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中国学科发展战略丨作物功能基因组学

已有 1294 次阅读 2019-3-14 10:33 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述


近十几年来,功能基因组学已成为作物生命科学研究的核心领域,其研究成果为农业的可持续发展提供了强大的科技支撑。

《作物功能基因组学》系统总结了水稻、小麦、玉米、油菜、棉花等主要农作物功能基因组研究成果,通过分析我国主要农作物功能基因组研究的现状,凝练未来研究的方向,确立新突破点。针对我国粮食生产中面临的重大问题,特别是我国在社会经济结构转型时期的农业可持续发展和粮食安全问题,致力从农作物基础研究的角度提出解决方案和应对的策略。


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全书分13章,从农业发展对作物功能基因组研究需求分析入手提出问题,系统回顾了主要农作物功能基因组学研究历史及现状,包括作物功能基因组研究平台,产量、品质、抗病、抗虫、养分、抗非生物逆境、生殖发育和株型重要性状功能基因组研究成果和关键科学问题的探讨,提出了作物功能基因组研究的重点方向和长远目标。展望了基因组研究成果和基因组新技术对作物育种创新带来的推动和变革,分析了作物商业化育种模式和我国种业发展的策略和趋势。


农业发展对作物功能基因组的需求。长期以来,我国农作物生产片面追求高产导致高水肥和农药化肥的滥用,形成了高投入、低产出和环境污染的难以持续发展的困境。未来我国农业发展必须走资源节约、环境友好、优质高产、高效安全的绿色道路。绿色农业的发展需要作物功能基因组研究提供新的基因资源,新的遗传改良技术和优良新品种。作物功能基因组学的研究进展。


自21世纪初完成水稻基因组测序以来,已鉴定了一批控制重要农艺性状的功能基因及其分子网络。同时,通过借鉴水稻功能基因组研究的成功经验与研究平台,我国在小麦、玉米、大豆、油菜、棉花等其他农作物的基因组研究也取得了重大进展,相继完成了基因组序列测定,努力提高基因组组装的精度和质量,为功能基因组研究提供了基础。


国内外在功能基因组平台的建设取得长足进步和不断地创新,包括:


(1)基因组测序;

(2)作物种质的基因组资源;

(3)作物表型组平台的发展;

(4)基因表达谱分析平台;

(5)表观基因组;

(6)高通量组学分析的多个平台,基因组学、转录组、代谢组学和蛋白组学等各类组学研究平台及其不断完善和拓展;

(7)各类生物信息数据库。


《作物功能基因组学》系统总结了农作物产量、品质、抗病、抗虫、养分、抗非生物逆境、生殖发育和株型等重要农艺性状研究领域的进展和成果,提出了各领域未来研究的关键科学问题。


产量性状


迄今为止,约有100个农作物产量相关基因被解析。这些基因大多在水稻、玉米和小麦中存在同源基因,并且功能相对保守,可用于定向改良作物产量。未来关键科学问题聚焦于:重要产量相关基因发掘和分子基础;产量构成因子和产量形成的调控网络;抽穗期与产量的调控关系;同化产物高效转运的分子机制;单株产量和群体产量的关系。

 

品质性状


我国在水稻粒形、垩白、蒸煮食味与营养品质,玉米营养品质、油分、微量营养元素,小麦品质性状功能基因组学研究等领域取得了突破性进展。未来需要发掘更多重要的功能基因,深入认识主要品质性状分子调控机制,重点探寻解决高产与优质矛盾的潜在分子机理。

 

抗病性状


国内外学者在重要农作物中鉴定、克隆和功能验证了大量调控抗病性状的重要功能基因,并对部分基因抗病分子机制进行了深入的剖析。这些基因赋予作物对真菌、细菌、病毒、线虫等病原生物的抗性,为作物抗病遗传改良提供了基因资源、科学依据和具体实施案例。未来的重点是深化对抗病机制的认识,抗病基因的分子调控网络解析和抗病基因发掘和利用。

 

抗虫性状


我国在抗虫资源筛选、抗虫性状遗传、抗虫基因定位和克隆、抗虫机理研究等方面取得了重大的进展。未来农作物抗虫性状功能基因组研究内容主要包括:农作物抗虫基因发掘,农作物与害虫的互作机理与作物抗虫性调控,害虫的遗传变异与作物持久抗性。

 

养分利用性状


我国在作物必需矿质营养元素(包括氮、磷、钾、硫、镁、钙、铁、锰、铜、锌、镍、钼、硼和氯)的吸收、同化、分配利用及信号调控的功能基因及其分子调控机制方面取得了系列进展。今后养分利用功能基因组研究的关键科学问题包括:挖掘具有重要育种价值的养分高效利用基因;阐明完整的养分吸收利用及信号调控的分子网络;明确氮、磷、钾等养分吸收利用间的相互关系;明确养分高效与有害元素阻抗之间的关系;发掘养分与生长发育及重要产量性状间互作的关键基因;阐明共生固氮的分子机制等。

 

非生物逆境性状


近年来主要作物抗旱性、耐盐性、低温或高温耐受性的功能基因组研究取得了一系列有影响的进展,鉴定和克隆了一大批基因。提出了作物抗逆性研究的共性科学问题(抗逆性的遗传与分子机制与遗传改良)和不同逆境抗性特异性科学问题(作物对不同逆境信号感知和早期应答的分子机制)。进一步的研究将聚焦到有应用前景的基因发掘,解析调控网络,重要基因的育种应用。

生殖发育性状


近年在我国在作物雌雄配子体发育过程的调控机制以及作物雄性不育等分子机理相关方面进展突出。作物生殖发育功能基因组的重点研究方向是鉴定控制重要作物如水稻、玉米、小麦等花序、花器官形成的分子机制,并解析雄性和雌性生殖细胞发育、种子形成,及其与环境因子的互作机制。

 

株型性状


作物株型是重要的产量性状,作物株型功能基因组取得了系列进展。今后的研究将主要围绕株型基因的发掘及其功能研究,解析株型形成的遗传调控网络,株型性状之间的协同调控机制,株型基因在作物育种中的运用展开。

 

在此基础上,提出了作物功能基因组研究未来的发展方向包括:建立和完善国际共享的功能基因组研究的技术和资源平台,在继续按“Rice2020”全面展开水稻等作物的功能基因组研究的基础上,抢占学科制高点、布局前沿领域,引领未来国际作物功能基因组的发展。

 

加强研究成果的应用转化。在作物功能基因组研究的基础上发展起来的基因组育种科学技术体系,正在迅速成为现代作物育种的核心竞争力,正在推动种业的变革和快速发展,建立具有国际竞争力的商业化育种体系和企业。以基因组育种培育具有绿色性状的高产、优质的农作物品种,将为农业的绿色发展提供支撑和保障。


更多精彩内容 请见目录

总序 i
前言 vii
摘要 ix
第1章农业发展对作物功能基因组研究需求分析 1
1.1我国主要作物的生产现状 2
1.2我国作物生产面临的主要挑战 3
1.3功能基因组学是当今生命科学热点领域 5
1.4我国作物功能基因组研究克隆的重要功能基因 6
1.5作物功能基因组研究是未来农业发展的重要技术支撑 9
参考文献 14
第2章主要作物功能基因组学研究历史及现状 20
2.1水稻基因组学研究历史及现状 21
2.1.1水稻基因组测序的开启 21
2.1.2我国水稻功能基因组研究计划 24
2.1.3我国水稻功能基因组研究主要成绩 26
2.1.4水稻功能基因组研究发展趋势 32
2.2玉米基因组学研究历史及现状 34
2.2.1玉米参考基因组测序基本完成 34
2.2.2玉米基因组重测序与驯化改良 35
2.2.3玉米功能基因组研究主要成绩 38
2.2.4玉米基因组研究面临的挑战及机遇 43
2.3小麦基因组学研究历史及现状 45
2.3.1小麦基因组测序进展 46
2.3.2建立了一系列小麦功能基因组研究平台 47
2.3.3小麦功能基因组研究取得的重要进展 51
2.3.4小麦基因组研究面临的挑战及机遇 56
2.4其他作物功能基因组学研究历史与现状 57
2.4.1大豆功能基因组研究 57
2.4.2油菜功能基因组研究 67
2.4.3棉花功能基因组研究 73
2.4.4谷子功能基因组研究 78
2.4.5高粱功能基因组研究 80
2.4.6园艺作物功能基因组研究 84
参考文献 90
第3章作物功能基因组研究平台 108
3.1作物基因组测序 109
3.1.1基因组测序技术的发展历史 109
3.1.2基因组测序技术的最新进展 110
3.1.3作物基因组的测序策略 111
3.1.4重要作物的参考基因组测序 112
3.1.5作物基因组的序列解读 113
3.1.6基因组测序与作物遗传分析 114
3.1.7基因组测序与作物的驯化研究 116
3.1.8基因组测序与作物分子育种 117
3.2作物种质资源基因组平台 118
3.2.1作物种质资源概况 118
3.2.2人工创制的种质资源 121
3.2.3用于功能基因组研究的其他种质资源 124
3.2.4种质资源基因组多样性与利用 125
3.3作物表型组分析平台 129
3.3.1建立植物表型组分析平台的意义 129
3.3.2国际植物表型组分析平台研究进展 131
3.3.3我国植物表型组分析平台研究进展 139
3.3.4植物表型组技术特色和发展展望 143
3.4基因表达谱分析平台 144
3.4.1基因表达谱的含义及其研究意义 145
3.4.2基因表达谱构建的研究方法 145
3.4.3主要作物基因表达谱构建研究进展 147
3.4.4基因表达谱研究存在的问题及发展趋势 153
3.5作物表观基因组研究 156
3.5.1作物表观基因组研究现状 157
3.5.2作物表观基因组与生长发育 160
3.5.3水稻表观基因组与(非)生物胁迫 162
3.5.4表观突变对水稻农艺性状的影响 163
3.5.5水稻表观基因组与杂种优势 164
3.5.6作物表观基因组学展望 164
3.6作物高通量组学分析平台 167
3.6.1基因组学分析平台 167
3.6.2转录组学分析平台 170
3.6.3代谢组学分析平台 175
3.6.4蛋白质组学分析平台 179
3.7生物信息数据库 182
3.7.1生物综合类数据库简介 183
3.7.2主要作物生物信息数据库 183
3.7.3基因功能分析相关的主题类数据库 189
3.7.4中国学者在作物数据库建设上的贡献 192
3.7.5作物数据库存在的问题及发展趋势 196
参考文献 197
第4章作物产量性状功能基因组研究 219
4.1构成作物产量性状的主要因素 220
4.1.1不同作物产量性状的构成因素 220
4.1.2产量性状构成因素的贡献分析 220
4.2生殖转换时间对产量的贡献 221
4.2.1影响产量的主要开花期基因 221
4.2.2开花期基因影响品种地域分布 222
4.3穗型对作物产量的贡献 224
4.3.1作物的穗型 224
4.3.2调控穗型发育的功能基因 227
4.3.3穗型发育基因在不同作物中的保守性和多样性 233
4.4粒型基因的克隆及分子机制 233
4.4.1G蛋白信号途径 233
4.4.2蛋白酶降解途径 234
4.4.3植物激素信号途径 235
4.4.4miRNA调控途径 236
4.4.5细胞周期途径 237
4.4.6其他途径 238
4.5作物产量性状功能基因组研究的关键科学问题 239
4.5.1产量性状的重要功能基因发掘与分子机制解析 240
4.5.2产量性状形成的分子调控网络 240
4.5.3控制产量性状基因优良单元型的发掘和利用 241
4.5.4抽穗期与产量的调控关系 242
4.5.5同化物运输的分子机制 242
4.5.6单株产量和群体产量的关系 243
参考文献 243
第5章作物品质性状功能基因组研究 252
5.1作物品质的需求与重要性分析 253
5.1.1不同作物品质需求分析 253
5.1.2基因组研究对品质遗传改良的贡献 254
5.2我国稻米品质功能基因组研究进展 257
5.2.1稻米外观品质的研究 257
5.2.2稻米蒸煮食味品质的研究 261
5.2.3稻米营养品质的研究 263
5.3我国玉米营养品质的功能基因组研究进展 264
5.3.1玉米籽粒蛋白的分子调控网络解析 264
5.3.2玉米油分功能基因组研究 267
5.3.3玉米微量营养元素等健康品质研究 269
5.4小麦品质功能基因组研究进展 270
5.4.1我国小麦品种品质研究概况 270
5.4.2基因组研究改良小麦品质的研究进展 271
5.4.3小麦品质分子育种进展 271
5.5作物品质性状功能基因组研究的关键科学问题 273
5.5.1影响品质性状的重要功能基因发掘与分子机制解析 274
5.5.2品质形成基因的分子调控网络构建 277
5.5.3控制品质性状基因的优良单倍型的发掘和利用 277
参考文献 278
第6章作物抗病性状功能基因组研究 287
6.1作物抗病机制概况 287
6.1.1作物病害的分类及对作物的危害 287
6.1.2对作物抗病机制的认识 288
6.2水稻抗病性状功能基因组研究 289
6.2.1水稻抗稻瘟病研究进展 289
6.2.2水稻抗白叶枯病研究进展 291
6.2.3水稻抗病毒病研究进展 293
6.2.4水稻抗其他病害研究进展 294
6.3玉米抗病性状功能基因组研究 295
6.3.1玉米抗真菌性病害研究进展 296
6.3.2玉米抗病毒性病害研究进展 298
6.4小麦、大麦抗病性状功能基因组研究 298
6.4.1麦类作物的主要病害 298
6.4.2小麦抗病功能基因组研究进展 299
6.4.3大麦抗病功能基因组研究进展 300
6.5大豆、油菜抗病性状功能基因组研究 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其他作物抗病性状功能基因组研究 303
6.6.1棉花主要病害及抗病基因克隆 303
6.6.2园艺作物主要病害及抗病基因克隆 304
6.7作物抗病性状功能基因组研究的关键科学问题 306
6.7.1抗病机制的认识 306
6.7.2抗病基因的分子调控网络解析 307
6.7.3抗病基因发掘和利用 308
参考文献 308
第7章作物抗虫性状功能基因组研究 317
7.1作物抗虫性状与资源鉴定 318
7.1.1植物抗虫性 318
7.1.2作物抗虫资源的鉴定 319
7.2作物抗虫性状遗传与基因定位 321
7.2.1水稻抗飞虱基因的遗传分析 321
7.2.2水稻抗螟虫基因的遗传分析 323
7.2.3小麦、玉米抗虫基因的遗传分析 323
7.2.4大豆抗虫基因的遗传分析 324
7.3作物抗虫基因的克隆与功能分析 325
7.3.1已克隆的抗虫基因 325
7.3.2作物抗虫基因的功能 327
7.4作物抗虫分子机制 328
7.4.1植物对昆虫取食的信号识别 329
7.4.2植物抗虫信号的传递 331
7.4.3作物抗虫性物质 335
7.5基于功能基因组学研究成果的作物抗虫育种 337
7.5.1分子标记辅助抗虫育种 337
7.5.2抗虫基因多样性的利用 338
7.6作物抗虫性状功能基因组研究的关键科学问题 339
7.6.1作物抗虫基因发掘及其起源、演化与分布规律 340
7.6.2作物与害虫的互作机制及作物抗虫性调控 341
7.6.3害虫的遗传变异与作物持久抗性 342
参考文献 343
第8章作物养分利用功能基因组研究 354
8.1作物氮利用功能基因组研究 356
8.1.1作物对氮的需求 356
8.1.2作物氮转运蛋白功能研究 356
8.1.3作物响应氮信号的调控机制 359
8.2作物磷利用功能基因组研究 360
8.2.1作物对嶙的需求 360
8.2.2作物磷活化、吸收的功能基因组研究 361
8.2.3作物响应磷信号的调控机制 364
8.3作物钾利用功能基因组研究 368
8.3.1作物对钟的需求 368
8.3.2作物钾离子转运蛋白功能研究 368
8.3.3作物响应钾信号的调控机制 369
8.4其他必需元素利用的功能基因组研究 370
8.4.1作物对其他必需大量元素利用的分子机制研究 370
8.4.2作物对微量元素利用的分子机制研究 371
8.5作物养分利用功能基因组研究的关键科学问题 377
8.5.1作物对养分吸收的分子机制解析 377
8.5.2作物养分信号调控分子网络解析 379
8.5.3养分高效基因的发掘与利用 380
8.6小结 381
参考文献 381
第9章作物抗非生物逆境功能基因组研究 393
9.1作物抗旱功能基因组研究 393
9.1.1基于组学的抗旱功能基因组研究 394
9.1.2抗旱功能基因的鉴定与分子机制解析 395
9.2作物耐盐功能基因组研究 400
9.2.1利用组学方法研究作物耐盐性 400
9.2.2作物耐盐基因的鉴定与功能分析 401
9.3作物耐低温功能基因组研究 403
9.3.1利用组学方法研究作物耐低温 403
9.3.2作物耐低温基因的鉴定与功能分析 405
9.4作物耐高温功能基因组研究 408
9.4.1利用组学方法研究作物耐高温 408
9.4.2作物耐高温基因的鉴定与功能分析 409
9.5作物抗非生物逆境功能基因组研究的关键科学问题 413
9.5.1作物抗非生物逆境的相关研究平台 413
9.5.2作物对不同非生物逆境特异性的科学问题 414
参考文献 415
第10章作物生殖发育功能基因组研究 432
10.1作物小孢子发育分子机制研究 432
10.1.1花药发育相关基因的分子网络 432
10.1.2减数分裂相关基因的功能研究 435
10.2作物大孢子发育分子机制研究 436
10.2.1雌配子体发生的发育生物学过程 436
10.2.2影响雌配子体育性基因的研究进展 436
10.3作物雄性不育与杂种优势的利用 437
10.3.1人工不育系在杂种优势中的运用 437
10.3.2细胞质雄性不育研究进展 438
10.3.3光温敏雄性不育研究进展 441
10.4作物生殖发育功能基因组研究的关键科学问题 443
10.4.1作物生殖发育的分子网络解析 443
10.4.2环境条件影响育性的分子机制解析 444
参考文献 444
第11章作物株型功能基因组研究 454
11.1作物株型研究概述 454
11.1.1作物株型的定义 455
11.1.2作物株型的研究历史 455
11.1.3作物株型对产量的贡献 456
11.1.4作物株型功能基因组的研究现状 456
11.2作物株型相关基因的克隆和功能研究 457
11.2.1调控叶型的基因功能研究 459
11.2.2调控株高的基因功能研究 461
11.2.3调控分蘖数目的基因功能研究 464
11.2.4调控分蘖角度的基因功能研究 466
11.2.5调控穗型的基因功能研究 468
11.3作物株型功能基因组研究的关键科学问题 468
11.3.1株型基因的发掘及其功能研究 469
11.3.2解析株型形成的遗传调控网络 470
11.3.3解析株型性状之间的协同调控机制 470
11.3.4株型基因在作物育种中的运用 471
参考文献 472
第12章作物功能基因组研究的重点方向和长远目标 477
12.1组学研究平台的不断完善与整合 478
12.1.1组学研究平台的完善和拓展 478
12.1.2组学研究平台的整合和利用 478
12.2解析基因组所有基因及调控序列的功能 479
12.2.1主要作物基因组功能注释现状 480
12.2.2非编码序列在基因组中的作用 482
12.2.3基因功能研究方法和手段的创新 483
12.3重要农艺性状形成的分子机制 485
12.3.1水稻重要农艺性状形成的分子机制 485
12.3.2玉米重要农艺性状形成的分子机制 487
12.3.3小麦重要农艺性状形成的分子机制 489
12.4作物三维基因组研究 490
12.4.1作物三维基因组学研究背景和意义 490
12.4.2人类及相关物种的大规模基因组计划 491
12.4.3三维基因组学研究内容和方法 492
12.4.4三维基因组数据的计算和分析方法 495
12.4.5作物三维基因组研究初期拟解决的关键问题 497
12.5作物种质资源基因组多样性发掘与利用 498
12.5.1种质资源基因组多样性分析与泛基因组的组装 499
12.5.2核心种质的精细评价与基因多样性的发掘利用 500
12.5.3创新种质资源、发掘利用优异等位基因 501
12.5.4作物种质资源平台信息的整合 502
参考文献 502
第13章作物基因组技术对农业发展的引领与支撑作用 509
13.1作物基因组育种新技术 511
13.1.1全基因组育种技术的发展 511
13.1.2基因组编辑技术及利用 518
13.1.3转基因育种技术及利用 524
13.1.4单倍体育种技术 529
13.2作物育种目标的演变与发展 534
13.2.1高产、稳产的育种目标 534
13.2.2品质育种目标 538
13.2.3资源节约、环境友好的育种目标 541
13.2.4生产方式变革推动育种目标调整 544
13.3作物商业化育种模式分析 548
13.3.1国际种业巨头的商业化育种模式 548
13.3.2我国开展商业化育种的概况 551
13.3.3建立中国特色的商业化育种模式 554
13.4作物基因组研究促进农业生产方式的变革 556
13.4.1基因组育种实现作物品种特色化和系列化 557
13.4.2需要绿色通道快速审定定向改良的作物新品种 560
13.4.3农业生产方式的变革对作物新品种的需求分析 562
参考文献 564
关键词索引 571
“水稻等主要农作物功能基因组研究发展态势分析”中国科学院咨询项目项目组人员名单 576



本文摘编自中国科学院编《作物功能基因组学》文前,内容有删减。


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作物功能基因组学

(中国学科发展战略)

中国科学院编

责任编辑:王 静  李 迪  田明霞

ISBN 978-7-03-059813-4

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(本期编辑:安 静)


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