麻类作物基因工程研究进展

本研究归纳了近年来国内外亚麻、苎麻、红麻、黄麻、大麻等几种主要麻类作物基因工程研究概况:研究主要集中在以下几个方面:(1)获得抗病、抗虫的转基因麻类作物;(2)获得逆境抗性(抗旱,抗盐,抗重金属,抗除草剂)的转基因麻类作物;(3)获得纤维品质改良、种子品质改良的转基因麻类作物。本研究还对基因工程在麻类作物中的应用前景进行了展望,并就目前存在的不足提出建议:以日益发展的生物技术为依托,培育符合市场需求、具有优良目的性状、无环境风险的转基因麻类作物。     

专题导读:加强麻类作物基因组学研究,推动优异等位基因发掘及种质创新

麻类作物是指以收获茎秆韧皮纤维和叶纤维为主的作物,主要包括黄麻(Corchorus spp.)、红麻(Hibiscus cannabinus)、苎麻(Boehmeria spp.)、亚麻(Linum usitatissimum)、工业大麻(Cannabis sativa L.)与剑麻(Agave sisalana Perr.ex Engelm.),与粮、棉、油、菜并列为第五大作物群[1],其种植历史可追溯到远古新石器至尧舜时代。我国是麻类生产大国。2009年,作为50个农产品之一的麻产品被列入国家现代农业产业技术体系。2011—2020,以二代、三代测序技术为主体,以Hi-C等技术辅助,先后完成了主要麻类作物染色体级别的草图或参考基因组,这标志着麻类作物科学已经进入基因组时代。为加强主要麻类作物基因组学与遗传改良研究,《作物学报》以专栏形式集中刊发了8篇论文,方便相关研究工作者了解最新研究动态。     

玉米抗真菌病害基因挖掘与分子育种利用研究进展

由真菌引起的病害可以在玉米叶片、茎秆和雌穗等部位及生长发育的各阶段发生,严重影响玉米产量及品质。培育和种植抗病品种是控制病害的重要途径,随着现代分子生物学的发展,全基因组及多组学技术的利用为玉米抗病基因的挖掘及抗性机制的解析提供了更可靠和更便捷的方式,通过分子育种与常规育种技术相结合改良现有种质也逐渐成为培育抗性种质的有效方式。本文综述了玉米常见真菌病害的抗病遗传、基因克隆及其育种利用的最新进展,展望了新抗病基因的挖掘和机理解析、广谱抗病基因及基因编辑等技术在玉米育种中的利用,以期促进玉米优良抗病新品种的培育。     

甜瓜遗传图谱与基因定位研究进展

甜瓜是重要的葫芦科蔬菜作物之一,其遗传育种学广受研究者的关注。高密度分子遗传图谱有助于提高甜瓜的育种水平,加快育种进程。自1996年第一张甜瓜分子遗传图谱报道后,AFLP等分子标记逐步被应用于甜瓜分子遗传图谱的构建及基因定位。近年来,基因组测序技术发展迅速,全基因组重测序、简化基因组测序、转录组测序等技术逐渐被应用于构建覆盖全基因组的、更加饱和的甜瓜遗传连锁图谱。本研究着重对甜瓜分子遗传图谱、重要农艺性状基因定位研究进展进行了综述,以期为甜瓜生物学研究及分子改良提供理论参考。     

柑桔抗病分子育种研究进展

本文综述了柑桔抗病分子育种近年来的研究动态和所取得的研究成果。柑桔分子育种始于上世纪90年代,以期克服常规育种面临的多方面严重阻碍,如杂种不育、杂交不亲和、较长的童期和大的树体积,以及随之而来的用地和巨大的人力、物力、成本等;其相对较小的基因组已使其成为果树分子育种研究领域的模式植物之一。首先在利用富有目标抗病基因的柑桔近缘属枳(Poncirustrifoliate)作亲本,培育杂种群体,开发分子标记与连锁遗传作图等方面取得突破,同时在基因组BAC文库与物理图谱的构建、抗病基因的克隆、遗传转化体系的建立、外源抗病基因及候选抗病基因的转化等诸多方面也已取得长足进展,并已摸索出适合柑桔基因工程操作的一整套方法。此外,本文对柑桔基因组的候选抗病基因转化及抗病基因工程研究中存在的问题也进行了讨论与分析。     

玉米拟轮枝镰孢菌穗腐病抗性基因的挖掘

玉米穗腐病是一种严重危害玉米生产的真菌性病害,而目前在世界范围内玉米育种上应用的大多数自交系缺少对穗腐病的抗性。玉米穗腐病抗性位点的挖掘和抗病基因的克隆,对玉米穗腐病的遗传改良至关重要。本研究旨在通过转录组测序和全基因组关联分析的方法进行玉米拟轮枝镰孢菌穗腐病抗性位点的挖掘并初步确定候选基因。抗病自交系法A和感病自交系掖81162的转录组测序结果表明,人工接种拟轮枝镰孢菌后7d两个自交系的差异表达基因有10,761个。通过全基因组关联分析共检测到5个与穗腐病抗性显著相关的SNP,这些SNP分布在1号和9号染色体上。通过比对B73 RefGen_v3并注释,发现SNP位点附近涉及的基因包括酰基激活酶1过氧化物酶体、蛋白磷酸酶2C 48、镁转运蛋白、受体蛋白激酶CRINKLY4和锌指CCCH域蛋白19。将在转录组测序中获得差异表达基因和全基因组选择中关联到的基因进行比对,发现全基因组关联分析中关联到的锌指CCCH域蛋白19同时也是转录组测序中获得的差异表达基因,表明锌指CCCH域蛋白19可能与玉米拟轮枝镰孢菌穗腐病的抗性相关。本研究结果不仅能为抗病基因的克隆和玉米的抗病分子育种提供一定的理论依据和重要的遗传资源,而且能为玉米和病原菌的相互作用机理的解析奠定基础。     

红麻干旱响应基因EST-SSR标记

本研究以前期高通量测序结果为基础,利用MISA软件分析了所获得的转录组数据的SSR位点,发掘了11个EST-SSR标记。这11个EST-SSR标记了红麻响应干旱胁迫的关键基因外显子区的简单重复序列多态性,并且在遗传变异来源广泛的红麻品种中具有多态性,可以区分44个红麻品种。通过5个红麻品种的初步筛选和44个红麻品种的验证,这11个多态性标记可稳定检测,可以直接将本研究所开发的标记应用于更多红麻品种的检测,进行种质资源分子遗传多样性评价、亲缘关系鉴定和关键抗旱基因的特定外显子区简单重复序列多态性分析,为红麻分子标记辅助育种提供良好的标记储备,也为红麻自然变异中筛选关键基因的功能等位变异提供一种检测的候选分子标记。     

现代生物技术在亚麻育种中的应用

为了给亚麻种质资源创新提供新的思路,推动亚麻育种研究的进一步发展,简要介绍了亚麻育种研究现状,总结了基因工程技术、植物组织培养技术和分子标记技术在亚麻育种中的应用。并提出加强远缘杂交育种研究、利用分子标记辅助选择提高杂交育种的效率和效果是亚麻育种研究的重点;建立和完善亚麻花药培养技术,是建立高效亚麻育种技术体系、培育突破性新品种的关键;建立高效的转基因育种技术体系是亚麻育种研究的重要方向。     

生物技术在纤维亚麻育种中的应用

亚麻纤维在农业、医疗、工业及航天业得到广泛应用。随着分子生物学技术与基因工程技术的迅猛发展,育种方法的研究成为培育新亚麻植物的关键,为了加快育种效率,提高亚麻纤维的质量与产量,综述了基因工程技术、组织培养技术和分子标记技术在亚麻育种中的应用,重点阐述了基因工程在亚麻质量和品性提升中应用以及原生质体融合与培养技术在亚麻育种中应用的最新研究进展,为亚麻种质资源的研究与发展提供依据。     

生物技术在纤维亚麻育种中的应用进展

亚麻纤维在农业、医疗、工业及航天业得到广泛应用。随着分子生物学技术与基因工程技术的迅猛发展,育种方法的研究成为培育新亚麻植物的关键,为了加快育种效率,提高亚麻纤维的质量与产量,综述了基因工程技术、组织培养技术和分子标记技术在亚麻育种中的应用,重点阐述了基因工程在亚麻质量和品性提升中应用以及原生质体融合与培养技术在亚麻育种中应用的最新研究进展,为亚麻种质资源的研究与发展提供依据。     

主要麻类作物的ITS序列分析与系统进化

比较主要麻类作物和测序植物间的ITS序列,可明确它们间系统位置和进化关系。本研究采用PCR扩增和搜索Gen Bank数据库,获得32份麻类作物和11份测序作物的核糖体内转录间隔区(internal transcribed spacers,ITS)序列,利用MEGE软件分析ITS长度、G+C含量与同源性百分比差异。结果表明,黄麻属、红麻属、苎麻属和亚麻属的ITS基本序列全长分别为963、939、658和686 bp;G+C含量分别为57.87%、58.03%、59.05%和53.75%。黄麻属变异区域集中在220~386 bp间,红麻属变异区域集中在2个区段(206~347 bp,599~713 bp),苎麻属ITS变异区域分布在4个区段(158~163 bp、193~199 bp、288~333 bp和681~688 bp),亚麻属ITS变异区域分布在5个区段(219~229bp、235~240 bp、427~432 bp、468~484 bp和588~594 bp)。系统位置分析表明,红麻属与棉花亲缘关系最近,黄麻与棉花亲缘关系较近;亚麻与苎麻各为一小支。系统位置分析与传统的植物分类结果较一致。研究主要麻类作物比较基因组学时,红麻、黄麻可参考棉花,苎麻可参考杨树或蓖麻。推测红麻属的进化时间约为33.7百万年前(million years ago,MYA),黄麻属约为65.3MYA,苎麻属约为67.5MYA,亚麻属约为90.5MYA。主要麻类作物进化时间越久,同属不同种之间ITS变异区段越多。     

中国作物新基因发掘：现状、挑战与展望

中国作物新基因发掘是实现中国作物种质资源优势向基因资源优势转变和作物分子育种的基础。本文对中国近10年来水稻、小麦、玉米、大豆、棉花和油菜等主要作物基因发掘研究的进展进行了分析和评述。中国作物基因发掘也取得了一系列突破性进展：(1)创制出一批具有特色的基因发掘材料,包括基于中国作物遗传多样性的核心种质、基于优异资源的遗传分离群体和基于人工诱变的突变体等;(2)基因发掘技术和方法有所突破,尤其是在针对基因特点整合各种基因发掘技术、改进基因/QTL的生物统计算法等,提高了基因发掘的效率;(3)作物农艺性状的标记与基因定位已成为常规遗传研究方法,初步定位了一批抗病、抗逆、优质、养分高效、高产相关基因/QTL,其中,有500多个基因已精细定位;(4)以水稻为代表的作物基因克隆及功能研究在国际上受到瞩目,在主要作物中已克隆了300多个基因,其中,在目标作物中验证的基因数超过70个。在国际作物基因发掘高效化、规模化及实用化发展过程中,中国作物基因发掘也取得了重要进展。然而,中国作物基因发掘的数量和质量还远远不能满足作物分子育种的需求,与国际作物基因发掘也存在差距,具体表现为不同作物基因发掘研究进展不平衡、发掘基因的数量还相对有限、已发掘的基因中具有重大利用价值的基因不多。针对中国基因发掘面临的问题和世界各国以及跨国生物技术公司争夺基因的巨大挑战,作者提出了中国作物基因发掘应重点提高基因发掘效率,加强重要基因克隆及基因的价值评估,以生物产业发展需求为导向的基因发掘策略。     

红麻雄性不育系的选育和不育基因的ISSR分子标记

红麻不育系的选育为红麻杂种优势的利用提供了新的途径。红麻雄性不育基因的分子标记,可用于优良不育系或保持系的选择。采用单株选择回交的方法进行不育系的选择,用BSA法进行ISSR引物的筛选。利用中国农业科学院麻类研究所红麻育种课题组在海南三亚发现的红麻不育株AT-1做母本分别与15-4,04K1做杂交,再用父本回交4次,选育出2个高度不育的不育系。用CTAB法提取红麻单株DNA,利用BSA法构建近等基因池—不育池和可育池,以近等基因池DNA为模板,进行ISSR引物的筛选,筛选出一条能在不育池和可育池间产生稳定差异带的ISSR引物U859。对不育系鉴定表明,不育系为质核互作型雄性不育,且不育性稳定。通过不育和可育单株对ISSR引物的鉴定表明,U859是与雄性不育基因连锁的ISSR分子标记。     

Genomic resources for breeding crops with enhanced abiotic stress tolerance

To meet the challenges of climate change, exploring natural diversity in the existing plant genetic resource pool as well as creation of new mutants through chemical mutagenesis and molecular biology is needed for developing climate‐resilient elite genotypes. Ever‐increasing area under existing abiotic stresses as well as emerging abiotic stress factors and their combinations have further added to the problems of the current crop improvement programmes. However, with the advancement in modern techniques such as next‐generation sequencing technologies, it is now possible to generate on a whole‐genome scale, genomic resources for crop species at a much faster pace with considerably less efforts and money. The genomic resources thus generated will be useful for various plant breeding applications such as marker‐assisted breeding for gene introgression, mapping QTLs or identifying new or rare alleles associated with a particular trait. In this article, we discuss various aspects of generation of genomic resources and their utilization for developing abiotic stress‐tolerant crops to ensure sustainable agricultural production and food security in the backdrop of rapid climate change.     

Cisgenesis and genome editing: combining concepts and efforts for a smarter use of genetic resources in crop breeding

Plant genetic resources (PGR) represent valuable sources of genetic variability for crop breeding. The development of novel biotechnologies is necessary for increasing the efficiency of their use in pre‐breeding and breeding work. The genome sequencing of hundreds of genotypes and the mining of allele diversity in major crops and populations of landraces and wild relatives allow the isolation of genes underlying characters of interest and their precise modification or transfer into targeted varieties. The technological developments and applications of new plant breeding techniques (NPBT) that maximize the similarity with gene transfer by crossing (cisgenesis/intragenesis) or the accuracy of biotechnological approaches (genome editing) are reviewed. Their potentialities and current limitations as well as the possible advantages of using them separately or combined for the exploitation of PGR in crop breeding are also discussed. Above‐mentioned NPBT tackle some objections to the application of biotechnologies in agriculture and are under review worldwide to assess the possible exclusion from the current regulation systems for genetically modified plants.     

棉花功能基因组研究进展

棉花是重要的经济作物。近年来棉花功能基因组研究发展迅速,高通量测序技术应用于棉花研究,二倍体和四倍体棉花基因组测序陆续完成,棉花全基因组重测序及关联分析相继涌现,大量的棉花功能基因被分离鉴定。本文回顾了棉花功能基因组研究的历程,重点介绍了棉花基因组测序和棉花栽培品种全基因组关联分析相关研究成果,并总结了棉花纤维和腺体发育中的关键功能基因及棉花抗旱、抗盐碱等功能基因研究进展,为全面了解棉花重要农艺性状形成的遗传基础和棉花遗传改良提供理论参考。     

亚麻全基因组关联分析的研究进展

全基因组关联分析(GWAS)是应用单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphism,SNP)在全基因组水平上发现影响复杂性状的基因变异的一种手段。为了加强GWAS在亚麻育种中的应用,本文归纳了GWAS的优势及分析流程,列举了近年来国内外利用GWAS定位到的亚麻产量及品质相关性状的标记位点和候选基因,总结了亚麻白粉病的研究现状及其他作物在GWAS的相关研究,并提出GWAS在亚麻育种和抗病的未来发展趋势,为亚麻GWAS研究提供理论基础。     

作物驯化和品种改良所选择的关键基因及其特点

近15~20年作物基因组学迅速发展,特别是第2代测序技术的普及,显著降低了测序成本,使单核苷酸多态性(SNP)分析和单元型区段(也称单倍型区段)分析渗透到生命科学的各个领域,对系统生物学、遗传学、种质资源学和育种学影响最为深刻,使其进入基因组学的全新时代。一批驯化选择基因的克隆,特别是对一些控制复杂性状形成的遗传基础及其调控机制的解析,更清晰地揭示了作物驯化和品种改良的历史,提升了人们对育种的认知,推动育种方法的改进。驯化和育种既有相似之处,也存在明显的差异。驯化选择常常发生在少数关键基因或位点,对基因的选择几乎是一步到位;而现代作物育种虽然只有100年左右的历史,但其对基因组影响更为强烈,是一些重要代谢途径不断优化的过程。随着生态环境或栽培条件的变化,育种选择目标基因(等位变异)会发生相应的变化或调整,因此对基因(等位变异)的选择是逐步的。此外,强烈的定向选择重塑了多倍体物种的基因组,使其亚基因组与供体种基因组明显不同。在群体水平上,系统分析驯化和育种在作物基因组和基因中留下的踪迹,凝炼其中的规律,将为品种改良和育种提供科学理论和指导,本文也简要介绍了"十三五"国家重点研发计划专项"主要农作物优异种质资源形成与演化规律"的基本研究思路。     

Interspecific and intergeneric hybridization and chromosomal engineering of Brassicaceae crops

In Brassicaceae crop breeding programs, wild relatives have been evaluated as genetic resources to develop new cultivars with biotic and abiotic stress resistance. This has become necessary because of the diversification of ecotypes of diseases and pests, changing food preferences, advances in production technology, the use of new approaches such as in vitro breeding programs, and the need for economical production of F₁ seed. To produce potential new cultivars, interspecific and intergeneric hybridizations have been performed between cultivated species and between cultivated species and their wild relatives. Furthermore, interspecific and intergeneric hybrids have been successfully produced using embryo rescue techniques. In this paper, we review the interspecific and intergeneric incompatibilities between Brassicaceae crops and their wild relatives, and the production, characterization, and improvement of synthetic amphidiploid lines, alien gene introgression lines, alloplasmic lines, monosomic alien chromosome addition lines, and monosomic alien chromosome substitution lines. The goal is to provide useful materials to support practical breeding strategies and to study the genetic effects of individual chromosomes on plant traits, the number of genes that control a trait, their linkage relationships, and genetic improvement in Brassicaceae crops.