973项目申报书-主要粮食作物骨干亲本遗传效应和利用的基础研究

973项目申报书-主要粮食作物骨干亲本遗传效应和利用的基础研究内容摘要：

型骨干亲本为基础构建不同类型遗传分析群体为材料，对骨干亲本中与产量性状密切相关的基因组区段、关键基因 和基因序列变异 /等位基因及其组合方式进行系统的功能分析，阐明其选择与遗传效应 ；重点解析 骨干亲本的基础 遗传 图谱 内的 基因组区段、关键基因 和基因序列变异 /等位基因 的育种效应 ；发掘对实现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。 一般配合力对骨干亲本形成的作用及其遗传基础 以骨干亲本与典型非骨干亲本构建的测交群体或完全双列杂交群体为材料，利用分子标记、转录组学等技术，以穗粒数、粒重等产量性状形成为主体，定位与产量相关性状一般配合力密切相关的基因组区段，研究相关产量性状一般配合力的传递规律，探讨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遗传学基础；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。 候选骨干亲本的分子设计 在 解析 骨干亲本的基础 遗传 图谱和一般配合力遗传的基础上，辅助以计算机模拟，系 统分析骨干亲本重要基因组区段、关键基因及其等位基因不同组合方式，在不同遗传背景下对株型、产量三要素等目标性状 的 遗传效应与协调表达，建立候选 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。 候选骨干亲本筛选、创制与利用 根据不同时期、不同生态区骨干亲本遗传构成特点， 结合骨干亲本 基础 遗传 图谱 以及 重要基因组区段、关键基因变异类型及其不同组合方式的遗传效应 和分子设计模型，筛选、创制对未来 5～ 10 年 水稻、小麦、玉米等 主要粮食作物育种与生产具有重要促进作用的候选骨干 亲本， 并通过育种实践 予以验证 ， 为创立骨干亲本育种理论奠定基础。 项目名称： 植物免疫机制与作物抗病分子设计的重大基础理论 首席科学家： 何祖华 中国科学院上海生命科学研究院 起止年限： 至 依托部门： 中国科学院 农业部 二、预期目标 （一）项目总体目标 深入阐明重要粮食作物的免疫机理、建立我国主要农作物重大病害抗病机制为模式的创新研究体系，结合我国转基因新品种培育的重大战略需求，建立作物抗病分子设计的理论与技术体系。 本项目 将系统分离并鉴定重要粮食作物水稻和麦类新的抗病基因（包括QTL）、病原菌致病因子的寄主靶标、模式植物拟南芥的重要调控基因及其在作物中的相应功能等，建立我国特色的分子植物病理学前沿理论研究模型，开辟植物免疫研究的国际前沿， 前瞻性地布局国际前沿的创新研究领域与技术体系。 在植物新的免疫机制、作物广谱持久抗病的分子遗传机制、作物重要腐生病（如纹枯病）的抗病性等方面获得重大突破，并以此为基础建立重要粮食作物抗病分子设计的重大基础理论和技术体系。 本项目将在农作物抗病性的基础理论上做出创新性贡献，为作物抗病育种提供具有自 主知识产权的新策略、新技术和基因资源。 本项目的实施将在高水平研究论文发表、专利申请和优秀人才培养与团队建设等方面做出重大贡献，大幅提高我国的农业科学理论与技术水平，实现跨越式发展，显著增强我国农业科学自主创新的能力，为国家 “转基因新品种培育重大专项 ”的高效实施提供理论与技术体系的保障。 （二）五年预期目标 1. 建立水稻和麦类作物免疫研究的前沿体系 以水稻为代表的农作物 与拟南芥相比，它们的免疫分子机理既有相似性，但在抗病基因的结构和功能、对病原菌 PAMP 和 effector 识别应答及其调控网络的结构等方面存在重要差 异，并存在 较多的技术障碍， 重要的研究体系也没有很好建立。 本项目将立足于领域前沿与国家需求，分别把水稻和小麦的重要抗病系统的研究进一步发展成为全面、成熟、具有国际前沿水平的植物抗病分子机理研究的模式体系；并初步建立对顽拗性腐生病原菌纹枯病（立枯丝核菌）和赤霉病（ 禾谷镰孢） 免疫研究的技术平台与重要的抗病相关基因资源， 全面揭示宿主农作物对 腐生性病原 侵染的应答网络和免疫机制， 为分子植物病理学科的发展和作物抗病分子育种提供新的理论和途径。 2. 深化植物免疫研究的模式和内容，开辟国际领先的研究新领域 本项目课题组在近几年 已在拟南芥的 PTI 和 ETI， SAR，及其交互作用（ crosstalk）做出了系列的国际水平的研究成功，项目的实施将进一步建立合作团队，凝练主攻方向，在 植物 ETI 的新机制、 ETIPTI 交互作用、新的 SAR 调控因子上建立国际领先的研究领域，获得系列重要研究成果。 3. 创建植物免疫表观遗传调控研究新体系 目前植物免疫的表观遗传机制研究刚刚起步，若干重要问题亟待解决。 本项目将 利用相关课题组已经建立的国际前沿植物 RNA 沉默及抗病毒分子机理的研究水平的基础上，鉴定新的表观遗传因子与作用机制，系统研究 植物中 RNA 沉默介 导的表观遗传机制在植物免疫中的新的调控功能；建立重要作物病害如黄单胞菌（白叶枯病）对水稻 siRNA 的调控的全基因组网络，阐明植物 miRNAs 是否通过调控 R 基因直接参与植物抗病反应，在新的层面上认识植物免疫的 RNA 沉默途径的应答机制，建立创新的植物免疫研究理论与技术体系，在农作物抗病的理论和转基因抗病新技术上取得新的突破。 4. 剖析作物抗病性与产量性状关联的分子机制，建立学科交叉领域 以水稻抗病反应与发育的交互作用为模式系统，阐明水稻 SAR 基因 OsNPR1如何调控生长素发育途径，从而调节水稻产量性状的分子机制； 阐明 ET 发育途径参与水稻稻瘟病抗性的分子机理；阐明以水稻病毒病（ RDV 和水 RBSDV)侵染植物导致植物矮化的分子机理 ， 为病毒防治寻找新的途径；建立新的作物抗病与发育交叉研究领域，在学科创新上有持续的生命力。 5. 系统发掘作物重要抗病新基因，解析新的抗性机制 目前从水稻和小麦中克隆的抗病基因数量非常有限，极大部分抗病基因还未知。 这对于全面理解作物与病原菌的相互作用及抗病机制是主要的限制因素。 尤其是对广谱持久抗病性的分子机制基本上是空白。 此外，对于类似纹枯病这样的水稻病害，其危害已越来越严重，但在水稻中迄今尚未 鉴定有重要抗性的基因位点。 本项目将系统克隆 3050 个水稻抗病基因（尤其是广谱持久抗病基因）、麦类 慢锈病抗病主效 QTL 等、以及重要的抗病调控基因，系统剖析这些新抗病基因的抗性机制，尤其将在克隆水稻广谱抗病基因 ROD Pigm、小麦慢条锈苗期主效数量抗性基因 Yrq1及大麦慢叶锈成株期主效数量抗性基因 Rphq4的基础上，确定其在免疫反应网络中所承担的功能，提出植物广谱持久抗病性遗传与分子机理的模型，也为接续的分子设计育种奠定基础。 6. 创立并实践作物抗病分子设计的基础理论与技术体系 本项目将整合上述基础理论和 基因资源，解决抗病分子设计育种的关键科学问题，包括：优异等位或同源抗病基因的开发、基因簇内复等位基因的重组和功能评价；新型抗病基因的分子设计和功能评价；抗病基因的聚合转化 /转育及其功能评价。 本项目将率先建立水稻和小麦抗病分子设计的实践模型， 发展 23 种农作物抗病改良的新策略， 为广泛开展作物抗病分子设计育种奠定理论与技术基础。 通过科学的分子手段，结合传统育种手段对农作物栽培品种进行遗传改良，得到抗病性显著改良和广谱抗病的水稻、小麦等农作物的品系 710 个，获得 23 个能够抗水稻纹枯病、病毒病等疑难病害的农作 物品（株）系。 7. 创造系列高水平的研究成果，大幅提升我国在本领域的国际地位 在国内外核心刊物上发表研究论文 100 篇左右。 其中，在国际一流学术期刊（ IF ）上发表论文 10－ 15 篇，申请发明专利 20－ 30 项， 授权专利 7－ 10个 ，主办一次大型专业国际学术会议，大幅提升我国科研团队在国际上的研究地位。 8. 全面推进优秀人才培养和创新团队建设 依托项目实施， 进一步凝练我国在植物免疫和作物抗病分子领域的战略目标， 培养一批具有科学创新精神和在专业领域具有较高国际显示度的中青年学科带头人， 建设具有国际一流水平的研究 队伍。 培养博士后和研究生 150 名左右，为我国现代农业生物技术的发展奠定人才基础。 三、研究方案 （一）总体学术思路 本项目紧密结合农业生物学学科前沿，并为保障我国粮食生产安全和 支撑 国家转基因新品种培育 等 重大战略需求，建立以我国主要农作物重大病害抗病机制为模式的创新研究体系。 在研究思路上强调顶层设计与整合，以 “一线四点六面 ” 的格局组织项目的实施，即： 1 条主线， 4 个关键科学问题， 6 方面研究内容。 在具体研究体系上，针对重要的作物 病害体系包括水稻 和 麦类 病害 的新抗病基因和调控基因的克隆与功能机制，并整合与 创新模式植物拟南芥的前沿免疫研究体系。 在技术路线上广泛采用正向、反向遗传学和表观遗传学，并结合生物信息学、蛋白 蛋白相互作用、蛋白组学、现代生物化学与细胞生物学等研究技术。 在目标集成上，剖析 作物对重要病原菌的识别机制与应答的信号网络，研究作物广谱与持久抗性尤其是数量性状（ QTL）抗性的分子机制，分析与整合作物抗病性与产量性状的互作途径 ，并紧密结合作物遗传育种 ，建立作物抗病分子设计的理论、应用基础和共性技术体系。 （二）总体技术途径 目前 ‘组学 ’和 ‘复杂性状 ’的研究方法已贯穿到生物学研究的各个方面，根据总体研究目标和目前学科的发展趋势，本项目将针对农作物与病原微生物相互作用过程中的关键环节，充分利用遗传学和表观遗传、植物病理学、分子生物学、蛋白质相互作用、细胞生物学、生物化学等现代生物学研究手段，将植物 病原菌的功能基因组学、蛋白组学、转录组学和生物信息学等精密结合，以严密的设计和精准的实验分析，解析和阐明植物免疫的细胞、生化与分子过程。 因此，本项目将发展和利用以下相互交织的技术平台： 1. 充分运用遗传学与基因组学平台，鉴定重要的抗病或免疫调控因子。 利用作物抗病资源和大规模突变体筛选，定位克隆重要的抗病基 因（包括 QTL）和关键调控基因，分析抗病等位基因的结构与功能差异，并利用植物转化和基因敲除（ knockout/knockdown）等验证基因功能；利用蛋白质互作和蛋白组学等技术，鉴定重要的互作蛋白或靶蛋白等；利用表达组学结合基因功能分析，分离鉴定重要的免疫调节基因。 2. 建立表观遗传分析技术体系和遗传资源，分析表观遗传机制对植物免疫的调控，鉴定有调控功能的 sRNA 及其靶标基因。 3. 利用生物信息分析平台，对大规模植物和病原菌基因组数据库进行序列分析 和基因挖掘鉴定重要的免疫 /抗病 调控因子、 响应因子和路径节 点 等， 分析重要病原的致病性基因簇结构及其寄主靶标， 预测 抗病 蛋白 的结构和 互作 模式 ，并根据重要的免疫信号转导途径建立基因调控网络。 4. 利用激光微切割技术结合基因芯片和生物信息学分析平台，精确分离鉴定细胞特异和侵染早期的寄主响应基因，尤其是对腐生菌 (小麦赤霉病 )的抗病相关基因，建立防卫反应网络。 5. 建立和利用细胞生物学和生物化学平台，包括各种显微观察方法、标记与跟踪技术、免疫共沉淀、体内外生化活性分析等技术，验证重要的植物免疫细胞学过程，分离重要的活性小分子，抗病的激素途径及其与产量性状等的关联。 6. 将分子遗传、转基因技术和作物育种学结合，进行抗病分子设计育种，选育广谱抗病水稻和小麦品系，建立分子设计育种的理论与技术体系。 遗传学途径 表观遗传途径 生化途径 生物信息途径 （注：本设计为技术流程的主要途径，相互之间有交织） 作物抗病分子设计的理论 与技术体系 作物抗病资源 ,拟南芥突变体 基因定位克隆与功能分析 植物抗病机制与信号途径 抗病育种分子标记与分子设计 抗病等位基因和功能分化 抗病 TGS 途径 , sRNA 表达谱 miRNA,RdDM调控 R 基因 RNA 沉默 与水稻抗病性 水稻 sRNA 靶标与抗性途径 植物新抗病理论与技术体系 蛋白互作 ,关键基因鉴定 致 病因子新靶标与功能 免疫调控关键节点 激素途径和产量性状 抗病高产育种基础理论 重要数据库分析与发掘 腐生菌侵染与表达谱分析 重要调控基因鉴定与分析 蛋白互作 的分子特征 与预测 重要免疫途径基因调控网络 主要农作物重大病害 抗病机制 为模式的 植物免疫 创新 研究体系 （三）创新性 与 特色 植物免疫与作物抗病性研究是国际植物生物学研究的前沿热点领域，研究的问题复杂、涉及的学科范围和技术方法广、学科发展快、国际竞争大。 目前我国在这方面的研究与技术体系与欧美等国家相比，还 具有很大的的差距。 但是， 我国 在作物 应用基础 研究 以及相关领域 人才队伍建设方面具有 明显 优势。 本项目根据学科发展和本国农作物病害的特点，立足于创新、突出研究重点、发挥自身优势，做出跨越式。