973项目申报书-牛奶重要营养品质形成与调控机理研究(编辑修改稿)

973项目申报书-牛奶重要营养品质形成与调控机理研究(编辑修改稿)内容摘要：

功能的机理 ，揭示 LPS 等 影响肝脏物质代谢关键功能基因表达谱变化规律， 及其对 乳 成分 前体物重分配 影响的分子机理； 3. 揭示外源 调节因子 对乳腺上皮细胞乳脂肪前体物代谢、摄取、利用和分配的影响规律及其机制； 4. 确定参与乳脂肪和乳蛋白合成的第一基因组和第二基因组中主要功能基因 10 个； 5. 揭示不同 日粮模式下瘤胃、肝脏和乳腺 内 乳 成分 前体物生成与利用的协同关系。 绘制出乳脂肪和乳蛋白合成的关键代谢调控网络，建立干预乳脂肪和乳蛋白合成的关键代谢网络调控通路的技术途径； 建立典型日粮条件下 牛奶乳脂肪和乳蛋白的特征图谱，获得具有 明 确干预效果的日粮模式 1～ 2 种，形成瘤胃“稳态”调控技术 1 项； 6. 发表 SCI 收录论文 20～ 25篇，培养研究生 25～ 30 名，申报专利 2～ 3 项。 研究内容 预期目标 第 四 年 1. 研究瘤胃细菌、真菌和原虫在乳成分前体物生成过程中的互作 ；日粮因素影响瘤胃上皮和小肠 吸收 乳成分前体物的 机理 ； 2. LPS 等对肝脏物质代谢关键功能基因与免疫相关细胞因子基因表达谱式发生变化的细胞重编程 的影响，分析肝脏免疫与代谢功能的相互关系，及其对肝脏免疫功能和营养重分配的影响； 揭示 LPS 等异常代谢产物对肝脏内乳 成分 前体物重分配 和乳腺乳成分合成 “重编程”的 分子机制； 3. 研究肝脏物质代谢功能基因与免疫相关细胞因子基因表达谱式建立和维持的细胞编程规律；乳成分前体物的组成模式对乳腺 功能 基因、乳蛋白转运载体表达量的影响，探讨其调控机制；确定激素、生长因子、植物生物活性物质等外源信号干预基因组表达后乳成分前体物需求的变化 ； 4. 研究不同日粮模式下关键代谢物质与神经内分泌系统的互作关系，构建基于信号转导通路的关键物质与神 经内分泌网络互作的整合分析系统；建立应用生物活性物质改善乳脂肪和乳蛋白合成的调控方法；确定牛奶中乳蛋白、乳脂肪的特征组成及其比例。 1. 阐明乳成分前体物在消化道内的吸收机制 及 日粮影响瘤胃VFA 的吸收机理，探明日粮长链脂肪酸在瘤胃的氢化效率及其影响机制，揭示 瘤胃微生物在乳成分前体物 生成 中的调节 作用 ； 2. 阐明肝脏物质代谢功能基因与免疫相关细胞因子基因表达谱式和细胞编程规律 ， 揭示肝脏内乳脂肪和乳蛋白前体物重分配的细胞“重编程”分子机制； 3. 提出脂肪酸和氨基酸等乳成分前体物 发挥最佳协同作用的平衡模式， 确定乳成分前 体 物与乳腺 功能基因的互作关系； 4. 揭 示乳脂肪和乳蛋白功能合成基因（组）高效表达的营养需要和调控途径； 5. 阐明乳脂肪和乳蛋白特征图谱变化规律， 建立具有中国饲料资源特色的改善牛奶重要营养品质的系统整合理论 ； 6. 发表 SCI 收录论文 26～ 30 篇；培养研究生 30～ 35 名，申报专利 3～ 4 项。 研究内容 预期目标 第 五 年 1. 日粮组成以及饲料添加物对瘤胃发酵类型、微生物菌群结构、数量与功能的影响； 2. 分析功能基因的甲基化水平，研究瘤胃代谢异常产物影响肝脏 和乳腺 细胞重编程的表观遗传机理；瘤胃上皮对 LPS 等异常代谢产物适应机制及其瘤胃内 LPS 等代谢异常 产物生成的控制； 3. 分析预测第一基因组与第二基因组在乳脂肪和乳蛋白合成中的关联性 ， 通过不同日粮模式奶牛试验筛选验证具有 关联 作用功能基因（组） ； 4. 探讨实现“前体物质最大化，异常物质最小化、活性物质高效化”三种模式的条件，优化乳成分前体物的形成与利用，研究提高乳脂肪和乳蛋白合成的营养调控方法；分析乳脂肪和乳蛋白特征图谱对日粮变化的响应关系，研究评价牛奶营养品质特征的基础方法。 1. 鉴定参与乳脂肪、乳蛋白前体物生成的关键菌群 12 个； 获得 两个基因组 中具有关联性的功能基因 3～ 5 个 ； 2. 建立消化道内乳脂肪和乳蛋白前体物生成的优 化模式；揭示维护瘤胃上皮结构和功能完整性的途径和机理，形成控制代谢异常产物的瘤胃健康模式； 3. 揭示引起肝脏内参与乳脂肪和乳蛋白前体物转化与分配的功能基因差异表达的表观遗传机理； 阐明 乳腺乳成分和 LPS 等异常代谢产物对乳腺乳成分前体物的摄取、利用及其调节机理； 4. 建立干预乳脂肪和乳蛋白合成的关键代谢网络调控通路的技术途径，试验验证使乳脂肪和乳蛋 白 含 量分 别 达到 % 和%；建立评价牛奶营养品质特征的方法； 5. 发表 SCI 收录论文 35～ 38篇，培养研究生 15～ 18 名，申报专利 3～ 5 项， 出版专著 3～ 5 部 ，培养学术带头人 10～ 15 名。 一、研究内容 （一） 拟解决的关键科学问题 乳成分前体物是 日粮营养物质通过奶牛机体转化为乳脂肪和乳蛋白的物质基础，其 生成与利用是形成牛奶营养品质的关键。 立足我国 不同产地的 饲料资源，揭示不同日粮模式下乳成分前体物的生成 过程、分配机制、利用途径及其神经内分泌调节，代谢 异常产物的产生及其控制机制，对瘤胃、肝脏、乳腺代谢的影响及其分子机理， 阐明乳脂肪和乳蛋白合成的机制及代谢调控网络，解析我国当前牛奶品质低下的原因，建立干预关键网络调控通路的有效技术途径，为改善牛奶品质提供基础理论和技术指导。 这已成为 提高牛奶质量亟待解决的重大科学问题。 （二） 主要内容 立足我国 不同产地的 饲料资源，针对大规模、中等规模和农户养殖 3 种主要生产方式，以健康经产奶牛为试验动物， 研究比较不同日粮结构（粗料型、精料型和混合型）和营养水平（高、中、低） 组成的日粮模式下 ， 奶牛合成乳脂肪和乳蛋白 的差异及其 调控机理 ， 重点从以下几个方面开展研究： 1. 乳成分前体物的 生 成与利用规律及调节机制 以我国当前奶牛生产实际和饲料资源为基础，比较研究不同日粮模式下主要营养物质（含氮物质、碳水化合物、脂类）在消化道（瘤胃和小肠）和肝脏内 生成乳成分前体物的 规律，以及 乳腺对乳成分前体物摄取利用 的 机理和效率，研究乳成分前体物 生 成与利用的 神经 内分泌调节机制 ， 建立乳成分前体物组成的理想模式。 2. 代谢异常产物 的产生及其对 瘤胃、肝脏、乳腺代谢的影响 研究 代谢异常产物 的产生条件，代谢异常产物 对乳脂肪和乳蛋白合成的影响及其 引起 肝脏、乳腺细胞 “ 重编程 ” 机理， 建立代谢异常产物的控制途径。 3．乳脂肪和乳蛋白合成相关功能基因（组） 的 筛选及其 与 营养 素 互作关系 从奶牛 乳腺 （第一基因组）和消化道微生物（第二基因组）筛选参与乳脂肪和乳蛋白合成的功能基因（组），研究乳成分前体物及代 谢产物与功能基因的互作关系及其信号转导通路，探索第一基因组和第二基因组在乳脂肪和乳蛋白合成中的 关联性 、相关功能基因（组）的作用以及营养调控机理。 4． 改善乳脂肪和乳蛋白含量与组成的系统整合理论和关键调控途径 以整合生理学为指导，分析乳脂肪和乳蛋白组成的特征图谱及其与乳成分前体物的关联度，研究乳脂肪和乳蛋白合成过程中瘤胃、肝脏和乳腺的协同作用及其神经内分泌调节机制，解析乳成分前体物 生 成与利用的关 键代谢网络调控通路 ，建立日粮中营养素及生物活性物质调控乳脂肪和乳蛋白合成的关键途径，为定向调控乳脂肪和乳蛋白含量，优 化乳脂肪和乳蛋白的组成 及 改善牛奶品质提供理论依据和技术途径。 项目名称： 主要粮食作物骨干亲本遗传效应和利用的基础研究 首席科学家： 李立会 中国农业科学院作物科学研究所 起止年限： 至 依托部门： 农业部 二、预期目标 （一）总体目标 针对骨干亲本在育种实践中作用突出以及新时期育种目标的需求，在我们通过前一个 973 项目的研究，已基本明确了骨干亲本第一个关键科学问题 “遗传构成 ”的基础上，本项目围绕骨干亲本的第二个关键科学问题 “遗传 与利用 效应 ”，以水稻、小麦、玉米等主要粮食骨干亲本亲本及其衍生的大面积推广品种为基本研究材料，应用表型组学、基因组学、作物育种学、生物信息学等学科的理论和方法，阐明不同时期、不同生态区的水稻、小麦、玉米骨干亲本中重要基因组区段 /基因簇 /基因 /等位基因的演变趋势，构建水稻、小麦、玉米骨干亲本 的 基础 遗传 图谱 ，为基于全基因组分子设计育种提供依据； 阐明水稻、小麦、玉米骨干亲本的基础 遗传 图谱的遗传与 育种 效应；发掘对实现水稻、小麦、玉米未来育种目标具有重要价值的 关键 基因组区段 /基因簇 /基因 /等位基因 ； 阐明水稻、玉米 的穗粒数、粒重等产量性状一般配合力的遗传学基础，并揭示一般配合力对骨干亲本形成的作用以及骨干亲本能够衍生出大量主栽品种的生物学基础 ；阐明控制一般配合力基因组区段与 骨干亲本的基础 遗传 图谱 的关系；建立 水稻、小麦、玉米 候选骨干亲本选育以及最佳亲本组配的分子设计模型 ；提出综合评估候选骨干亲本和改良现有骨干亲本的技术方法，指导并提高亲本组配和育种效率 ； 筛选、创制对未来 5～ 10 年水稻、小麦、玉米等粮食作物育种具有重要促进作用的候选骨干亲本，并通过育种实践 验证 ，为创立骨干亲本育种理论、培育新时期需求的新品种提供理论和物质 支撑。 通过该项目的实施，将进一步强化我国在农作物骨干亲本基础理论和应用研究方面的原始创新，并通过创建围绕农作物骨干亲本的新的育种理论与技术体系，以及创造的符合新时期育种目标需求的候选骨干亲本的应用，继续提高我国在杂交稻等作物育种领域的国际领先地位，最终为我国的粮食安全提供科学保障与技术和物质支撑。 （二）五年预期目标 阐明不同时期、不同生态区的 水稻、小麦、玉米共 40~50 个 骨干亲本中重要基因组区段 /基因簇 /基因 /等位基因的演变趋势，构建 水稻、小麦、玉米 骨干亲本 的 基础 遗传 图谱各 1 个 ， 为基于全基因组分子设 计育种提供依据。 阐明 水稻、小麦、玉米 骨干亲本的基础 遗传 图谱的遗传与 育种 效应； 分析重要基因 和基因序列变异 15~20 个， 阐明 5~8 个 基因 /等位基因的功能 ； 发掘对实现 水稻、小麦、玉米 未来育种目标具有重要价值的 关键 基因组区段 /基因簇 /基因 各 2~3 个。 阐明水稻、玉米 的穗粒数、粒重等产量性状一般配合力的遗传学基础，并揭示一般配合力对骨干亲本形成的作用以及骨干亲本能够衍生出大量主栽品种的生物学基础 ；阐明控制一般配合力基因组区段与 骨干亲本的基础 遗传 图谱 的关系。 建立 水稻、小麦、玉米 候选 骨干亲本 选育以及 最佳亲 本组配的分子设计模型 ；提出综合评估候选骨干亲本和改良现有骨干亲本的技术方法，指导并提高亲本组配和育种效率。 筛选、创制对未来 5～ 10 年 水稻、小麦、玉米 等粮食作物育种具有重要促进作用的候选骨干亲本 6~8 个，并通过育种实践 验证 ，为创立骨干亲本育种理论奠定基础。 培养博士研究生 30～ 40 名，硕士研究生 50～ 60 名。 发表 SCI 论文 50～ 60 篇（累计影响因子 150 以上）；申请 专利 9~10 项。 三、研究方案 （一）学术思路 为了进一步强化我国在农作物基础理论和应用研究方面的原始创新，针对作物遗传育种基 础研究中的关键问题之一，骨干亲本在育种中效果显著但其形成与利用的遗传基础不明的客观现实，以水稻、小麦、玉米等主要粮食作物骨干亲本及其衍生的大面积推广品种系谱分析为出发点，在已解决了骨干亲本的第一个关键科学问题 “遗传构成 ”的工作基础上，综合利用表型组学、基因组学、作物育种学、生物信息学等学科的理论与技术，从骨干亲本重要基因组区段 /基因簇 /基。