中國學科發展戰略丨作物功能基因組學

科學出版社2019-03-18 20:05:27

近十幾年來,功能基因組學已成為作物生命科學研究的核心領域,其研究成果為農業的可持續發展提供了強大的科技支撐。

《作物功能基因組學》系統總結了水稻、小麥、玉米、油菜、棉花等主要農作物功能基因組研究成果,通過分析我國主要農作物功能基因組研究的現狀,凝練未來研究的方向,確立新突破點。針對我國糧食生產中面臨的重大問題,特別是我國在社會經濟結構轉型時期的農業可持續發展和糧食安全問題,致力從農作物基礎研究的角度提出解決方案和應對的策略。



全書分13章,從農業發展對作物功能基因組研究需求分析入手提出問題,系統回顧了主要農作物功能基因組學研究歷史及現狀,包括作物功能基因組研究平臺,產量、品質、抗病、抗蟲、養分、抗非生物逆境、生殖發育和株型重要性狀功能基因組研究成果和關鍵科學問題的探討,提出了作物功能基因組研究的重點方向和長遠目標。展望了基因組研究成果和基因組新技術對作物育種創新帶來的推動和變革,分析了作物商業化育種模式和我國種業發展的策略和趨勢。

 

農業發展對作物功能基因組的需求。長期以來,我國農作物生產片面追求高產導致高水肥和農藥化肥的濫用,形成了高投入、低產出和環境汙染的難以持續發展的困境。未來我國農業發展必須走資源節約、環境友好、優質高產、高效安全的綠色道路。綠色農業的發展需要作物功能基因組研究提供新的基因資源,新的遺傳改良技術和優良新品種。作物功能基因組學的研究進展。

 

自21世紀初完成水稻基因組測序以來,已鑑定了一批控制重要農藝性狀的功能基因及其分子網絡。同時,通過借鑑水稻功能基因組研究的成功經驗與研究平臺,我國在小麥、玉米、大豆、油菜、棉花等其他農作物的基因組研究也取得了重大進展,相繼完成了基因組序列測定,努力提高基因組組裝的精度和質量,為功能基因組研究提供了基礎。

國內外在功能基因組平臺的建設取得長足進步和不斷地創新,包括:


(1)基因組測序;

(2)作物種質的基因組資源;

(3)作物表型組平臺的發展;

(4)基因表達譜分析平臺;

(5)表觀基因組;

(6)高通量組學分析的多個平臺,基因組學、轉錄組、代謝組學和蛋白組學等各類組學研究平臺及其不斷完善和拓展;

(7)各類生物信息數據庫。


《作物功能基因組學》系統總結了農作物產量、品質、抗病、抗蟲、養分、抗非生物逆境、生殖發育和株型等重要農藝性狀研究領域的進展和成果,提出了各領域未來研究的關鍵科學問題。

 

產量性狀


迄今為止,約有100個農作物產量相關基因被解析。這些基因大多在水稻、玉米和小麥中存在同源基因,並且功能相對保守,可用於定向改良作物產量。未來關鍵科學問題聚焦於:重要產量相關基因發掘和分子基礎;產量構成因子和產量形成的調控網絡;抽穗期與產量的調控關係;同化產物高效轉運的分子機制;單株產量和群體產量的關係。

 

品質性狀


我國在水稻粒形、堊白、蒸煮食味與營養品質,玉米營養品質、油分、微量營養元素,小麥品質性狀功能基因組學研究等領域取得了突破性進展。未來需要發掘更多重要的功能基因,深入認識主要品質性狀分子調控機制,重點探尋解決高產與優質矛盾的潛在分子機理。

 

抗病性狀


國內外學者在重要農作物中鑑定、克隆和功能驗證了大量調控抗病性狀的重要功能基因,並對部分基因抗病分子機制進行了深入的剖析。這些基因賦予作物對真菌、細菌、病毒、線蟲等病原生物的抗性,為作物抗病遺傳改良提供了基因資源、科學依據和具體實施案例。未來的重點是深化對抗病機制的認識,抗病基因的分子調控網絡解析和抗病基因發掘和利用。

 

抗蟲性狀


我國在抗蟲資源篩選、抗蟲性狀遺傳、抗蟲基因定位和克隆、抗蟲機理研究等方面取得了重大的進展。未來農作物抗蟲性狀功能基因組研究內容主要包括:農作物抗蟲基因發掘,農作物與害蟲的互作機理與作物抗蟲性調控,害蟲的遺傳變異與作物持久抗性。

 

養分利用性狀


我國在作物必需礦質營養元素(包括氮、磷、鉀、硫、鎂、鈣、鐵、錳、銅、鋅、鎳、鉬、硼和氯)的吸收、同化、分配利用及信號調控的功能基因及其分子調控機制方面取得了系列進展。今後養分利用功能基因組研究的關鍵科學問題包括:挖掘具有重要育種價值的養分高效利用基因;闡明完整的養分吸收利用及信號調控的分子網絡;明確氮、磷、鉀等養分吸收利用間的相互關係;明確養分高效與有害元素阻抗之間的關係;發掘養分與生長髮育及重要產量性狀間互作的關鍵基因;闡明共生固氮的分子機制等。

 

非生物逆境性狀


近年來主要作物抗旱性、耐鹽性、低溫或高溫耐受性的功能基因組研究取得了一系列有影響的進展,鑑定和克隆了一大批基因。提出了作物抗逆性研究的共性科學問題(抗逆性的遺傳與分子機制與遺傳改良)和不同逆境抗性特異性科學問題(作物對不同逆境信號感知和早期應答的分子機制)。進一步的研究將聚焦到有應用前景的基因發掘,解析調控網絡,重要基因的育種應用。

 

生殖發育性狀


近年在我國在作物雌雄配子體發育過程的調控機制以及作物雄性不育等分子機理相關方面進展突出。作物生殖發育功能基因組的重點研究方向是鑑定控制重要作物如水稻、玉米、小麥等花序、花器官形成的分子機制,並解析雄性和雌性生殖細胞發育、種子形成,及其與環境因子的互作機制。

 

株型性狀


作物株型是重要的產量性狀,作物株型功能基因組取得了系列進展。今後的研究將主要圍繞株型基因的發掘及其功能研究,解析株型形成的遺傳調控網絡,株型性狀之間的協同調控機制,株型基因在作物育種中的運用展開。

 

在此基礎上,提出了作物功能基因組研究未來的發展方向包括:建立和完善國際共享的功能基因組研究的技術和資源平臺,在繼續按“Rice2020”全面展開水稻等作物的功能基因組研究的基礎上,搶佔學科制高點、佈局前沿領域,引領未來國際作物功能基因組的發展。

 

加強研究成果的應用轉化。在作物功能基因組研究的基礎上發展起來的基因組育種科學技術體系,正在迅速成為現代作物育種的核心競爭力,正在推動種業的變革和快速發展,建立具有國際競爭力的商業化育種體系和企業。以基因組育種培育具有綠色性狀的高產、優質的農作物品種,將為農業的綠色發展提供支撐和保障。

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總序 i
前言 vii
摘要 ix
第1章農業發展對作物功能基因組研究需求分析 1
1.1我國主要作物的生產現狀 2
1.2我國作物生產面臨的主要挑戰 3
1.3功能基因組學是當今生命科學熱點領域 5
1.4我國作物功能基因組研究克隆的重要功能基因 6
1.5作物功能基因組研究是未來農業發展的重要技術支撐 9
參考文獻 14
第2章主要作物功能基因組學研究歷史及現狀 20
2.1水稻基因組學研究歷史及現狀 21
2.1.1水稻基因組測序的開啟 21
2.1.2我國水稻功能基因組研究計劃 24
2.1.3我國水稻功能基因組研究主要成績 26
2.1.4水稻功能基因組研究發展趨勢 32
2.2玉米基因組學研究歷史及現狀 34
2.2.1玉米參考基因組測序基本完成 34
2.2.2玉米基因組重測序與馴化改良 35
2.2.3玉米功能基因組研究主要成績 38
2.2.4玉米基因組研究面臨的挑戰及機遇 43
2.3小麥基因組學研究歷史及現狀 45
2.3.1小麥基因組測序進展 46
2.3.2建立了一系列小麥功能基因組研究平臺 47
2.3.3小麥功能基因組研究取得的重要進展 51
2.3.4小麥基因組研究面臨的挑戰及機遇 56
2.4其他作物功能基因組學研究歷史與現狀 57
2.4.1大豆功能基因組研究 57
2.4.2油菜功能基因組研究 67
2.4.3棉花功能基因組研究 73
2.4.4穀子功能基因組研究 78
2.4.5高粱功能基因組研究 80
2.4.6園藝作物功能基因組研究 84
參考文獻 90
第3章作物功能基因組研究平臺 108
3.1作物基因組測序 109
3.1.1基因組測序技術的發展歷史 109
3.1.2基因組測序技術的最新進展 110
3.1.3作物基因組的測序策略 111
3.1.4重要作物的參考基因組測序 112
3.1.5作物基因組的序列解讀 113
3.1.6基因組測序與作物遺傳分析 114
3.1.7基因組測序與作物的馴化研究 116
3.1.8基因組測序與作物分子育種 117
3.2作物種質資源基因組平臺 118
3.2.1作物種質資源概況 118
3.2.2人工創制的種質資源 121
3.2.3用於功能基因組研究的其他種質資源 124
3.2.4種質資源基因組多樣性與利用 125
3.3作物表型組分析平臺 129
3.3.1建立植物表型組分析平臺的意義 129
3.3.2國際植物表型組分析平臺研究進展 131
3.3.3我國植物表型組分析平臺研究進展 139
3.3.4植物表型組技術特色和發展展望 143
3.4基因表達譜分析平臺 144
3.4.1基因表達譜的含義及其研究意義 145
3.4.2基因表達譜構建的研究方法 145
3.4.3主要作物基因表達譜構建研究進展 147
3.4.4基因表達譜研究存在的問題及發展趨勢 153
3.5作物表觀基因組研究 156
3.5.1作物表觀基因組研究現狀 157
3.5.2作物表觀基因組與生長髮育 160
3.5.3水稻表觀基因組與(非)生物脅迫 162
3.5.4表觀突變對水稻農藝性狀的影響 163
3.5.5水稻表觀基因組與雜種優勢 164
3.5.6作物表觀基因組學展望 164
3.6作物高通量組學分析平臺 167
3.6.1基因組學分析平臺 167
3.6.2轉錄組學分析平臺 170
3.6.3代謝組學分析平臺 175
3.6.4蛋白質組學分析平臺 179
3.7生物信息數據庫 182
3.7.1生物綜合類數據庫簡介 183
3.7.2主要作物生物信息數據庫 183
3.7.3基因功能分析相關的主題類數據庫 189
3.7.4中國學者在作物數據庫建設上的貢獻 192
3.7.5作物數據庫存在的問題及發展趨勢 196
參考文獻 197
第4章作物產量性狀功能基因組研究 219
4.1構成作物產量性狀的主要因素 220
4.1.1不同作物產量性狀的構成因素 220
4.1.2產量性狀構成因素的貢獻分析 220
4.2生殖轉換時間對產量的貢獻 221
4.2.1影響產量的主要開花期基因 221
4.2.2開花期基因影響品種地域分佈 222
4.3穗型對作物產量的貢獻 224
4.3.1作物的穗型 224
4.3.2調控穗型發育的功能基因 227
4.3.3穗型發育基因在不同作物中的保守性和多樣性 233
4.4粒型基因的克隆及分子機制 233
4.4.1G蛋白信號途徑 233
4.4.2蛋白酶降解途徑 234
4.4.3植物激素信號途徑 235
4.4.4miRNA調控途徑 236
4.4.5細胞週期途徑 237
4.4.6其他途徑 238
4.5作物產量性狀功能基因組研究的關鍵科學問題 239
4.5.1產量性狀的重要功能基因發掘與分子機制解析 240
4.5.2產量性狀形成的分子調控網絡 240
4.5.3控制產量性狀基因優良單元型的發掘和利用 241
4.5.4抽穗期與產量的調控關係 242
4.5.5同化物運輸的分子機制 242
4.5.6單株產量和群體產量的關係 243
參考文獻 243
第5章作物品質性狀功能基因組研究 252
5.1作物品質的需求與重要性分析 253
5.1.1不同作物品質需求分析 253
5.1.2基因組研究對品質遺傳改良的貢獻 254
5.2我國稻米品質功能基因組研究進展 257
5.2.1稻米外觀品質的研究 257
5.2.2稻米蒸煮食味品質的研究 261
5.2.3稻米營養品質的研究 263
5.3我國玉米營養品質的功能基因組研究進展 264
5.3.1玉米籽粒蛋白的分子調控網絡解析 264
5.3.2玉米油分功能基因組研究 267
5.3.3玉米微量營養元素等健康品質研究 269
5.4小麥品質功能基因組研究進展 270
5.4.1我國小麥品種品質研究概況 270
5.4.2基因組研究改良小麥品質的研究進展 271
5.4.3小麥品質分子育種進展 271
5.5作物品質性狀功能基因組研究的關鍵科學問題 273
5.5.1影響品質性狀的重要功能基因發掘與分子機制解析 274
5.5.2品質形成基因的分子調控網絡構建 277
5.5.3控制品質性狀基因的優良單倍型的發掘和利用 277
參考文獻 278
第6章作物抗病性狀功能基因組研究 287
6.1作物抗病機制概況 287
6.1.1作物病害的分類及對作物的危害 287
6.1.2對作物抗病機制的認識 288
6.2水稻抗病性狀功能基因組研究 289
6.2.1水稻抗稻瘟病研究進展 289
6.2.2水稻抗白葉枯病研究進展 291
6.2.3水稻抗病毒病研究進展 293
6.2.4水稻抗其他病害研究進展 294
6.3玉米抗病性狀功能基因組研究 295
6.3.1玉米抗真菌性病害研究進展 296
6.3.2玉米抗病毒性病害研究進展 298
6.4小麥、大麥抗病性狀功能基因組研究 298
6.4.1麥類作物的主要病害 298
6.4.2小麥抗病功能基因組研究進展 299
6.4.3大麥抗病功能基因組研究進展 300
6.5大豆、油菜抗病性狀功能基因組研究 301
6.5.1大豆主要病害及抗病基因克隆 301
6.5.2油菜主要病害及抗病基因克隆 302
6.6其他作物抗病性狀功能基因組研究 303
6.6.1棉花主要病害及抗病基因克隆 303
6.6.2園藝作物主要病害及抗病基因克隆 304
6.7作物抗病性狀功能基因組研究的關鍵科學問題 306
6.7.1抗病機制的認識 306
6.7.2抗病基因的分子調控網絡解析 307
6.7.3抗病基因發掘和利用 308
參考文獻 308
第7章作物抗蟲性狀功能基因組研究 317
7.1作物抗蟲性狀與資源鑑定 318
7.1.1植物抗蟲性 318
7.1.2作物抗蟲資源的鑑定 319
7.2作物抗蟲性狀遺傳與基因定位 321
7.2.1水稻抗飛蝨基因的遺傳分析 321
7.2.2水稻抗螟蟲基因的遺傳分析 323
7.2.3小麥、玉米抗蟲基因的遺傳分析 323
7.2.4大豆抗蟲基因的遺傳分析 324
7.3作物抗蟲基因的克隆與功能分析 325
7.3.1已克隆的抗蟲基因 325
7.3.2作物抗蟲基因的功能 327
7.4作物抗蟲分子機制 328
7.4.1植物對昆蟲取食的信號識別 329
7.4.2植物抗蟲信號的傳遞 331
7.4.3作物抗蟲性物質 335
7.5基於功能基因組學研究成果的作物抗蟲育種 337
7.5.1分子標記輔助抗蟲育種 337
7.5.2抗蟲基因多樣性的利用 338
7.6作物抗蟲性狀功能基因組研究的關鍵科學問題 339
7.6.1作物抗蟲基因發掘及其起源、演化與分佈規律 340
7.6.2作物與害蟲的互作機制及作物抗蟲性調控 341
7.6.3害蟲的遺傳變異與作物持久抗性 342
參考文獻 343
第8章作物養分利用功能基因組研究 354
8.1作物氮利用功能基因組研究 356
8.1.1作物對氮的需求 356
8.1.2作物氮轉運蛋白功能研究 356
8.1.3作物響應氮信號的調控機制 359
8.2作物磷利用功能基因組研究 360
8.2.1作物對嶙的需求 360
8.2.2作物磷活化、吸收的功能基因組研究 361
8.2.3作物響應磷信號的調控機制 364
8.3作物鉀利用功能基因組研究 368
8.3.1作物對鐘的需求 368
8.3.2作物鉀離子轉運蛋白功能研究 368
8.3.3作物響應鉀信號的調控機制 369
8.4其他必需元素利用的功能基因組研究 370
8.4.1作物對其他必需大量元素利用的分子機制研究 370
8.4.2作物對微量元素利用的分子機制研究 371
8.5作物養分利用功能基因組研究的關鍵科學問題 377
8.5.1作物對養分吸收的分子機制解析 377
8.5.2作物養分信號調控分子網絡解析 379
8.5.3養分高效基因的發掘與利用 380
8.6小結 381
參考文獻 381
第9章作物抗非生物逆境功能基因組研究 393
9.1作物抗旱功能基因組研究 393
9.1.1基於組學的抗旱功能基因組研究 394
9.1.2抗旱功能基因的鑑定與分子機制解析 395
9.2作物耐鹽功能基因組研究 400
9.2.1利用組學方法研究作物耐鹽性 400
9.2.2作物耐鹽基因的鑑定與功能分析 401
9.3作物耐低溫功能基因組研究 403
9.3.1利用組學方法研究作物耐低溫 403
9.3.2作物耐低溫基因的鑑定與功能分析 405
9.4作物耐高溫功能基因組研究 408
9.4.1利用組學方法研究作物耐高溫 408
9.4.2作物耐高溫基因的鑑定與功能分析 409
9.5作物抗非生物逆境功能基因組研究的關鍵科學問題 413
9.5.1作物抗非生物逆境的相關研究平臺 413
9.5.2作物對不同非生物逆境特異性的科學問題 414
參考文獻 415
第10章作物生殖發育功能基因組研究 432
10.1作物小孢子發育分子機制研究 432
10.1.1花葯發育相關基因的分子網絡 432
10.1.2減數分裂相關基因的功能研究 435
10.2作物大孢子發育分子機制研究 436
10.2.1雌配子體發生的發育生物學過程 436
10.2.2影響雌配子體育性基因的研究進展 436
10.3作物雄性不育與雜種優勢的利用 437
10.3.1人工不育系在雜種優勢中的運用 437
10.3.2細胞質雄性不育研究進展 438
10.3.3光溫敏雄性不育研究進展 441
10.4作物生殖發育功能基因組研究的關鍵科學問題 443
10.4.1作物生殖發育的分子網絡解析 443
10.4.2環境條件影響育性的分子機制解析 444
參考文獻 444
第11章作物株型功能基因組研究 454
11.1作物株型研究概述 454
11.1.1作物株型的定義 455
11.1.2作物株型的研究歷史 455
11.1.3作物株型對產量的貢獻 456
11.1.4作物株型功能基因組的研究現狀 456
11.2作物株型相關基因的克隆和功能研究 457
11.2.1調控葉型的基因功能研究 459
11.2.2調控株高的基因功能研究 461
11.2.3調控分櫱數目的基因功能研究 464
11.2.4調控分櫱角度的基因功能研究 466
11.2.5調控穗型的基因功能研究 468
11.3作物株型功能基因組研究的關鍵科學問題 468
11.3.1株型基因的發掘及其功能研究 469
11.3.2解析株型形成的遺傳調控網絡 470
11.3.3解析株型性狀之間的協同調控機制 470
11.3.4株型基因在作物育種中的運用 471
參考文獻 472
第12章作物功能基因組研究的重點方向和長遠目標 477
12.1組學研究平臺的不斷完善與整合 478
12.1.1組學研究平臺的完善和拓展 478
12.1.2組學研究平臺的整合和利用 478
12.2解析基因組所有基因及調控序列的功能 479
12.2.1主要作物基因組功能註釋現狀 480
12.2.2非編碼序列在基因組中的作用 482
12.2.3基因功能研究方法和手段的創新 483
12.3重要農藝性狀形成的分子機制 485
12.3.1水稻重要農藝性狀形成的分子機制 485
12.3.2玉米重要農藝性狀形成的分子機制 487
12.3.3小麥重要農藝性狀形成的分子機制 489
12.4作物三維基因組研究 490
12.4.1作物三維基因組學研究背景和意義 490
12.4.2人類及相關物種的大規模基因組計劃 491
12.4.3三維基因組學研究內容和方法 492
12.4.4三維基因組數據的計算和分析方法 495
12.4.5作物三維基因組研究初期擬解決的關鍵問題 497
12.5作物種質資源基因組多樣性發掘與利用 498
12.5.1種質資源基因組多樣性分析與泛基因組的組裝 499
12.5.2核心種質的精細評價與基因多樣性的發掘利用 500
12.5.3創新種質資源、發掘利用優異等位基因 501
12.5.4作物種質資源平臺信息的整合 502
參考文獻 502
第13章作物基因組技術對農業發展的引領與支撐作用 509
13.1作物基因組育種新技術 511
13.1.1全基因組育種技術的發展 511
13.1.2基因組編輯技術及利用 518
13.1.3轉基因育種技術及利用 524
13.1.4單倍體育種技術 529
13.2作物育種目標的演變與發展 534
13.2.1高產、穩產的育種目標 534
13.2.2品質育種目標 538
13.2.3資源節約、環境友好的育種目標 541
13.2.4生產方式變革推動育種目標調整 544
13.3作物商業化育種模式分析 548
13.3.1國際種業巨頭的商業化育種模式 548
13.3.2我國開展商業化育種的概況 551
13.3.3建立中國特色的商業化育種模式 554
13.4作物基因組研究促進農業生產方式的變革 556
13.4.1基因組育種實現作物品種特色化和系列化 557
13.4.2需要綠色通道快速審定定向改良的作物新品種 560
13.4.3農業生產方式的變革對作物新品種的需求分析 562
參考文獻 564
關鍵詞索引 571
“水稻等主要農作物功能基因組研究發展態勢分析”中國科學院諮詢項目項目組人員名單 576



本文摘編自中國科學院編《作物功能基因組學》文前,內容有刪減。


作物功能基因組學

(中國學科發展戰略)

中國科學院編

責任編輯:王 靜  李 迪  田明霞

ISBN 978-7-03-059813-4


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中國學科發展戰略"叢書是中國科學院組織數百位院士、專家聯合研究的系列成果,涉及自然科學各學科領域,是目前規模最大的學科發展戰略研究項目。《中國學科發展戰略•作物功能基因組學》是目前國內外第一本全面、系統、完整闡述主要作物功能基因組的專著。全書由13章組成,全面而系統地回顧了功能基因組學發展歷史,功能基因組學的研究現狀,我國在農作物功能基因組研究領域所取得的重要成果,深入分析了我國主要農作物功能基因組研究面臨的新機遇和新挑戰,提出了未來研究的重點方向和長遠目標。


(本期編輯:安 靜)


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