2010年973立项项目-主要粮食作物骨干亲本遗传效应和利用的基础研究-李立会

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：2011.1至2015.8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1、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。2、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。3、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。4、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。5、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。6、培养博士研究生30～40名，硕士研究生50～60名。7、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/基因/等位基因组合方式及其演变趋势、一般配合力对骨干亲本形成的作用及其遗传基础、候选骨干亲本的分子设计与创制等多层次进行系统研究，阐明骨干亲本研究中的第二个关键科学问题“遗传效应”，为创建骨干亲本育种理论与技术体系，以及我国粮食安全提供科学保障与技术和物质支撑。（二）技术途径遗传效应利用精细QTL分析QTL、eQTL分析等测序、表达分析等精细定位、图位克隆测序、生物信息学等QTL定位、关联分析等近等基因导入系重组近交系等骨干亲本衍生品种＋重要基因组区段因组区域优异基因簇关键基因优异等位基因一般配合力候选骨干亲本筛选与创制候选骨干亲本的分子设计理论（三）创新点和特色1、项目创新点（1）从表型组学、基因组学、作物育种学、生物信息学等多学科、多层次对水稻、小麦和玉米三种主要粮食作物骨干亲本形成与利用的遗传基础进行系统研究，在国内外尚属首次；有关问题的解决，有利于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。（2）预测、筛选与改良对未来5～10年主要粮食作物育种具有重要促进作用的候选骨干亲本，将为保障我国粮食安全做出贡献。（3）将骨干亲本的内涵由经验升华为科学规律和理论，建立围绕农作物骨干亲本的亲本选配理论与技术体系2、项目特色（1）农作物骨干亲本的概念是由我国科学家率先提出的，并得到了国际同行的普遍认同，而且近年来成为作物育种基础理论研究的主攻方向之一。由我国科学家完成有关的基础研究，具有明显的原始创新特色。（2）本项目的研究对象是骨干亲本，其上游是利用育种材料筛选、创制骨干亲本的过程，下游是利用骨干亲本培育主栽品种的过程，我国的育种学家已在上述两个方面积累了大量的材料和丰富的经验。本项目通过解析骨干亲本形成与利用规律，将丰富和完善农作物品种高效改良理论，架起从育种材料/种质资源有效利用到作物高效育种的桥梁。（3）对不同时期、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进行分析，并筛选、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，使得本项目的研究结果在很大程度上具有指导未来的特色。（四）取得重大突破的可行性分析本项目将在以下两个方面取得重大突破：——阐明骨干亲本与其它亲本组配能够衍生出众多主栽品种的遗传基础，将为创立骨干亲本育种理论、提高育种效率、培育突破性新品种奠定基础；——从基因组和基因两个层次揭示水稻、玉米骨干亲本一般配合力的分子基础和调控机制，可以将作物一般配合力由统计学和育种学的概念提升到遗传学概念。（1）工作基础保障：通过执行国家973计划项目《主要农作物骨干亲本遗传构成和利用效应的基础研究》（2006CB101700），我们不仅建立了骨干亲本研究的完整学术思路，而且基本明确了骨干亲本的第一个关键科学问题“遗传构成”，并在技术方法、研究材料（如遗传分析群体、品种群体、近等基因系或导入系群体等）以及人才等方面，为本项目的实施奠定了坚实的基础。（详见工作基础部分）。（2）技术保障：本项目集中了我国水稻、小麦和玉米三大粮食作物遗传育种、分子遗传学、基因组学、转录组学、生物信息学研究的优势单位，具有雄厚的学科基础，在本领域已取得同行认可的学术贡献，从技术上能保障本课题的实施。（3）技术路线保障：本项目所采用的技术路线充分反映了本学科领域的研究特色和前沿研究趋势，具有雄厚的研究基础，又体现了研究思路的创新，能够保障获得原始创新性成果。（4）人才保障：本项目涉及到多个学科，在项目组织上强调学科的交叉融合，项目组汇集了国内重要科研机构的优秀研究人才，不仅包括中国工程院院士朱英国、荣廷昭、程顺和、刘旭等育种家和种质资源学家，而且拥有一批近年来活跃于农作物育种学、基因组学、分子生物学、生物信息学等不同学科和研究领域的中青年专门人才，特别是通过上一期973项目的实施，培养了一批从事本研究的青年杰出人才，这支由老、中、青组成的科研队伍是本项目取得重大突破的人才保障。（5）条件保障：骨干亲本研究涉及到很多高技术的手段，要求有较先进的仪器设备、大田和温室设施。本项目的参加单位拥有1个国家重大科学工程，7国家重点实验室，1个国家小麦改良中心和7个省部级重点实验室，整合了骨干亲本相关研究领域的优势单位和力量，拥有国内一流的仪器设备和技术储备，完全能够满足本项目研究的技术和设备需求。四、年度计划第一年度：研究内容：1、骨干亲本关键基因组区段构成的解析与演变趋势以骨干亲本（包括已有的骨干亲本和正在形成的骨干亲本）及其衍生品种为材料，开展多个生态环境下的表型鉴定和基因型鉴定，以系统研究不同时期骨干亲本中发挥关键作用的基因组区段/基因簇/基因/等位基因的构成及其组合方式，阐明不同时期、不同生态区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，构建骨干亲本的基础遗传图谱。2、骨干亲本重要基因组区段、关键基因及其组合方式的遗传效应分析以典型骨干亲本为基础构建不同类型遗传分析群体为材料，开展多个生态环境下的表型鉴定和基因型鉴定，以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，重点阐明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。3、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，开展多个生态环境下的表型鉴定和基因型鉴定，以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。4、候选骨干亲本的分子设计采用计算机模拟技术，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，研究利用骨干亲本基因型数据和表型数据开展水稻、小麦、玉米候选骨干亲本选育以及最佳亲本组配的算法和发展综合评估候选骨干亲本和改良现有骨干亲本的技术方法。5、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，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。预期目标：1、获得不同时期、不同生态区的水稻、小麦、玉米共40~50个骨干亲本及其衍生品种的基因型鉴定数据和1年多点表型鉴定数据。2、分析重要基因和基因序列变异2~3个。3、获得水稻和玉米一般配合力研究中所需的基因型数据和1年多点的表型数据。4、初步提出利用骨干亲本基因型数据和表型数据开展水稻、小麦、玉米候选骨干亲本选育以及最佳亲本组配的算法；初步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。5、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1个，并通过育种实践验证。6、培养博士研究生3～5名，硕士研究生6～8名。7、发表SCI论文5～7篇；申请专利1项。第二年度：研究内容：1、骨干亲本关键基因组区段构成的解析与演变趋势以骨干亲本（包括已有的骨干亲本和正在形成的骨干亲本）及其衍生品种为材料，开展多个生态环境下的表型鉴定和基因型鉴定，以系统研究不同时期骨干亲本中发挥关键作用的基因组区段/基因簇/基因/等位基因的构成及其组合方式，阐明不同时期、不同生态区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，构建骨干亲本的基础遗传图谱。2、骨干亲本重要基因组区段、关键基因及其组合方式的遗传效应分析以典型骨干亲本为基础构建不同类型遗传分析群体为材料，开展多个生态环境下的表型鉴定和基因型鉴定，以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，重点阐明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。3、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，开展多个