近緣作物光合產(chǎn)物積累和抗逆的共性機(jī)制； （ 5） 整合木薯物理圖譜與遺傳圖譜，并開發(fā) 2000 個(gè)以上木薯 記； （ 6） 建立分子育種與傳統(tǒng)育種相結(jié)合的育種體系，培育出高產(chǎn)抗逆的木薯新種質(zhì)或新品系 6； （ 7） 發(fā)表高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文 30，累計(jì)影響因子 100 點(diǎn)以上； （ 8） 培養(yǎng)碩士、博士研究生 50； （ 9） 建立多學(xué)科交叉的木薯研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì) ； （ 10） 建立權(quán)威的木薯基因組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用平臺(tái) 。 三、研究方案 1、學(xué)術(shù)思路 ， 技術(shù) 路線及可行性 項(xiàng)目圍繞 2 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題和總體目標(biāo)，提出總體研究框架（ 下 圖），采用高通量定 向基因發(fā)掘的綜合技術(shù)手段，重點(diǎn)解決木薯淀粉高效累積機(jī)制和逆境適應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制 2 個(gè)核心問題， 然后對(duì)主要代謝途徑中的關(guān)鍵基因進(jìn)行功能驗(yàn)證和分析，發(fā)掘基因資源和分子標(biāo)記，建立整合分子育種技術(shù)，形成熱帶作物光合產(chǎn)物高效累積與抗逆的理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備。 熱帶作物光合產(chǎn)物高效累積與抗逆的理論基礎(chǔ)與技術(shù)儲(chǔ)備高通量定向基因發(fā)掘淀粉高效累積機(jī)制逆境適應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制關(guān)鍵基因功能分析與驗(yàn)證分子育種與種質(zhì)創(chuàng)新熱帶作物光合產(chǎn)物高效累積與抗逆的理論基礎(chǔ)與技術(shù)儲(chǔ)備高通量定向基因發(fā)掘淀粉高效累積機(jī)制逆境適應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制淀粉高效累積機(jī)制逆境適應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制關(guān)鍵基因功能分析與驗(yàn)證分子育種與種質(zhì)創(chuàng)新關(guān)鍵基因功能分析與驗(yàn)證分子育種與種質(zhì)創(chuàng)新木薯淀粉高效累積與抗逆的分子機(jī)制及應(yīng)用的總體研究方案 取得重大突破的可行性 （ 1）木薯基因組測(cè)序成為重要基礎(chǔ) 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院組織正在進(jìn)行的木薯全基因組測(cè)序計(jì)劃， 將于 2009 年底前全部完成。其成果不僅首次提供了木薯全基因組序列，指導(dǎo)有關(guān)光合產(chǎn)物累積代謝途徑和抗逆途徑的基因簇結(jié)構(gòu)域定位，而且通過對(duì) 3 個(gè)基因型序列草圖的比較顯示這些代謝途徑基因序列的 進(jìn)化關(guān)系。同時(shí)在大量開發(fā) 記、轉(zhuǎn)錄組分析的表達(dá)基因定位、 現(xiàn)及其靶基因預(yù)測(cè)等均具有奠基作用 。 （ 2）具備典型材料 整個(gè)計(jì)劃圍繞 2 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，采用了一套固定的材料 。 在木薯淀粉累積代謝途徑 研究 中，采用 淀粉 率差異極大的品種 淀粉率 32%） 和野生近緣種 淀粉率 5%） 2 個(gè)基因型，其中 2004 年引自阿根廷 ， 近緣野生種 自巴西野生自然種群，是木薯栽培種的祖先 ， 擁有多樣化的基因類型 ；在抗旱和耐瘠薄機(jī)制的研究中，采用抗逆性 差異顯著的品種（華南 124 與 干旱和土壤貧瘠敏感）， 其中 華南 124 是我國(guó)木薯主產(chǎn)區(qū)大面積推廣品種，號(hào)稱“木薯王”； 泰國(guó)選育的東南亞推廣面積最大的品種，兼具高產(chǎn)、高淀粉特性 。在木薯基因組測(cè)序中同時(shí)采用 野生近緣種 巴西木薯 突變體，塊根還原糖含量在 15 乙醇轉(zhuǎn)化率 高）3 個(gè)基因型， 通過對(duì) 3 個(gè)品種基因組草圖序列比較， 為 揭示木薯基因組中與淀粉累積代謝相關(guān)的基因結(jié)構(gòu)域及其進(jìn)化關(guān)系 和高通量開發(fā) 記提供了必備條件； 在基因功能驗(yàn)證環(huán)節(jié) 中 ，除了 具備 木薯遺傳轉(zhuǎn)化體系可以將部分關(guān)鍵基因進(jìn)行轉(zhuǎn)基因 敲除或者過表達(dá)驗(yàn)證其功能， 已經(jīng)獲得 一些 入突變體， 如 低溫敏感突變體（ 糯性突變體（ 無塊根突變體（ 等 。 這些典型材料 是發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律，揭示基因調(diào)控奧秘的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。 （ 3）技術(shù)方法先進(jìn) 實(shí)驗(yàn)將采用超高通量、低成本的 序技術(shù)、轉(zhuǎn)錄組技術(shù)、表達(dá)譜芯片技術(shù)、 基因網(wǎng)絡(luò)分析 等一系列新 技術(shù)， 并且具備相對(duì)成熟的木薯遺傳轉(zhuǎn)化平臺(tái) （ 4） 多學(xué)科融合的研究團(tuán)隊(duì) 項(xiàng)目主要學(xué)術(shù)骨干 為 2006 年初成立的木薯功能基因組學(xué)團(tuán)隊(duì) 成員 ，分別來自中國(guó)科學(xué)院，復(fù)旦大學(xué) ，廣西大 學(xué) 和中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院等單位，其學(xué)科涵蓋遺傳育種學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、基因組與比較基因組學(xué)、基因工程、生物信息學(xué)等多個(gè)交叉學(xué)科，各自在本領(lǐng)域具有良好的學(xué)術(shù)和技術(shù)造詣，團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)符合研究計(jì)劃的需要。 （ 5）研究條件保障 本項(xiàng)目有 6 家國(guó)家級(jí)研究院所參加，匯集 2 個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 6 個(gè) 省 部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 擁有良好的設(shè)施條件和 技術(shù)基礎(chǔ)，為 本項(xiàng)目取得重大突破提供了條件保障。 2、特色和創(chuàng)新點(diǎn) 項(xiàng)目特色： （ 1）作物特殊性：木薯是全球三大塊根作物之一，第六大糧食作物和新興能源作物，具有光合產(chǎn)物高效累積和抗旱、耐瘠 薄的特性。利用先進(jìn)的分子生物學(xué)手段與方法，有望在理論上取得重大突破。 （ 2）區(qū)域優(yōu)勢(shì)：針對(duì)整個(gè)熱帶地區(qū)，根據(jù)熱帶作物對(duì)高光照、高熱等環(huán)境資源高效利用的共同特點(diǎn)，選擇木薯作為典型材料，研究光合產(chǎn)物累積與抗逆的共性調(diào)節(jié)機(jī)制，將對(duì)熱帶作物和其它作物的遺傳改良和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供基因資源和理論依據(jù)。 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)： （ 1）首次揭示木薯所特有的光合產(chǎn)物高效積累、抗旱和耐貧瘠的分子機(jī)制，其理論成果將對(duì)其它作物尤其是熱帶作物和大戟科經(jīng)濟(jì)作物具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。 （ 2）采用最先進(jìn) 的 基因網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，定向發(fā)掘脅迫誘導(dǎo)的功 能性 重要靶基因，構(gòu)建多層次基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因。 （ 3）木薯轉(zhuǎn)基因技術(shù)、分子育種與傳統(tǒng)育種的有效整合，不僅是木薯育種方法的突破，而且有利于快速定向培育不同需求的系列木薯新品種。 （ 4）在全基因組水平上整合遺傳圖譜與物理圖譜，為木薯基礎(chǔ)和應(yīng)用研究提供重要基因資源和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 3、 課題設(shè)置 根據(jù)項(xiàng)目的總體目標(biāo)要求和學(xué)術(shù)思路，本項(xiàng)目設(shè)置 6 個(gè)課題。每個(gè)課題設(shè) 1名課題負(fù)責(zé)人，協(xié)助項(xiàng)目負(fù)責(zé)人組織計(jì)劃實(shí)施和管理 ，具體如下： 課題 1、木薯淀粉高效累積途徑及其關(guān)鍵基因 研究?jī)?nèi)容： （ 1）淀粉累 積生物學(xué)過程研 究 ： 選擇典型的高淀粉品系 低淀粉 近緣野生種（ 材料 測(cè)其塊根形成到成熟期葉片（源）、莖桿韌皮部（流）、塊根（庫(kù)）主要光合作用與淀粉合成酶的動(dòng)態(tài)變化，糖和淀粉累積量的變化，并采集每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)葉片及塊根表達(dá) 品，制作成點(diǎn)雜交芯片； （ 2）塊根與葉片發(fā)育過程的轉(zhuǎn)錄組分析 ： 選擇塊根形成初期、淀粉合成旺盛期和成熟期 3 個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，提取總 行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，比較不同基因型光合與淀粉合成途徑中基因表達(dá)差異及其豐度，篩選與淀粉累積效率相關(guān)度較大的 候選基因；通過 現(xiàn)在塊根發(fā)育和淀粉合成過程中的 而預(yù)測(cè)其靶基因；構(gòu)建塊根發(fā)育關(guān)鍵期的全長(zhǎng) 庫(kù)，選擇性對(duì)上述候選基因進(jìn)行克隆測(cè)序，獲取具有完整表達(dá)閱讀框（ 全長(zhǎng)基因 ； （ 3）芯片雜交和表達(dá)分析 ： 利用上述全長(zhǎng)基因克隆和上游調(diào)節(jié)基因做探針，依次對(duì)覆蓋整個(gè)淀粉累積過程的時(shí)間序列表達(dá)芯片進(jìn)行雜交，獲得這些基因的表達(dá)譜矩陣，利用生物信息學(xué)方法對(duì)多個(gè)基因表達(dá)芯片進(jìn)行疊加，建立塊根淀粉累積過程中多個(gè)基因的聯(lián)結(jié)關(guān)系和調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)處于核心節(jié)點(diǎn)的重要功能基因5 ； （ 4）淀 粉累積相關(guān)重要基因功能驗(yàn)證 ： 對(duì) 測(cè)的重要上游調(diào)節(jié)基因采用實(shí)時(shí)定量 法確定其與下游表達(dá)基因的對(duì)應(yīng)關(guān)系；對(duì) 3重要功能基因同時(shí)采用 過量表達(dá)策略，連接到塊根特異表達(dá)啟動(dòng)子，構(gòu)建表達(dá)載體，轉(zhuǎn)化木薯獲得轉(zhuǎn)基因植株，對(duì)轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行生化和遺傳學(xué)分析，證明目標(biāo)基因?qū)K根淀粉累積的作用效果。 預(yù)期目標(biāo)： （ 1）闡明木薯淀粉高效累積的主要代謝途徑； （ 2）構(gòu)建光合產(chǎn)物高效累積相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)； （ 3）揭示其中 3重要基因的功能 。 經(jīng)費(fèi)比例： 18% 承擔(dān)單位： 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物 技術(shù)研究所、廣西大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 王文泉 課題 2、木薯抗旱和耐貧瘠的調(diào)控機(jī)理 研究?jī)?nèi)容： （ 1） 木薯抗旱、耐貧瘠的生物學(xué)過程研究 選擇對(duì)干旱、土壤養(yǎng)分脅迫（ N、 P）耐性和敏感的木薯基因型，分別設(shè)計(jì)干旱脅迫和 N、 P 養(yǎng)分脅迫處理試驗(yàn)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)不同基因型在脅迫誘導(dǎo) 和非 誘導(dǎo)條件下 的生 理、生化和形態(tài)學(xué)變化；提取誘導(dǎo) 和非 誘導(dǎo)條件 下的脅迫原初、中期及后期響應(yīng)時(shí)間點(diǎn) 的總 本； （ 2）逆境適應(yīng) 相關(guān)基因的表達(dá)分析 制備 不同基因型的 誘導(dǎo)與非誘導(dǎo) 處理 總 ， 利用高通量 序技術(shù)，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組 分析 和小 序，轉(zhuǎn)錄組分析提供 表達(dá)類型及其豐度信息；小 序數(shù)據(jù)通過比對(duì)木薯基因組數(shù)據(jù)、 據(jù)庫(kù)，采用析軟件， 發(fā)現(xiàn)木薯干旱和養(yǎng)分脅迫誘導(dǎo)下特異表達(dá) 據(jù)成熟列信息，預(yù)測(cè) 控的靶基因（ 基因型、不同處理之間表達(dá)信息綜合比較分析，獲 得 50 脅迫相關(guān)候選基因 ； （ 3） 逆境相 關(guān) 調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與 其靶 基因的調(diào)控分析 對(duì) 50干旱和 N、 P 脅迫相關(guān)基因 制作候選基因芯片， 分別 與 脅迫誘導(dǎo)、非誘導(dǎo) 處理 各 5時(shí)間點(diǎn)總 交 ， 獲得表達(dá)信息矩陣，繪制與 木薯抗旱、耐瘠薄相關(guān) 的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò) ，并從網(wǎng)絡(luò)中篩選關(guān)鍵的抗逆候選基因 20； （ 4）重要逆境相關(guān)基因的功能驗(yàn)證 對(duì)上述 20關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因，采用 5術(shù)驗(yàn)證 5啟動(dòng)子區(qū)域脅迫響應(yīng)相關(guān)順式元件（ 及 基因被切割狀況，分別對(duì)靶基因的調(diào)控關(guān)系及其相互作用進(jìn)行驗(yàn)證。進(jìn)一步篩選 3 木薯抗旱、耐貧瘠的關(guān)鍵基因 。 通過 構(gòu)建 節(jié)點(diǎn) 關(guān)鍵 基因 的 過表達(dá)和缺失表達(dá)載體，轉(zhuǎn)化木薯 /擬南芥 ， 觀察 轉(zhuǎn)基因 植株 在脅迫 條件下 的 生理和 表型變化， 揭示這些基因的功能。 預(yù)期目標(biāo)： （ 1）發(fā)現(xiàn)木薯抗旱、氮磷營(yíng)養(yǎng)高效的關(guān)鍵基因及 節(jié)的靶基因 20 （ 2）建立 與 木薯抗旱、氮磷營(yíng)養(yǎng)高效的基因調(diào)節(jié) 網(wǎng)絡(luò) ； （ 3）闡明 3抗旱、氮磷營(yíng)養(yǎng)高效關(guān)鍵基因的功能。 經(jīng)費(fèi)比例： 19% 承擔(dān)單位： 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所、中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院 課題負(fù)責(zé)人： 彭明 課題 3、木薯近緣作物光合產(chǎn)物積累與抗逆途徑的比較 研究?jī)?nèi)容： （ 1）木薯近緣作物光合產(chǎn)物形成與分配途徑的比較與基因發(fā)掘 選 擇大戟科麻瘋樹典型材料，獲取光合產(chǎn)物形成與分配的轉(zhuǎn)錄組信息，結(jié)合麻瘋樹全基因組序列，采用比較基因組學(xué)方法，尋找木薯和麻瘋樹光合產(chǎn)物形成的共性途徑，及分支代謝節(jié)點(diǎn)，發(fā)掘關(guān)鍵基因；深入分析同源基因序列中的定向進(jìn)化區(qū)域和位點(diǎn)，用蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)、功能單元等信息預(yù)測(cè)基因功能和重要結(jié)構(gòu)域，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵基因在不同物種、發(fā)育時(shí)期、器官和組織中的表達(dá)特點(diǎn)進(jìn)行分析，研究重要同源基因在不同物種間的功能異同，闡明木薯和麻瘋樹光合產(chǎn)物形成的共性機(jī)制與分配的物種特異性； （ 2）耐旱和氮磷高效機(jī)制的比較與基因發(fā)掘 與木薯近緣的麻瘋樹同樣具 有抗旱和耐貧瘠特性，選擇典型材料，設(shè)計(jì)干旱和氮磷脅迫試驗(yàn)，分別監(jiān)測(cè)在逆境條件下的生理生化指標(biāo)并獲取轉(zhuǎn)錄組信息，結(jié)合麻瘋樹全基因組序列，采用比較基因組學(xué)方法，尋找木薯和麻瘋樹耐旱和氮磷高效的共性機(jī)制，發(fā)掘關(guān)鍵調(diào)節(jié)基因，嘗試建立不同抗逆途徑的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；深入分析其在不同物種中的時(shí)空表達(dá)特異性，闡明木薯和麻瘋樹適應(yīng)干旱和耐貧瘠的共性機(jī)制； （ 3）大戟科重要經(jīng)濟(jì)作物整合遺傳圖譜構(gòu)建 比較木薯和麻瘋樹的基因組和表達(dá)序列，鑒定物種間的低拷貝同源序列，開發(fā) 2 個(gè)物種中通用的 分子標(biāo)記，并將部分通用標(biāo)記定位到已有遺傳圖譜上，構(gòu)建大戟科 2 個(gè)重要經(jīng)濟(jì)物種的整合遺傳圖譜。借助木薯全基因組精細(xì)圖譜，將光合產(chǎn)物累積與抗逆途徑相關(guān)基因，重要經(jīng)濟(jì)性狀的 注到整合遺傳圖譜，為大戟科重要經(jīng)濟(jì)作物的分子設(shè)計(jì)育種奠定基礎(chǔ)。 預(yù)期目標(biāo)： （ 1）闡明木薯、麻瘋樹光合產(chǎn)物形成的共性機(jī)制與分配特征； （ 2）揭示木薯、麻瘋樹耐旱和耐貧瘠的共性機(jī)制； （ 3）發(fā)掘光合產(chǎn)物積累與抗逆的重要節(jié)點(diǎn)基因（ 3； （ 4）開發(fā)大戟科作物的共性分子標(biāo)記及建立高密度的整合遺傳圖譜。 經(jīng)費(fèi)比例： 15% 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院華南植物研究所、中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所 課題負(fù)責(zé)人： 王瑛 課題 4、木薯基因組注釋與信息整合 研究?jī)?nèi)容： （ 1） 木薯全基因組精細(xì)圖譜構(gòu)建 在木薯 近緣野生種（ M. 高產(chǎn)栽培種為材料的木薯 基因組 框架圖譜基礎(chǔ)上，通過木薯基因組物理圖譜和遺傳圖譜的整合 ，完成覆蓋全基因組98%以上的精細(xì)圖譜；進(jìn)而將已有的木薯 列、 分子標(biāo)記信息注釋到全基因組圖譜； （ 2）光合產(chǎn)物累積與抗逆途徑相關(guān)基因的結(jié)構(gòu)演化 將在轉(zhuǎn)錄水平所獲得的 淀粉高效累積和抗逆相關(guān)基因標(biāo) 記到基因組，并 比較分析這些基因在 高淀粉品系、 低淀粉野生種和 糖木薯 3 個(gè)基因組中的差異 ，揭示淀粉代謝與抗逆途徑中 相關(guān)基因序列的多態(tài)性及其在進(jìn)化中的演化關(guān)系； （ 3） 高通量分子標(biāo)記的開發(fā) 根據(jù)高淀粉、糖木薯和野生種的基因組序列單倍型 結(jié)構(gòu)，以及轉(zhuǎn)錄組測(cè)序獲取的大量 列，采用專用軟件設(shè)計(jì) 物，發(fā)掘大量多態(tài)性 分子標(biāo)記； 同時(shí)，檢測(cè)這些標(biāo)記與功能基因和 間的關(guān)聯(lián)程度，發(fā)現(xiàn)具有實(shí)用價(jià)值的功能性分子標(biāo)記 ； （ 4） 基因網(wǎng)絡(luò)分析與建模 發(fā)展基于表達(dá)芯片矩陣和點(diǎn)雜交分析的時(shí)間序列、條件序列等的基因網(wǎng)絡(luò) 建模軟件，并整合 游調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)信息，建立多級(jí)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)； （ 5） 建立公共服務(wù)信息平臺(tái) 建立一個(gè)各課題數(shù)據(jù)集成和信息平臺(tái)，收集、存貯、分析和反饋整個(gè)項(xiàng)目的信息資源，并建立與公共數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接，提供項(xiàng)目組以及公共服務(wù)。 預(yù)期目標(biāo)： （ 1）建立 木薯全基因組精細(xì)圖譜 ； （ 2）闡明木薯 淀粉高效累積代謝途徑和抗逆途徑 相關(guān)基因的 結(jié)構(gòu)演化 ； （ 3）開發(fā) 2000 個(gè)以上木薯 記和部分功能性標(biāo)記； （ 4）建立一套基因網(wǎng)絡(luò)分析平臺(tái)和木薯基因組和轉(zhuǎn)錄組集成數(shù)據(jù)庫(kù)。 經(jīng)費(fèi)比例： 14% 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院北 京基因組研究所、復(fù)旦大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 肖景發(fā) 課題 5、木薯重要基因的功能驗(yàn)證與分析 研究?jī)?nèi)容： （ 1）木薯高效遺傳轉(zhuǎn)化體系的優(yōu)化 在相對(duì)成熟的木薯模式品種離體植株再生和遺傳轉(zhuǎn)化方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步獲得不同基因型高頻率的體細(xì)胞胚胎發(fā)生及芽器官發(fā)生；發(fā)掘能產(chǎn)生脆性胚性愈傷組織的基因型，優(yōu)化胚狀體的植株再生頻率；提高選擇培養(yǎng)條件下遺傳轉(zhuǎn)化效率，建立規(guī)模化木薯遺傳轉(zhuǎn)化體系，滿足功能基因驗(yàn)證和我國(guó)主栽品種轉(zhuǎn)基因育種的技術(shù)需求 ； （ 2） 木薯淀粉合成途徑重要基因的功能驗(yàn)證 將發(fā)現(xiàn)的光合同化物合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和累積過程中涉及的 若干重要基因，通過過表達(dá)策略導(dǎo)入木薯基因組，獲取轉(zhuǎn)基因植株，研究這些基因的功能，了解蔗糖分子運(yùn)輸過程的定向分配機(jī)制；結(jié)合已有的 入突變體（無塊根，糯性等），分離、鑒定這些與塊根發(fā)育、同化物定向運(yùn)輸和淀粉累積密切相關(guān)的基因及其分子調(diào)控機(jī)制 ； （ 3）木薯 抗旱、 氮磷吸收與分配效率相關(guān)基因的功能驗(yàn)證 針對(duì) 木薯抗旱， 氮磷高效吸收與分配相關(guān)的基因，構(gòu)建過表達(dá)及 達(dá)載體，轉(zhuǎn)化木薯并結(jié)合生理生化分析，驗(yàn)證這些基因的具體功能。分離這些基因的啟動(dòng)子，驗(yàn)證其在 水分和 氮磷缺乏及豐富條件下的表達(dá)調(diào)控模式 ； （ 4） 木薯塊根淀粉品質(zhì)和 耐 低溫的遺傳改良 將糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、蔗糖合酶及蔗糖酶、淀粉合成相關(guān)的 關(guān)的基因，構(gòu)建塊根特異表達(dá)載體，導(dǎo)入木薯基因組，檢驗(yàn)淀粉合成基因?qū)Φ矸鄣慕M成（直鏈淀粉和支鏈淀粉）及淀粉粒大小的調(diào)控作用，進(jìn)而培育分別具有高直鏈淀粉、高還原糖適合于燃料乙醇利用，和低直鏈淀粉適合于變性淀粉工業(yè)的木薯新種質(zhì)及新品系。選擇脅迫誘導(dǎo)或組織特異性表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子其調(diào)控基因 具有耐低溫作用的上游調(diào)節(jié)基因，與細(xì)胞分裂素合成弱表達(dá)載體組合，構(gòu)建 一系列表達(dá)載體系統(tǒng)，在煙草和擬南芥中轉(zhuǎn)化并篩選具有耐寒功能的若干強(qiáng)表達(dá)載體，然后導(dǎo)入大面積推廣利用的木薯新品種，培育具有在后期低溫和干旱環(huán)境下高產(chǎn)、品質(zhì)優(yōu)良的木薯新種質(zhì)或者新品種。 預(yù)期目標(biāo)： （ 1）優(yōu)化適合不同品種的高效木薯遺傳轉(zhuǎn)化體系； （ 2） 闡明 5 木薯 淀粉高效累積、耐旱和氮磷高效利用途徑中關(guān)鍵基因 的生物學(xué) 功能； （ 3） 獲得 具有高直鏈淀粉 /高支鏈淀粉、耐瘠薄 等 特征的木薯新種質(zhì) 3。 經(jīng)費(fèi)比例： 17% 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院、中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所 課題負(fù)責(zé)人： 張 鵬 課題 6、木薯分子育種技術(shù)集成與種質(zhì)創(chuàng)新 研究?jī)?nèi)容： （ 1）核心材料創(chuàng)制與評(píng)價(jià) 運(yùn)用植物形態(tài)學(xué)、生理生化和分子標(biāo)記等實(shí)驗(yàn)手段，篩選分別具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆特征的木薯 核心 種質(zhì)。 通過自交，獲取 5 代以上的基因型純合自交系（ ；進(jìn)行近緣種間雜交 和回交 ，獲取具有不同外緣基因片段的導(dǎo)入系 (通過 自交系之間或者自交系與導(dǎo)入系之間雜交獲得遺傳多樣性豐富的實(shí)驗(yàn)群體和育種的親本組合； （ 2）木薯體細(xì)胞融合雜交創(chuàng)新種質(zhì) 結(jié)合木薯體細(xì)胞胚胎發(fā)生技術(shù)和細(xì)胞系培養(yǎng)與融合雜交技術(shù)，首先誘導(dǎo)獲得木薯胚性愈傷組織，建立其原 生質(zhì)體分離培養(yǎng)和原生質(zhì)體融合再生成株的技術(shù)體系，選擇具有育種意義的性狀互補(bǔ)品系及近緣種，創(chuàng)造木薯 新型異源四倍體體細(xì)胞雜種，明確其核質(zhì)遺傳組成特點(diǎn) ； （ 3） 染色體 在木薯細(xì)胞學(xué)制片和染色體分帶研究基礎(chǔ)上， 采用染色體原位雜交（ 原位 術(shù)，將已經(jīng)錨定到 遺傳圖譜各 連鎖群 兩端的 分子標(biāo)記 定位到相應(yīng)的染色體區(qū)段， 闡明遺傳連鎖群與染色體的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立 木薯的 染色體 （ 4） 木薯重要經(jīng)濟(jì)性狀的 位 利用核心種質(zhì)和多態(tài)性實(shí)驗(yàn)群體，獲取田間性狀表型，結(jié)合分子標(biāo) 記的多態(tài)性數(shù)據(jù)和木薯遺傳圖譜 ，采用 析軟件和關(guān)聯(lián)分析（ 法對(duì)主要經(jīng)濟(jì)性狀、抗逆性的 行圖譜定位 ，建立利用主效 行輔助選擇育種的方法 ； （ 5）木薯綜合分子育種體系與新品種培育 將分子標(biāo)記輔助育種、轉(zhuǎn)基因育種、體細(xì)胞雜交等新技術(shù)融合到 傳統(tǒng) 的木薯雜交育種 體系 ，建立親本 設(shè)計(jì)與 雜交 實(shí)驗(yàn)室選擇 田間選擇的現(xiàn)代育種技術(shù)體系， 實(shí)現(xiàn) 對(duì)大量雜交組合的 遺傳操作， 快速、高效培育符合產(chǎn)業(yè)多樣化需求的木薯新品 種（ 系 ） 。 預(yù)期目標(biāo)： （ 1）建立適用于研究和育種利用的核心材 料體系 40； （ 2）建立木薯原生質(zhì)體融合再生體細(xì)胞雜種的技術(shù)體系，獲得體細(xì)胞雜種 2 （ 3）構(gòu)建木薯高密度細(xì)胞 取 5重要經(jīng)濟(jì)性狀的主效 （ 4）建立木薯分子標(biāo)記多目標(biāo)性狀綜合選擇的理論與方法體系； （ 5）培育出高產(chǎn)、抗逆、品質(zhì)優(yōu)異適合于工業(yè)利用的專用型木薯新品系 3。 經(jīng)費(fèi)比例： 17% 承擔(dān)單位： 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所、華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 李開綿 4、 課題間相互關(guān)系 課題 1、課題 2 分別針對(duì)木薯淀粉高效累積和抗逆性兩大特征，選擇典型材料 ，設(shè)計(jì)生物學(xué)過程試驗(yàn)，用先進(jìn)的轉(zhuǎn)錄組、基因芯片和 術(shù)手段，發(fā)現(xiàn)其主要代謝途徑及其關(guān)鍵基因，結(jié)合基因網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，構(gòu)建淀粉累積與抗逆的基因調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系；課題 3，將木薯的光合產(chǎn)物高效累積和抗逆特性 延伸 到大戟科近緣作物，通過對(duì)相關(guān)代謝途徑和節(jié)點(diǎn)基因的比較，發(fā)掘新基因和大量分子標(biāo)記，拓展項(xiàng)目成果的應(yīng)用面，同時(shí)試圖發(fā)現(xiàn)其所具有的共性機(jī)制，深化理論研究；課題 4 在木薯全基因組序列基礎(chǔ)上，將在轉(zhuǎn)錄水平發(fā)掘的光合產(chǎn)物高效累積、抗逆 候選 基因 、遺傳圖譜及其 點(diǎn)整合到精細(xì)圖譜，比較相關(guān)代謝途徑功能基因的多態(tài)性與 演 化關(guān)系 ， 并規(guī)?；_發(fā) 記， 為木薯 分子設(shè)計(jì) 育種 提供基礎(chǔ) 。本課題同時(shí)負(fù)責(zé) 基因網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，并構(gòu)建數(shù)據(jù)共享的服務(wù)平臺(tái)；課題 5 專門對(duì)發(fā)現(xiàn)的與淀粉高效累積 、 抗旱、耐貧瘠的關(guān)鍵基因，進(jìn)行功能驗(yàn)證。利用模式植物和木薯的轉(zhuǎn)化技術(shù)，通過基因敲除和過表達(dá)策略闡明基因功能；課題 6 重點(diǎn)發(fā)展木薯的細(xì)胞與分子育種技術(shù)，利用上游課題獲取的大量基因資源，定位重要經(jīng)濟(jì)性狀的 立可操作的多種分子育種技術(shù)方法，整合到傳統(tǒng)雜交育種體系，高效、快速培育適合于市場(chǎng)多樣化需求的新種質(zhì)或者新品種?？傊?， 6 個(gè)課題有各自的 主攻目標(biāo)和創(chuàng)新點(diǎn)，研究?jī)?nèi)容之間又相互密切銜接，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的研究整體。 四、年度計(jì)劃 年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 1. 4個(gè)獨(dú)立全長(zhǎng) 及部分重組克隆的測(cè)序和序列分析； 2. 抗逆性 差異顯著的品種 進(jìn)行脅迫因子（干旱與非干旱，正常施肥與低氮肥）對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)行小 序，轉(zhuǎn)錄組分析和生理生化指標(biāo)的測(cè)定。 2 麻瘋樹和木薯基因組的比較，麻楓樹 干旱和氮磷營(yíng)養(yǎng)脅迫相關(guān)生理生化指標(biāo)分析； 4. 木薯基因組框架圖和物理圖譜的整合，并進(jìn)行進(jìn)行木薯基因組的初步功能注釋及時(shí)間 序列基因表達(dá)分析軟件的開發(fā)； 5. 發(fā)掘能產(chǎn)生脆性胚性愈傷組織的基因型，優(yōu)化胚狀體的植株再生頻率。 已有的控制塊根淀粉品質(zhì)和耐低溫的基因資源的木薯遺傳轉(zhuǎn)化； 6. 木薯優(yōu)良種質(zhì)的引進(jìn)和鑒定評(píng)價(jià)，篩選分別具有高產(chǎn)、抗逆特征的木薯核心種質(zhì)。 1. 木薯淀粉累積 庫(kù)的構(gòu)建及逆境適應(yīng)過程中各項(xiàng) 小 型和豐度信息及相關(guān)生理生化指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲得； 2. 發(fā)掘麻瘋樹和木薯間保守的序列2000 條，進(jìn)一步開發(fā)分子標(biāo)記1000 個(gè)以上； 3. 初步完成木薯基因組框架圖譜和物理圖譜的整合，提供經(jīng)過初步功能注釋的木薯基因組圖譜 4. 獲得 50脅迫相關(guān)候選基因（ 得不同基因型高頻率的體細(xì)胞胚胎發(fā)生及芽器官發(fā)生； 5. 獲得核心材料體系 40。 年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 二 年 1 木薯淀粉累積過程轉(zhuǎn)錄組分析和小 序及生理生化指標(biāo)測(cè)定； 對(duì)差異基因制備差異 片和片，分別與各個(gè)脅迫類型的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的生物學(xué)重復(fù)樣品進(jìn)行雜交試驗(yàn)。 3. 麻楓樹與木薯光合作用及逆境適應(yīng)性全轉(zhuǎn)錄本特性比較分析； 4. 將在轉(zhuǎn)錄水平所獲得的 淀粉高效累積和抗逆相關(guān)基因標(biāo)記到基因組，并 比較分析這些基因在 高 淀粉品系、低淀粉野生種和 糖木薯 3 個(gè)基因組中的差異； 5. 針對(duì)部分本項(xiàng)目配套課題提供的光合同化物合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和累積過程相關(guān)的基因，抗旱、氮磷吸收與分配效率相關(guān)基因，構(gòu)建 過表達(dá)載體，開始進(jìn)行在木薯主栽品種中的遺傳轉(zhuǎn)化。 6. 研究離體多倍體誘導(dǎo)技術(shù)體系，木薯原生質(zhì)體融合再生體細(xì)胞雜種的技術(shù)及分子標(biāo)記多目標(biāo)性狀選擇。 1. 獲得木薯淀粉累積相關(guān)重要候選基因 20 以上和候選 以上，開發(fā)一批 記； 控網(wǎng)絡(luò)，從 控網(wǎng)絡(luò)中篩選 10關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因。 3. 完成麻瘋樹遺傳連鎖群和染色體的對(duì)應(yīng)，發(fā)掘到一批與光合產(chǎn)物積累和分配相關(guān)的基因，并與木薯進(jìn)行比較； 4. 從轉(zhuǎn)錄組水平上解釋 高淀粉品系、低淀粉野生種和 糖木薯 3個(gè)基因組的差異； 5. 獲得 挑選適于