花生基因组学在遗传育种中的研究进展

花生是我国重要的油料和经济作物,突破传统育种的盲目性和低效率仍是花生育种面临的巨大挑战.近年来花生基因组学研究取得显著进展,四倍体野生种、栽培种及其二倍体祖先种基因组序列相继发表,大量SSR和SNP标记开发利用,花生遗传图谱标记密度不断增加,高通量表型鉴定和基因分型技术广泛应用,越来越多重要农艺性状相关QTL被挖掘定位,以全基因组选择为代表的大数据驱动的多组学育种技术崭露头角.丰富的花生基因组资源促进了基因型与表型的关联,加快花生分子育种的发展,育种家已通过分子辅助技术成功选育了具有目标性状的花生种质.花生传统育种的关键在于表型分析的准确性和可靠性,育种过程缺乏对基因型的充分鉴定和利用.而花生基因组资源、常规育种及分子育种的结合与并行发展必将推动基因组学在花生育种中的深入应用,使基因组学研究成果真正进入田间和市场,充分体现基因组学研究的价值和意义.     

分子植物育种助推南繁种业转型升级

异地加代可以经济有效地加快育种进程。长期以来,海南省作为中国最南端省份,只在冬季用来进行育种材料的扩繁和加代,其周年可以种植农作物的自然气候和环境并未得到充分有效地利用。分子标记辅助育种与其他现代育种技术相融合,将助推南繁种业从单一的繁殖加代向资源引进和评价、育种选择、纯度检测、种质交流和产权保护等在内的全产业链模式转变,实现从海南冬繁到周年育种的转变,将海南的南繁地理和生态优势转化为南繁与育种相整合的全产业链优势,加快育种进展、提高育种效率,促进种业发展。本文讨论了海南地理生态优势与南繁种业现状,南繁种业转型升级的必要性和可能性,以及所面临的挑战和机遇。实现南繁种业的转型升级有赖于异地选择观念的转变、国家相关政策的支持、分子育种平台的支撑、生物安全防控、品种保护制度的建立和完善、资源共享和交流机制的形成。数量和群体遗传、基因型和环境互作、分子设计和大数据构成了南繁种业转型升级所需的育种理论。分子设计包括宏观水平的个体设计、群体设计和物种设计,微观水平的基因设计、代谢设计和网络设计。高通量精准表现型鉴定、环境型鉴定、信息处理和网络技术、决策支撑系统等是南繁种业转型升级所需的育种平台。作为分子育种的核心支撑,现已发展了基于靶向测序-液相芯片的基因型检测（genotyping by target sequencing and liquid chip,GBTS-LC）技术,通过GenoPlexs可以实现高达5 000对标记引物高度均一的多重PCR靶向扩增,而基于液态探针捕获的GenoBaits,可以获取高达40K个目标位点（每个位点包含多个SNP）。该技术具有平台广适性、标记灵活性、检测高效性、信息可加性、支撑便捷性、应用广普性,已成为分子育种中取代固相芯片的重要分子检测技术。要实现“海南育种,全国测试”,需要构建包括高效育种设施、快速育种、转基因和基因编辑技术、双单倍体育种技术、全基因组选择等在内的综合育种体系。为此,要倡导资源共享的开源育种模式,建设横跨动植物的共性方法、技术和平台,开展资源引进、监测和评价,构建种质资源指纹图谱,强化品种权保护、种子质量控制和纯度检测。希望借此推进有关南繁种业转型升级的公众讨论和政府决策,从而推进整个种业的科技进步和现代化。     

Genomics-assisted breeding——A revolutionary strategy for crop improvement

Food shortages arise more frequently owing to unpredictable crop yield losses caused by biotic and abiotic stresses. With advances in molecular biology and marker technology, a new era of molecular breeding has emerged that has greatly accelerated the pace of plant breeding. High-throughput genotyping technology and phenotyping platforms have enabled large-scale marker-trait association analysis, such as genome-wide association studies, to precisely dissect the genetic architecture of plant traits. Large-scale mapping of agronomically important quantitative trait loci, gene cloning and characterization, mining of elite alleles/haplotypes, exploitation of natural variations, and genomic selection have paved the way towards genomics-assisted breeding(GAB). With the availability of more and more informative genomic datasets, GAB would become a promising technique to expedite the breeding cycle for crop improvement.     

作物根系表型鉴定评价方法的现状与展望

根系是作物固定植株并吸收土壤水分和养分的主要器官,其表型特征直接影响作物的生产力和适应性。优化根系表型被认为是实现第二次“绿色革命”的重要途径之一。然而,根系的隐匿性、复杂性和可塑性极大地制约着根系表型鉴定效率,导致根系优化进程远远滞后于地上部器官。随着光谱成像、机器学习和三维重建等新技术的快速发展,根系表型鉴定方法逐渐由传统取样观测向原位、无损、自动化检测转变,评价依据由二维形态指标向立体构型参数拓展,促进了根系表型鉴定效率大幅提升,根系表型数据快速增长。与此同时,海量数据也带来了信息冗余及利用率低等问题,对根系表型研究提出了规范化和共享化的时代新要求。本文概述了现行主要根系表型鉴定方法的原理和技术要点,从精准度、通量和成本等方面对不同方法进行系统比较,并从使用许可、运行平台和分析方式等方面对常用根系表型量化软件进行归纳总结;进一步提出今后重点研究方向,即开发高效的田间根系表型鉴定方法,建立根系可塑性鉴定评价技术体系,加强根系解剖结构的鉴定和利用,强化分子检测技术在根系表型鉴定中的应用,推进根系表型鉴定技术规范化和数据信息共享化,以期为合理选用和改进作物根系表型鉴定评价方法提供参考,促进作物根系改良。     

Imaging technologies for plant high-throughput phenotyping: a review

Phenomics studies a variety of phenotypic plant traits and is the key to understanding genetic functions and environmental effects on plants. With the rapid development of genomics, many plant phenotyping platforms have been developed to study complex traits related to the growth, yield, and adaptation to biotic or abiotic stress, but the ability to acquire high-throughput phenotypic data has become the bottleneck in the study of plant genomics. In recent years, researchers around the world have conducted extensive experiments and research on high-throughput, image-based phenotyping techniques, including visible light imaging, fluorescence imaging, thermal imaging, spectral imaging, stereo imaging, and tomographic imaging. This paper considers imaging technologies developed in recent years for high-throughput phenotyping, reviews applications of these technologies in detecting and measuring plant morphological, physiological, and pathological traits, and compares their advantages and limitations.     

植物染色体重排在作物遗传改良中的应用研究进展

染色体重排是一种可能导致DNA片段丢失、重复、易位和倒位的机制,从而改变基因组结构,为创造新的变异性状提供可能。植物染色体重排事件的准确鉴定有助于更深入地理解植物基因组的结构、功能及它们在植物演化和作物育种中的作用。该文深入探讨了植物染色体重排的基本概念,介绍了植物染色体重排的自然发生和人工诱导的技术方法,阐述了植物染色体重排的细胞生物学、分子遗传学和高通量测序鉴定方法。同时,系统总结了植物染色体重排技术在作物遗传育种中的应用,结合具体实践,着重强调了染色体重排技术在提高农作物的遗传多样性、改良农作物的重要性状、增强农作物的环境适应性等方面极具优越性。然而,目前染色体重排的发生概率较低,技术上仍存在挑战,需要更多精准的工具和策略来实现染色体片段的精准定位和重排。通过全面了解染色体重排及其相关技术,研究人员和育种家可以更好地利用植物基因组,为全球粮食安全和环境可持续发展提供创新解决方案。相关研究不仅为深入认识植物基因组提供新途径,也为未来创新作物育种奠定坚实基础。通过挖掘植物基因组的多样性和可塑性,染色体重排技术有望为培育高产、优质、多抗的农作物新品种提供更多可能性,对解决全球日益严峻的...     

表型组学研究进展及其在作物研究中的应用

表型组学是指在基因组水平上系统地研究某一生物或细胞在不同环境条件下所有表型的学科。随着植物表型获取技术和设备的不断完善,以及基因组学、蛋白组学、代谢组学、生物信息学和大数据计算技术的快速发展,高通量表型组学分析在种质资源鉴定、遗传图谱绘制、功能基因挖掘等方面发挥越来越大的作用。高通量表型组学研究正成为突破未来作物学研究和应用的关键领域,为作物遗传育种、栽培管理提供精准、高效的决策支持。因此,充分挖掘多组学信息,加快高通量表型研究对全面了解农作物基因型、表型和环境之间的关系,发现和揭示重要农艺性状调控基因和作为机制,促进作物功能基因组及作物遗传改良研究具有非常重要的意义。概述了表型组学的发展历程,并对当前表型组学主要研究平台和成像系统,及其在作物根系结构、冠层结构、生物和非生物胁迫研究中的应用进行了系统论述,旨在为农作物表型高通量获取和解析提供方法借鉴,加速表型组学研究方法在作物育种中的应用。     

作物种质资源研究回顾与发展趋势

经过上百年的发展,作物种质资源研究在全球取得了突飞猛进的发展。随着国际社会政治环境的变化和科学技术的进步,目前种质资源研究出现了一系列新的发展趋势和特征,包括种质资源考察收集全球化、保存保护多元化、鉴定评价精准化、基因发掘规模化、种质创新目标化、共享利用主动化等。中国作物种质资源研究在建国后也取得了重大进展与突破,查清了中国农作物种质资源本底的物种多样性,创建了农作物种质资源科学分类、统一编目、统一描述的技术规范体系,创建了世界上唯一的长期库、复份库、中期库、种质圃、原生境保护点相配套的种质保存和共享利用体系;开展多种农作物种质资源精准鉴定评价,新基因发掘取得显著成效;高效作物种质创新及其利用技术不断完善,并在作物育种中发挥了重要作用。2015年,中国颁布了《全国农作物种质资源保护与利用中长期发展规划（2015—2030年）》,提出了今后作物种质资源研究的五大行动,为种质资源学科的发展提供了战略支撑。     

Contributions of conventional plant breeding to food production

Within a relatively short geological time frame, Neolithic man, or more probably woman, domesticated all the major cereal grains, legumes, and root crops that the world's people depend on for most of their calories and protein. Until very recently, crop improvement was in the hands of farmers. The cornerstones of modern plant breeding were laid by Darwin and Mendel in the late 19th century. As the knowledge of genetics, plant pathology, and entomology have grown during the 20th century, plant breeders have made enormous contributions to increased food production throughout the world. There have been major plant breeding break-throughs for maize and wheat, and promising research activities to raise yields in marginal production environments are ongoing. Since it is doubtful that significant production benefits will soon be forthcoming from the use of genetic engineering techniques with higher plants, especially polyploid species, most research funds for crop improvement should continue to be allocated for conventional plant breeding research.     

单核苷酸多态性(SNP)分子标记在小麦遗传育种中的研究进展

为了了解单核苷酸多态性(SNP)标记在小麦遗传育种中的研究进展并为下一步在面粉制品中的应用奠定基础，本研究归纳了SNP分子标记所具有的特点以及应用比较普遍的检测方法，包括DNA构象法、高分辨溶解曲线法及直接测序法等检测方法；总结了近几年SNP标记在小麦遗传图谱的构建、作物育种、全基因组关联分析、遗传多样性和物种进化等方面的研究进展；最后提出可开发不同作物的高通量SNP芯片使SNP的研究向高通量化、全基因组发展，以及培育具有良好面制品感官特性的小麦新品种。     

植物组织培养在作物新品种选育与后代繁育上的应用

随着科学技术的不断创新,植物组织培养作为一项发展已久的生物技术,近年来发展异常迅猛。由于其生长周期短、成活率高、工厂化生产和农村现代化发展管理水平高等优点,这项技术已被广泛应用于现代农作物生产中,成为中国现代化农村发展的关键技术之一。鉴于此,本文重点围绕植物组织培养技术在农业方面与基因工程、原生质体与体细胞杂交、倍性育种、种质资源保存和作物脱毒、离体培养等方面的应用展开论述,着重探讨组培技术在作物育种方法与后代繁殖上的应用现状及它们各自解决的生产难题,并简单介绍组培技术结合环境控制的应用,为后续农业生产提供参考。     

Rate-distortion tradeoff to optimize high-throughput phenotyping systems. Application to X-ray images of seeds

In the context of high-throughput plant phenotyping, measurements are carried out on large populations of plants and produce large amounts of data to be analyzed and stored. The need for automated phenotyping in plant biology opens new fields of application for image acquisition and compression algorithms. In this report, we focus on X-ray imaging for high-throughput analysis of seeds. A practical tradeoff between the tolerated distortion on images and image acquisition rates is demonstrated for measurement, visual inspection or pattern recognition. In these contexts, using the same methodology, we quantify the highest acquisition and compression rates achievable while preserving all the useful biological information with standard lossy compression formats. Using a study case, we quantitatively demonstrate the interest of considering the final biological task as a priori knowledge to optimize the design of phenotyping systems.     

Genetic study and molecular breeding for high phosphorus use efficiency in maize

Phosphorus is the second most important macronutrient after nitrogen and it has many vital functions in the life of plants. Most soils have a low available P content, which has become a key limiting factor for increasing crop production. Also, low P use efficiency (PUE) of crops in conjunction with excessive application of P fertilizers has resulted in serious environmental problems. Thus, dissecting the genetic architecture of crop PUE, mining related quantitative trait loci (QTL) and using molecular breeding methods to improve high PUE germplasm are of great significance and serve as an efficient approach for the development of sustainable agriculture. In this review, molecular and phenotypic characteristics of maize inbred lines with high PUE, related QTL and genes as well as low-P responses are summarized. Based on this, a breeding strategy applying genomic selection as the core, and integrating the existing genetic information and molecular breeding techniques is proposed for breeding high PUE maize inbred lines and hybrids.     

On the use of depth camera for 3D phenotyping of entire plants

In this article, we assess the potential of depth imaging systems for 3D measurements in the context of plant phenotyping. We propose an original algorithm to segment depth images of plant from a single top-view. Various applications of biological interest involving for illustration rosebush, yucca and apple tree are then presented to demonstrate the practical interest of such imaging systems. In addition, the depth camera used here is very low cost and low weight. The present results therefore open interesting perspectives in the direction of high-throughput phenotyping in controlled environment or in field conditions.     

中国作物育种研究热点与发展趋势——基于创新要素供给视角

[目的/意义]通过创新发展要素供给分析,更全面研判学科热点发展趋势,为学科发展政策体系完善、专项计划科学部署及研究布局优化提供参考。[方法/过程]采用文本分析、信息关联法,梳理基础研究、技术创新、行业报告等成果产出热点,在“成果基础”模块的学科热点方向分析结果上,综合研究国家战略需求、政策导向推动、研发资金投入等多维创新要素对热点的集聚导向作用,研判学科热点趋势。[结果/结论]以作物育种学科为例,热点分为成果基础与创新资源集成类、创新资源要素集中类、潜在发展类3类。基因编辑育种、分子标记辅助育种、基因组育种、转基因技术等现代生物育种技术,以及作物性状调控关键基因挖掘及性状分子调控机理研究、作物性状改良等方向研究热度高、创新要素集中,未来有望产生一系列优质成果;在种质资源保护利用与精准鉴定,分子设计、数字化智能育种等定向精确育种技术创新等方向的创新要素投入集聚度高,成果有望进一步拓展与突破;倍性育种、遗传转化体系、组织培养、细胞工程育种等传统经典育种技术体系,以及作物表型研究等方向有待激发研究新动能。热点研究整体呈现“常规育种+现代生物技术育种+信息化精准化育种”发展趋势。     

油料作物油脂合成基因工程研究现状

油料作物是食用油脂、饲料蛋白和工业原料的重要来源,提高油料作物油脂含量、改善种子油品质是目前油料作物改良的主要目标.基因工程及高通量测序技术的飞速发展加深了对种子油生物合成途径的全面认识,文中分析了种子油和脂肪酸合成调控机制的复杂性,举例说明了国内外利用转基因技术提高种子油及脂肪酸含量所涉及到的关键基因及其研究进展,为油料作物高油育种及种子油改良的相关研究提供理论依据.     

基于轮廓投影的盆栽水稻三维重建方法研究

近几年,基于图像的高通量水稻表型研究取得了极大进展,但从三维层面进行研究的工作则相对较少。一般而言,相对于二维图像,从三维模型中能提取更为全面的性状参数。三维模型重建是作物三维表型研究的基础,提出一种适用于盆栽水稻三维点云的重建方法。该方法在相机固定、样本旋转的拍摄模式下获取水稻多视角图像,根据相机标定参数以及水稻轮廓二值图,通过轮廓投影方法重建水稻三维可视外壳点云模型,并通过反投影方法进行点云着色。结果表明,该方法对于不同时期及不同品种的水稻样本均能取得较好重建效果。     

基于轮廓投影的盆栽水稻三维重建方法研究

近几年,基于图像的高通量水稻表型研究取得了极大进展,但从三维层面进行研究的工作则相对较少。一般而言,相对于二维图像,从三维模型中能提取更为全面的性状参数。三维模型重建是作物三维表型研究的基础,提出一种适用于盆栽水稻三维点云的重建方法。该方法在相机固定、样本旋转的拍摄模式下获取水稻多视角图像,根据相机标定参数以及水稻轮廓二值图,通过轮廓投影方法重建水稻三维可视外壳点云模型,并通过反投影方法进行点云着色。结果表明,该方法对于不同时期及不同品种的水稻样本均能取得较好重建效果。     

现代生物技术在木薯育种中的应用

木薯是世界上重要粮食作物和经济作物,其遗传改良日益受重视。现代生物技术在培育优良木薯品种方面具有时间短、效率高等优势。本文介绍了近年来诱变育种、分子标记辅助选择育种、转基因工程等现代生物技术在木薯育种中的研究与利用概况,为利用现代生物技术加快获得具有产量高、抗逆性强、品质高等优良特性的木薯新品种提供参考。