水稻高产、优质等重要性状的分子机制和设计育种研究

项目名称： 水稻高产、优质等重要性状的分子机制和设计育种研究 首席科学家： 薛勇彪 中国科学院遗传与发育生物学研究所 起止年限： 2011.1至2015.8 依托部门： 中国科学院 二、预期目标 1、本项目的总体目标： 通过项目的实施，保持和提升我国在水稻基因组和分子育种研究的国际地位和竞争力，加强我国农业科技自主创新能力，培养和造就一批高水平的水稻科学研究的专门人才，建立我国水稻分子改良的理论和技术体系，指导水稻品种的分子改良。 2、五年预期目标: 克隆50个左右的水稻重要功能基因，阐明3－5个重要农艺性状控制的分子机理，获得具有重要应用前景的功能基因专利25项，发表高水平100篇左右;建立高效水稻杂交育种和分子育种体系，培育一批具有重要应用前景的遗传改良品系和有重大应用前景的分子改良品种1-2个。 三、研究 1）学术思路： 针对我国水稻生产中迫切需要解决的高产、优质和抗逆等问题，本项目以重要农艺性状为对象，综合应用分子遗传学、发育生物学、生物化学和功能基因组学等多学科交叉的手段，研究水稻株型、育性、种子形成，淀粉代谢调控和光温胁迫应答的分子机理，克隆鉴定相关的关键基因并阐明其功能，为解决我国水稻优良品种培育中的重大理论和技术问题提供创新性研究成果。 2）技术途径： 本项目将根据研究任务和目标，充分利用已有的水稻基因组和功能基因组研究的资源和信息平台，主要以遗传学、分子生物学、发育生物学、生物化学和功能基因组学等为主要研究手段，开展水稻株型、育性、种子形成，淀粉代谢和环境胁迫等主要农艺性状的分子控制机理的研究。采用的主要研究路线有四个：第一，重要功能基因克隆及其作用网络的研究；第二，重要农艺性状的功能基因组研究；第三，杂交育种技术的改良和完善；第四，重要农艺性状的分子设计和改良。通过发挥我们已有研究工作基础以及研究队伍的技术特点，阐明水稻重要农艺性状分子控制的机理，为分子改良和设计重要农艺性状奠定理论和技术基础，推动我国育种科学的可持续发展，并对解决重要的植物科学中复杂性状调控的问题做出贡献。 根据研究内容本项目由6个课题组成，每个课题组设1－2名课题负责人协助项目负责人进行课题的管理和各个课题间以及参加课题的有关单位间的协调。 四、年度 研究内容 预期目标 第 一 年 1.筛选的与分蘖数目控制直接作用的蛋白；对LA1抑制基因和TAC1抑制基因进行初步定位并筛选受LA1、TAC1调控的基因。构建耐密/壮杆突变的遗传分析群体并对突变体进行分析。精细定位水稻半矮杆基因SHRUB和SD-K及突变体表型分析。构建BC3F4高密度遗传图谱；在gl-3(t)和gl-7(t)分离群体中选单株用NPB进行回交。 2.通过基因组和蛋白组方法，分离淀粉合成相关的转录因子和品质形成的关键基因；继续开展近等基因系的构建。进一步发掘鉴定新的等位基因；精细定位Chalk5和GS3-2基因；发展基于Badh2基因分子标记。 3.野败型、温敏和杂种不育基因的作用机理；野败恢复基因的克隆；花药或雄配子发育基因的精细定位和克隆；化学诱导型启动子的克隆和诱导特性分析。 4. 完成新的候选基因的遗传转化并对其表型开展观察；开展渐渗系和单片段代换系筛选工作。 5.完成中国栽培稻品种基因组的深度测序、全部有效SNP的鉴定及其基因型分析，并建立中国水稻种质资源基因组序列和SNP信息的公共数据库。 6.开发可用于分子育种的相关基因信息；选育和鉴定用于基因鉴定的作图群体；分离水稻重要农艺性状基因；开展分子育种研究。 1.获得与分蘖数目控制直接作用的蛋白；完成LA1抑制基因和TAC1抑制基因初步定位；获得受LA1、TAC1调控的下游基因。将水稻半矮杆基因SHRUB和SD-K精细定位到大约20Kb区域内；完成gl-7(t)的精细定位。发表论文1-2篇 2.找出品质形成的关键基因；初步确定淀粉体蛋白质组的动态特征；鉴定出新的分子标记。完成Wx和SSI等8-10个重要等位基因近等基因系的构建； 进一步确定Chalk5和GS3-2候选基因；提供1-2个组合参加省预试。发表论文1-2篇。 3.阐明野败型不育基因的不育机理，获得野败恢和温敏不育基因的互作靶基因；完成2个花药和雄配子基因的精细定位；获得化学诱导型启动子。发表论文1-2篇。 4. 完成新的候选基因的遗传转化，得到低温应答改变的材料。发表国际论文1-2篇。 5.完成400个水稻栽培品种的基因组测序和基因型分析；建立相关的数据库。发表论文1-2篇。 6.发展用于分子育种的分子标记50个；选育新品系5个；申请专利1项。 第 二 年 1.对LA1抑制基因、TAC1抑制基因进行精细定位并对其下游调控基因进行功能研究。精细定位耐密/壮杆突变性状，筛选耐密/壮杆育种材料。克隆SHRUB和SD-K基因并进行互补验证。构建NILs，并调查NILs各项品质和产量指标；并与P13、NPB分别构建（正、反交）F1、F2 和回交组合群体。 2.研究淀粉合成相关酶蛋白相互作用；利用已构建的部分近等基因系和转基因系，开展稻米品质分析以及相关基因的表达等检测；对LSV基因进行精细定位；确定目标基因区段Chalk5和GS3-2的候选基因；杂交和分子标记辅助选择改良华恢1462、华1517B和华1971B等；进行Badh2基因分子标记筛选。 3.分析野败型恢复基因的功能和温敏、杂种不育基因的作用机理；花药或雄配子发育基因的功能分析；化学诱导型启动子控制的育性基因转化水稻 4. 分析低温引起的组蛋白修饰状态的变化规律，完成ChIP－Seq分析，得到组蛋白修饰介导低温应答基因群；准备图位克隆材料。 5.开发高通量数据的采集、统计分析和关联作图分析的相关软件和技术平台。 6.构建群体并开展分子育种研究；水稻重要农艺性状基因的分子解析；新品系参加多种试验 1.确定与分蘖数目控制蛋白互作蛋白的体内相互作用。完成LA1抑制基因、TAC1抑制基因的精细定位。完成耐密/壮杆突变性状的分子定位和候选基因分析;获得耐密/壮杆育种材料。明确SHRUB和SD-K的候选基因。完成主效QTLs/基因的遗传特性分析；获得粒长与其他稻米品质和产量性状间的关系。发表论文1-2篇。 2.阐明淀粉合成相关酶蛋白动态特征及其与淀粉积累的关系；完成8-10个等位基因近等基因系表型与表达分析，初步明确相关等位基因的效应；发掘克隆3-4个新的等位基因；确定Chalk5和GS3-2候选基因；并转化验证；提供1-2个组合参加省预试；申报专利或植物新品种权1项，发表论文1-2篇；毕业硕士研究生1名，博士研究生1名。 3.验证2个野败型恢复基因的功能；确认温敏不育靶基因的调控模式；阐明2个杂种不育基因的功能；确认2个花药或雄配子发育基因的功能；获得诱导型可育转化体。发表论文1-2篇。 4. 完成ChIP－Seq分析，得到组蛋白修饰介导低温应答基因群。发表论文1-2篇。 5.完成1－2个高通量数据的采集、统计分析和关联作图分析的相关软件和技术平台的开发与构建。发表论文1-2篇。 6.构建群体4个，鉴定和分离重要农艺性状基因2个；新发展分子标记50个；分子育种新材料100份以上；5个品系参加省级区试；1个品种通过省级审定。申请专利1项。 第 三 年 1.研究与分蘖数目控制直接互作蛋白生化功能，及其水稻分蘖的调控中可能的作用。完成LA1抑制基因、TAC1抑制基因的候选基因克隆并进行功能研究。研究获得控制耐密/壮杆性状的关键基因，揭示其功能与调控机制。分子检测育种材料。研究SHRUB和SD-K基因的生化功能。完成该主效QTLs/基因的测序和基因预测，分离克隆含目基因的DNA序列。对主效QTLs/基因的NILs及轮回亲本NPB进行组织学和细胞学水平的观察。 2.对控制抗性淀粉含量的基因进行精细定位或QTL分析；研究Wx和SSI等重要等位变异的分子机理；对发掘的新等位基因和LSV候选基因开展近等基因系与转基因系的构建工作；对BC1F2株系进行分子标记筛选；杂交和分子标记辅助选择改良华恢1462、华1517B和华1971B等。 3.继续研究野败恢复基因的分子机理；温敏不育基因靶基因功能研究；花药或雄配子发育基因的作用机理；化学诱导型不育转化体的育性分析。 4. 在ChIP-Sequence结果的基础上继续新基因的开发；研究耐低温相关基因调控机理；开展多基因组装的杂交组合或载体构建。 5.鉴定一批水稻品质、产量、耐冷、耐盐等重要农艺性状的基因挖掘和功能研究。完成100份我国及世界水稻野生品种的基因组深度测序和资源的遗传多样性研究。 6.继续分离水稻重要农艺性状基因并进行组装；开展分子育种研究，新品系参加多种试验。 1.完成1-3个互作用蛋白生化功能分析。获得LA1抑制基因、TAC1抑制基因的转基因植株；明确LA1、TAC1下游调控基因功能。克隆水稻耐密/壮杆的关键基因，初步揭示其功能；通过分子检测获得高世代耐密/壮杆表型育种材料。获得目标基因序列；初步分析及预测该基因的表达及调控机理。发表论文1-2篇。 2.对抗性淀粉基因进行精细QTL定位或基因精细定位；明确Wx和SSI等重要等位变异的遗传效应；完成品质新等位基因和LSV候选基因相关近等基因系与转基因系的构建；提供1-2个组合参加正式区试试；申报专利或植物新品种权1项，发表论文1-2篇。；申请专利1项；毕业硕士研究生1名，博士研究生1名。 3.阐明1个野败型恢复基因的分子机理；确认温敏不育基因的靶基因的功能；阐明1个杂种不育基因和1个雄配子发育基因的作用机理；获得诱导型不育可育两用系基础材料。发表1－2篇论文，申请1项专利。 4. 定量PCR检测验证耐低温相关基因调控的下游基因表达变化；完成转基因材料的生理指标鉴定；开展多基因组装的杂交组合或载体构建。发表论文1-2篇。 5.克隆和鉴定5－8个新基因。完成100份水稻野生品种的基因组深度测序和资源的遗传多样性研究。发表论文1-2篇。 6.鉴定和分离重要农艺性状基因1个；选育分子育种新材料150份以上；5个品系参加省级区试；1个品种通过省级或国家审定。发表国际论文2篇；申请专利1项。 第 四 年 1.研究互作蛋白在水稻分蘖的调控中作用；研究LA1和 TAC1下游调控基因的表达水平及株型的影响。发掘实用型分子标记，以耐密/壮杆为核心的育种群体构建与MAS; 高产耐密/壮秆水稻选育。研究，鉴定与SHRUB和SD-K相互作用的蛋白。利用粒长主效基因间的互作效应关系结果，开展分子标记辅助选择；种植近等基因系NIL-gl3和NIL-gl7。 2.确定控制抗性淀粉的候选基因；继续对发掘克隆的新等位基因和LSV基因开展近等基因系与转基因系的构建工作；对BC2F2株系进行分子标记筛选；继续杂交和分子标记辅助选择改良华恢1462、华1517B和华1971B等；组合测配和优质鉴定。 3. 研究野败恢复基因的分子机理；创建新型的温敏不育系培育体系；杂种不育基因和雄配子发育基因的作用机理；化学诱导型不育可育两用系的培育。 4. 对克隆的候选基因开展生化性质分析；分析转基因材料细胞内信号转导的改变；确认耐冷相关基因调控目标基因和调控机理；继续图位克隆工作。 5.建立高通量基因表达、调控及相互作用网络的研究体系；启动水稻系统生物学的研究。 6.分析水稻重要农艺性状基因的不同组装方式的效应；多基因聚合平台的构建；继续开展分子育种研究；新品系参加区试。 1.明确激素对TAC1参与的株型发育信号途径中的基因表达调控机理; 检测筛选或创制耐密/壮杆的近等基因系; 培育高产耐密/壮秆型水稻新品种(系)。分析粒长主效基因间的互作效应关系；筛选产量显著提高的新品系5-10个。发表论文2-3篇。 2.进一步明确重要基因等位变异在稻米品质形成中的分子机理；初步明确新等位基因和LSV候选基因的功能；对Chalk5和GS3-2功能验证分析，辅助实验和多品种的测序分析和比较；提供1-2个组合参加正式区试试；申报专利或植物新品种权1项，发表SCI论文2-3篇；毕业硕士研究生1名，博士研究生1名。 3.阐明另1个野败型恢复基因的分子机理；获得新型温敏不育系材料；阐明另1个杂种不育基因和另1个雄配子发育基因的作用机理；获得2个诱导型不育可育两用系；发表2－3篇论文，申请1项专利。 4. 完成相关基因的胞内定位以及互作蛋白的验证；确认耐冷相关基因调控目标基因和调控机理。发表论文2-3篇。 5.建立高通量的基因表达、调控及相互作用网络的研究体系与平台；发表2－3篇论文，申请1－2项专利。 6.鉴定和分离重要农艺性状基因1个；分子育种新材料200份以上；6 个品系参加省级区试；1个品种通过省级或国家审定。发表论文2-3篇。 第 五 年 1.深入研究水稻分蘖数目形成的蛋白质互作网络中的1～2个关键蛋白的生物学功能。明确LA1和TAC及其抑制基因调控水稻株高的分子机理。耐密/壮杆水稻的分子设计和组装育种技术与体系研究; 耐密/壮杆型水稻品种高产试验和示范推广。明确SHRUB和SD-K基因调控水稻株高的分子机理，进行水稻株型改良研究。将粒形主效基因导入保持和恢复系中，配置杂交组合，获得高产优质杂交新品种（组合）。 2.研究抗性淀粉形成和淀粉合成相关酶蛋白的的调控网络，发展相关的分子标记；研究Wx和SSI等重要等位变异的分子机理；对发掘的新等位基因和LSV候选基因开展近等基因系与转基因系的构建工作；杂交和分子标记辅助选择改良华恢1462、华1517B和华1971B等，不育系、保持系和恢复系的测配选育。 3.新型温敏不育系的培育；化学诱导型不育可育两用系的培育和杂交育种。 4. 对多个转基因材料进行表型分析和生理指标观察；综合分析渐渗系和单片段代换系的筛选结果、表观遗传学的测序结果、反向遗传学的功能验证结果以及细胞生物学的观察结论，建立在水稻中低温信号的感受、转导和应答机理。 5.完成400个代表性地方栽培品种的收集、鉴定和保存。 6.水稻重要农艺性状基因的最佳同组装方式鉴定；多基因的分子标记和转基因育种；继续开展分子育种研究。 1.了解1～2个关键蛋白的对分蘖数目和角度调控的生物学功能。建立耐密/壮杆水稻的分子设计和组装育种体系;培育高产耐密/壮秆型水稻新品种(系)。获得含粒形主效基因的高产优质杂交新品种（组合）2-3个。获得具有重要应用前景的功能基因专利5项；培育比我国主干品种产量显著提高的新品系或品种5-8个。发表论文2-3篇。 2.初步明确淀粉合成影响稻米品质的机理，进一步完善稻米品质形成调控的模型；对抗性淀粉基因进行精细QTL定位或基因精细定位。完成Wx和SSI等8-10个重要等位（或复等位）基因近等基因系的构建；和初定位LSV基因。获得F1种子和基于Badh2基因分子标记。进一步确定Chalk5和GS3-2候选基因；提供1-2个组合参加省预试。发表论文1-2篇。 3.获得1个新型温敏不育系；获得化学诱导型不育可育两用系以及杂交稻新组合等3-5个。发表2－3篇论文，申请1项专利。 4. 获得水稻抗寒性明显改善的新品系；建立在水稻中低温信号的感受、转导和应答机理。发表论文1-2篇。 5.建立水稻种质资源的管理和长期保存利用的有效资源库。完成2－3篇论文。 6.鉴定和分离重要农艺性状基因1个；分子育种新材料250份以上；8个品系参加省级区试；2个品种通过省级或国家审定。 一、研究内容 本项目将在前一期973项目取得成果的基础上，结合国内外水稻基因组和分子生物学研究的新进展，进一步凝练科学目标，以我国水稻生产中的重大需求为导向，以功能基因组和分子生物学研究为主要手段，重点开展水稻高产、优质等重要性状的分子机制和设计育种研究。主要内容包括：株型发育的分子机制和设计、品质性状形成的分子调控网络和设计、雄性和雌性不育分子机理与杂种优势利用、耐寒等重要抗逆性的分子机制研究、重要农艺性状优良基因的深度挖掘、以及分子设计和多基因组装育种。具体内容包括： 1）株型发育的分子机制和设计： 系统研究并初步阐明水稻株型发育的分子机理，在已获得和新的控制分蘖数量、分蘖角度、叶片性状、穗粒大小等株型相关重要功能基因的基础上，开展它们在水稻高产相关株型分子设计和组装育种研究。 2）品质性状形成的分子调控网络和设计：借助分子生物学和生物化学等方法，分析不同水稻淀粉合成相关酶基因在基因组、转录组以及修饰组水平的遗传表达差异，揭示其功能，初步阐明淀粉合成和降解以及蔗糖运输的分子机理，利用已有和新的淀粉品质相关重要功能基因开展稻米品质的分子标记辅助和设计育种。 3）雄性和雌性不育分子机理与杂种优势利用：克隆水稻雄性和雌性不育基因的基础上，阐明其分子作用机理。通过将不育基因与自主创建的化学诱导表达启动子结合，研究不育基因在水稻杂种优势利用中的新途径与技术体系，培育新的不育系和恢复系以及杂交稻新组合等。 4）耐寒等重要抗逆性的分子机制研究：以耐低温、抗寒水稻为材料，利用系统生物学、分子生物学等手段，研究低温信号诱导表达的基因，探索它们与水稻耐寒适应性形成间的关系，通过分子标记和转基因技术等培育水稻抗寒性新品系。 5）重要农艺性状优良基因的深度挖掘：利用新一代DNA测序技术进行高通量、大规模测序的分析，完成数百个自然变异的水稻地方品种和重要主骨干亲本的重测序，系统分析优良栽培稻种及重要野生稻种中存在的优良等位基因变异，获得有应用价值的优良基因，并用于水稻重要农艺性状的分子设计和多基因组装育种。 6）分子设计和多基因组装育种： 利用现代作物育种新技术手段，构建用于水稻分子设计和多基因组装育种研究的材料平台和技术体系，并应用于水稻品种改良，育成一批有显示度的水稻新品系和品种。