突破二 热带植物重要功能基因挖掘与优良品种选育第....pdf

中国科学院西双版纳热带植物园“十三五”期间“一三五”专项重大突破项目 突破二2018年中期考核 热带植物重要性状的调控机制解 析与优良品种培育及其产业化 首席科学家/指挥长：余迪求 副指挥长：付乾堂 项目起止时间：2017年9月—2018年4月 课题设置与分工 • 总负责人：余迪求 • 课题一：陆稻资源收集、重要功能基因挖掘、分子 模块解析、优良品种选育及推广。 实施团队：徐 鹏 研究员团队 • 课题二：星油藤资源收集、重要功能基因挖掘、优 良品种选育及推广。 实施团队：徐增富研究员团队 所设课题的研究重点 课题一：陆稻资源收集、重要功能基因挖掘、分 子模块解析、优良品种选育及推广 • 研究重点：陆稻种质资源收集、陆生适应性有利基因挖 掘、分子模块解析、新品种选育及推广应用。具备自己 知识产权的直播旱作水（陆）稻新品种在国内及周边国 家推广。同时，开展藜麦资源收集、优良品种选育，以 及陆稻/藜麦、烤烟/藜麦等轮作模式探讨，达到充分利 用土地资源，提高老百姓收益。 • 适宜旱直播水（陆）稻新品种（组合）、藜麦等累计推 广种植100万亩以上。 所设课题的研究重点 课题二：星油藤资源收集、重要功能基因挖掘、 优良品种选育及推广 • 星油藤及其近缘种的种质资源搜集、评价与鉴定； 星油藤种质资源圃的建立；克隆鉴定与花性别发育、 种子产量、含油量及其抗病等性状相关的优异基因； 创制新的优异种质资源，选育具有高抗病性、高产 和高油等优良特性的星油藤品系或品种；建立良种 规模化快速繁育技术及其环境友好型高效栽培模式， 并推广种植。同时，开展星油藤/陆稻间作模式探讨， 达到星油藤种植地除草防虫抗病的目的。 项目总目标（课题一） • 系统收集、评价我国西南及南亚、东南亚国家陆稻资源500份以上 • 在传统方法学的基础上结合多组学手段和生物信息分析技术，对陆稻 适应陆生环境形成的不同适应性节点包括低水分种子萌发、幼芽顶土 能力、苗期的生长势、与杂草的竞争能力、不利环境的趋避能力（如 快速、卷叶、快速灌浆成熟等）、抗旱、富铁等特异性状以及陆生环 境下的产量、抗病、抗逆、优质等重要性状的建成及调控机理进行解 析，挖掘优势基因模块，开展模块组装与耦合效应分析，为热带稻作 育种创新发展提供重要的基础材料。 • 并在现代改良水稻优良品种的基础上，培育适应直播旱作水（陆）稻 新品种。 • 确保热带山区、干旱地区粮食安全支撑，并带动、提升周边南亚、东 南亚国家的稻作生产能力，确保该地区粮食安全和农民增收，服务于 国家的“一带一路”战略。 • 具备自己知识产权的直播旱作水（陆）稻新品种在国内及周边国家累 计推广种植100万亩以上。 课题一设置与分工 • 子课题一：热带陆稻资源重要功能基因挖掘与优良品种选育 • 研究重点：陆稻种质资源收集、陆生适应性有利基因挖掘、分子模块 解析、新品种选育及推广应用。直播旱作水（陆）稻新品种在国内及 周边国家累计推广种植100万亩以上。 • 子课题二：藜麦新品种筛选与示范推广 • 研究重点：开展藜麦资源收集、优良品种选育，以及陆稻/藜麦轮作 模式探讨，达到充分利用土地资源，提高老百姓收益，育成获审（认） 定藜麦新品种1-2个，推广5万亩。 • 子课题三：水/陆稻矿质元素积累、吸收利用优势基因模块发掘 • 研究重点：筛选、鉴定水陆稻种质资源，发掘水/陆稻矿质元素积累、 吸收利用优势基因模块。发掘水/陆稻优势基因模块2-3个。 课题组成员分工协作机制 子课题一：热带陆稻资源重要功能基因挖掘与优良品种选育 • 西双版纳热带植物园徐鹏研究员团队负责项目整体计划制定、合作单位协调、陆稻育种、分 子解析、培训、试验示范工作。协作单位分区负责陆稻新品种示范及推广工作。 协作单位、分工及负责人： • 西双版纳州农业科学研究所，负责西双版纳州及周边国家老挝新品种示范推广，负责人：李 俊 高级农艺师 • 普洱市孟连县农业技术推广中心，负责普洱市及周边国家缅甸新品种示范推广， 负责人：张 建梅 高级农艺师 • 砚山县农业和科学技术局，负责文山州及周边地区贵州、广西新品种示范推广，负责人：何 全才 高级农艺师 • 红河州蒙自市种子管理站，负责红河州及周边国家越南新品种示范推广，负责人：郭顺昌 高 级农艺师 子课题二：藜麦新品种筛选与示范推广 • 由蔡志全研究员团队按任务目标独立实施。 子课题三：水/陆稻矿质元素积累、吸收利用优势基因模块发掘 • 由梁岗研究团队按任务目标独立实施。 项目总目标（课题二） • 收集引进星油藤及其近缘种种质资源3-5份。 • 并采用重离子或快中子诱变等技术创制星油藤新种质，获得具有优异 性状的突变体3-6个。 • 对种质资源和突变体进行抗病性、产量和种子含油量等农艺性状和经 济性状的系统评价，以具有高抗病性、高产和高油等重要育种价值的 种质资源为基础，克隆鉴定与花性别发育、种子产量、含油量及其抗 病等性状相关的功能基因8-10个。 • 选择具有优异性状的单株进行种内自交和杂交，以及种间杂交，进一 步对后代进行大田选育，筛选和培育出具有自主知识产权的抗病、高 产和高油的星油藤新品系或新品种2-3个。 • 并建立配套的规模化良种苗木快速繁育技术体系和环境友好型星油藤 高效栽培模式，采用与企业合作、参与扶贫项目、发展庭院经济等方 式将培育的新品种进行推广种植，力争到2020年累计达到10万亩。 课题二设置与分工 1. 星油藤及其近缘种种质资源的收集与系统评价 负责人： 付乾堂 副研究员 2. 星油藤突变体的获得与新种质创制 负责人： 潘帮珍 副研究员 3. 星油藤及其近缘种的杂交与新品种选育 负责人： 吴福川 高级实验师 4. 星油藤优异功能基因的挖掘与育种利用 负责人： 陈茂盛 副研究员 5. 星油藤抗病新品种培育及苗木规模化快速繁育技术 负责人： 唐明勇 助理研究员 目前取得的主要研究进展 1. 解析陆稻、野生稻重要功能基因挖掘、分子模 块解析5个； 2. 育成陆稻新品种1个完成省级区试；4个参加省 级区域试验； 3. 藜麦推广前期研究顺利进行； 4. 陆稻新品种示范推广30余万亩。 5. 项目整体按计划实施，目前进展顺利。 陆稻团队研究进展： 1、陆稻、野生稻重要功能基因挖掘、 分子模块解析 （1）陆稻陆生适应性分子模块分子解析 序号 模块（系统） 主要性状及特点描述 进展 1 陆生适应性模块 qAER1 在陆生旱地环境株高不显著 降低以提高生物产量及产量, 适合构建陆生旱地环境水稻 高产/稳产理想株型 完成候选基因突变体构建、 表型分析 2 陆生适应性模块 qAER9.1 在陆生旱地环境抽穗期不延 迟,提高有效穗,最终提高产 量 获得T1代突变体植株，开展 表型分析 3 陆生适应性模块 qAER9.2 在陆生旱地环境整齐抽穗， 致使抽穗期不延迟，最终提 高结实率而提高产量 获得T1代突变体植株，开展 表型分析 陆生环境下株高不降低模块qAER1 qAER1近等基因系的表型 无水分胁迫陆生环境 水田 qAER1近等基因系比轮回亲本明恢63 在无水分胁迫陆生环 境增加34.4%的产量，在自然环境旱地增加51.6%的产量 自然环境旱地环境 注:左到右依次为明恢63、近等基因系、陆引46 精细定位区间的3个差异候选基因 陆生适应性模块qAER1 解析 LY46 S MH63 MH63 S -080 +080 • 来自陆稻的SD1单倍型在陆生适应性中扮演者重要角色。 • SD1+080在陆生环境下部分调控了地上部分与地下部分的分配以适 应旱地陆生环境。 陆生 qAER9表型 水田 旱地 注:左到右依次为明恢63、近等基因系、陆引46 qAER9.1 精细定位 Chr9 RM2855 23.7 RM444 24.69 RM23916 28.99 RM3912 29.3 IBF1 该区段已克隆关于颖壳颜色相关 基因IBF1，而在RM444和 RM23916之间，渗入系的开花不 延迟表型与褐色颖壳性状共分离， 所以，我们怀疑影响渗入系开花 不延迟的基因是IBF1的另一个单 倍型。 Jiajun Cui. et al ,2007 qAER9.1 进展 • 获得功能验证互补To代植株 • T1代纯合突变体开展表型评价试验 * 比底盘品种MH63增加16.8%的产量 qAER9.2 的表型 MH63 qAER9-E qAER9-E qAER9-E LY46 qAER9.2-287 qAER9.2-292 qAER9.2-293 E 表 示 没 有 无 渗 入 LOC_Os9g20970序列分析 AAA ATG MH63 LY46 G89 S89 MH63 269 G A 1221 3XCGG 407 DG 1335 1554 T GACGGC G 518 TGA 1562 GCG GTG A520 V520 其中89位的错义突变 发生在膜内，其余的 插入和突变均发生膜 外，膜外的突变有可 能会引起陆稻和水稻 对外界干旱环境的感 知变化，从而影响陆 稻和水稻开花时间上 不延迟。 LY46 T1代纯合突变体开展表型评价试验 陆稻团队研究进展： （2）普通野生稻多年生分枝 进展： a.元江普通野生稻，b. 普通野生稻的匍匐茎节分枝， c.成熟期的WRB1近等基因系（左）及轮回亲本云稻1 号，d. 成熟后15天近等基因系的茎节分枝 • 近等基因系。 • 性状及应用前景：成熟期以前 与轮回亲本“云稻1号”相似的 表型，但在种子成熟后高位茎 节能长出具不定根的分枝，并 能再次抽穗成熟。取单个分枝 节扦插能长成新的植株，营养 繁殖植株成熟与种子播种移栽 植株在株型、产量上表现基本 一致，表现出良好的营养繁殖 特性，培育多年生水稻、培育 无性繁殖固定杂种优势水稻新 品种的理想供体。 • 完成基因定位。 普通野生稻多年生分枝基因 WRB1初步定位 该研究已获2017年NSFC-云南联合基金资助，目前正在开展精细定位及克 隆研究工作。 陆稻团队研究进展： （3）元江普通野生稻散生-直立转换特异新株型 进展： • 近等基因系。 • 性状及应用前景：分蘖生长期 散生，分蘖期后逐步直立，进 入生殖生长期直立挺拔。在生 长前期具有更大光合面，提高 光合效率、抑制杂草，后期直 立挺拔，适宜构建合理群体密 度，为一理想散生-直立转换特 异新株型。 • 获得候选基因。 • 获得功能分析突变体。 a.元江普通野生稻前期匍匐生长，b. 普通野生 稻的后期直立生长，c.分蘖期期的散生近等基因 系（左）及轮回亲本云稻1号，d. 后期直立的近 等基因系（左）及轮回亲本云稻1号。 研究进展 BC4F2遗传群体在移栽30天调 查直：散=222:587，X2=2.44， （X2 0.05 =3.84 ） 0.1 2.11 0.7 2.1 0.3 RM20891 RM20897 RM3196 RM3325 RM427 PECG1 RM20973 Chromosome 7 PECG1（PROSTRATE-ERECT CONVERSION GROWTH 1） BC5F1表现为显性 精细定位区间候选基因在散生及直立时 期的表达量分析 Tb表示分蘖节，P表示散生时期，E表示直立时期，900为PROG1 ，YD1为水稻亲本云稻1号，36-NIL为散生—直立转换近等基因系。 PROG1互作转录因子验证 10 1 1 12 GA D GA D 13 14 1 51 6 17 -Ade-Trp-LeuTrp -Ade-Trp-LeuTrp 陆稻团队研究进展： （4）陆稻显性半矮杆基因qDH1 的分子解析 半矮杆基因的QTL定位 近等系及亲本表型观察与鉴定 A 利用BC3F2（2015H3E483）群体定位的结果； B利用群体BC3F3（2017J1E87）群体进一步定位的结果； C含有纯合qDH1近等基因系（qDH1）、滇粳优1号（ DJY1）及近等基因系（NIL）的株高分析， n=8，** 表示 t检验差异极显著（P < 0.01）； qDH1转基因互补试验 图19 转基因验证 A滇粳优1号（DJY1）与转基因植株（Trans）的株高表型图； B滇粳优1号（DJY1）与转基因植株（Trans）的株高分析；** 表示t检验差异极显著（P < 0.01） 初步结果已投稿The crop journal 陆稻团队研究进展： （5）陆稻和水稻缺铁响应关键基因的鉴定与分析 缺铁响应关键基因pir2-1、pir3-1转基因突变体表型 已种植陆稻地方品种250份，预计6月份可收种子并完成铁含量测定。 在 前期研究的基础上已获得两个对缺铁敏感的转基因水稻 陆稻团队研究进展： 2、陆稻育种研究 （1）陆生适应性模块（qAER1、qAER9）与主要高产稳产水稻 品种耦合 • 陆生适应性模块（qAER1、qAER9）与高产稳产水稻品种“明恢 63” 耦合育成适应陆生旱地种植高产稳产陆稻品种“西陆2号”， 完成2016-2017年海南省新品种审定区域试验，已申请审定； • 西陆2号、西陆2号2016年在云南品比试验分别比底盘品种增 产33.5%及29.8%，参加2017年云南省陆稻区域试验； • 新育成品系中科西陆4号（籼）、中科西陆8号（粳）提交参 加2018年云南省陆稻区域试验。 陆稻团队研究基础---育成品种 西陆2号 （2）抗旱水（陆）稻轮回选择育种 • 以一个隐形核不育基因为载体，基于从南美引进 的陆稻轮回选择群体PCT16，创建了一个融合 400余个优良水陆稻亲本的抗旱水（陆）稻轮回 选择群体XTBG-HR1； • 设计完成完善的水（陆）稻轮回选择育种体系； • 目前已完成4次重组，已获得F6高世代优良株系 2000余个，育成“中科西陆4号”、 “中科西陆5号” 等新品系20余个 。 抗旱水稻 西陆5号、孟连 中科西陆4号、孟连 中科西陆4号、勐海 陆稻团队研究进展： 3、育成新品种田间现场鉴评 • 2017年9月14日，由版纳植物园科技外事处主持， 邀请中国农业大学、云南省农科院等省内外有关 专家，对版纳植物园育成的3个陆稻新品种（系） 进行了田间现场测产验收。 2017年砚山示范 西陆6、西陆7号、云陆142 陆稻团队研究进展： 4、陆稻新品种示范推广 • 2017年累计推广陆稻新品种37.8万亩； • 2018年，在云南、贵州、广西、湖南等省共实施育 成陆稻新品种“云陆142”、“西陆2号”、“中科西陆4 号”、“中科西陆5号”、“中科西陆8号”等新品种试验 示范点36个； • 集中展示样板5个，示范面积1200亩； • 预计带动推广面积30余万亩。 陆稻目标推广区域 四个示范片， 带动云南文 山、红河、 西双版纳、 普洱、临沧 5州市及周 边省份广西、 贵州，周边 国家越南、 老挝、缅甸 陆稻推广 与普洱市孟连县农业技 术推广中心合作，负责 普洱市及周边国家缅甸 新品种示范推广 与文山州砚山县农 业和科学技术局合 作，文山州及周边 地区贵州、广西新 品种示范推广 与西双版纳州农业科 学研究所合作，西双 版纳州及周边国家老 挝新品种示范推广 与红河州蒙自市种 子管理站合作，红 河州及周边国家越 南新品种示范推广 2017年累计推 广37.8万亩 2018年示范样板播种 陆稻团队研究进展： 5、藜麦新品种筛选与示范推广 ¢藜麦种质资源收集； ¢ 2017年度3海拔（昆明、丽江、香格里拉）2品种地上（植株、种子产量、化 学成分、茎干化学成分）、地下（根际土微生物、叶片和根系的内生 菌(细菌和真菌)）的生物学、土壤理化性质的检测 ¢藜麦高产栽培的生理生态学原理及栽培调控（农业管理；昆明）； ¢藜麦与烟草、土豆等农作物的轮作； ¢藜麦种子及其副产品的开发 种质资源（准备提取DNA，RAD-seq检测） 以阶段性完成的工作： 3海拔2品种地下 （根际土微生物、 叶片和根系的内 生菌(细菌和真 菌)）。数据正在分 析之中 3海拔2品种地上（植株、种子产量、化学成 分、茎干化学成分） 数据正在分析之中 正在开展的工作： 主要品种(苗苗)的抗旱、耐盐性的生理响应（1硕士生） 拟开展的工作： ¢2018年5-6月份起，昆明(寻甸)藜麦周年内高产 栽培的生理生态学原理及栽培调控（农业管理）； ¢2018年5-8月份起，昆明(寻甸)和砚山藜麦 与土豆和烟草轮作。 ¢ 2018年5-7月份，完成藜麦1-2个省级品种申报的文本。 ¢ 藜麦杂交育种的准备和开始？ ¢ 2018年6-11月份，2篇论文的投稿（数据已具备，需要进一步数据分析 和论文写作）。 下一步工作计划 • 2018年继续开展陆稻、野生稻重要功能基因挖掘、 分子模块解析工作，确定重点解析功能基因挖掘、 分子模块6个以上； • 1个陆稻新品种获省级审定； • 2个陆稻新品种完成省级区域试验，并申报审定； • 开展陆稻水改旱直播缓解水稻重金属污染污染研究； • 完成藜麦推广前期研究工作； • 培养硕博士研究生各1名，项目组2人晋升研究员； • 推广陆稻新品种30万亩以上。 目前取得的主要研究进展 1. 采用快中子诱变等技术创制星油藤新种质，诱变后获得 约2000株材料，大部分材料已移栽大田 2. 建立了星油藤根茎基腐病的病原菌尖孢镰刀菌 (Fusarium oxysporum)的遗传转化体系 3. 克隆鉴定了与花性别发育相关的基因7个 4. 对大果星油藤和星油藤进行了种间杂交 5. 建立了星油藤近缘种大果星油藤的扦插和嫁接繁育技术 体系 版纳大田驯化的大果星油藤 大果星油藤的大田栽培与驯化 星油藤近缘种大果星油藤 果实、种子和种仁比星油藤大 星油藤 大果星油藤 星油藤 星油藤 大果星油藤 大果星油藤 辐射诱变星油藤种子萌发后移到培养袋中 快中子诱变后成活的星油藤苗 辐射诱变星油藤幼苗出现分枝 35 Gy 35 Gy 0 Gy 35 Gy处理的星油藤出现了4棵分枝的表型，占该剂量下总存活量的5.8% 快中子诱变星油藤植株移栽大田 转化绿色荧光蛋白eGFP基因的星油藤根茎基腐病的病原菌尖孢镰刀 菌在星油藤根茎组织的侵染进程 Inoculated with water Infection of GFP-Fopvo1 大果星油藤和星油藤种间杂交 大果星油藤 X 星油藤 建立了星油藤近缘种大果星油藤的扦插 和嫁接繁育技术体系 大果星油藤的扦插繁殖 星油藤嫁接大果星油藤 星油藤的遗传转化体系摸索 抗性愈伤 抗性芽 亚麻酸合成相关基因表达模式 部分星油藤花发育相关的基因初步转入拟南芥分析 WT WT 35S:PvoHEC1 35S: PvoSUP 下一步的研究计划 1. 加强收集引进星油藤及其近缘种种质资源方面的工作 2. 重离子辐射诱变抗病星油藤的筛选及其抗病机理解：析子课题2负责人 潘帮珍博士已申请获得兰州重离子加速器国家实验室的2018年度束流。 对种质资源和突变体进行抗病性、产量和种子含油量等农艺性状和经济 性状的系统评价、继续克隆鉴定与花性别发育、种子产量、含油量及其 抗病等性状相关的功能基因 3. 经费获得支持及使用情况 课题名称 突破二院财政经费Y7ZKT20B01 时间 摘要 收入 2017.10.23 2017年突破二科B17139BN拨经费 567,140 2017.12.14 支出 计提5%管理费 28,357 徐增富组人员费 75,107.88 结余 结余 46,375.12 课题名称 突破二园匹配经费Y7PPT20B01 2017.10.23 2017年突破二园拨款经费 2018.2.8 余迪求组支出差旅及零工费 27,245.90 2018.3.22 余迪求组支出外协费 400,000 结余 1,432,860 1,005,614.10 致 谢 • 西双版纳热带植物园 • 突破二指挥长及团队成员 • 课题一、课题二全体成员 • 西双版纳州农业科学研究所 • 文山州砚山县农业和科学技术局 • 普洱市孟连县农业技术推广中心 • 红河州蒙自市种子管理站 谢谢！