论基于基因组学的中药材定向培育策略与展望

为推动和加快中药材品种培育和种业发展,亟需加强中药材种质创新的研究和实践,建立具有中药特色的种质创新途径.育种核心种质的选择与合理组配是决定育种成效的关键,合理利用外来品种、地方品种或野生近缘种进行种质扩增、改良与创新,在中药材品种培育中发挥重要作用.基因组学技术的发展推动了中药材种质资源利用、优良基因发掘和育种效率,并为加快中药材新品种的定向培育提供了理论和方法.中药材种质资源收集鉴定是一项公益性的基础工作,本文系统论述中药材品种培育现状和面临的挑战,中药材种质创新的主要内容、基于基因组学的关键技术、种质创新基础平台建设策略等;基于中药种质资源杂合度高、与主要农作物育种具有差异性、中药材新品种选育目标应兼顾产量和质量等特点,展望了有序进行中药材育种核心种质及其品种定向培育研究的前景,提出具“内稳态”特征的中药材种质创新和新品种选育是现阶段主要任务之一,以期为中药材新品种选育提供理论和技术指导,进一步推动中药材种业的高质量发展.     

羊草种质资源的评价与利用

羊草是欧亚大陆草原区东部草甸草原及典型草原的重要建群种,具有高产、优质、抗逆、耐牧等特点,是我国具有优势的禾本科多年生牧草和生态草.羊草种质资源的系统研究对羊草草原的保护、人工草地建设、退化草原改良、发展草牧业等均具有重要意义.近年来,我国羊草种质资源各方面研究取得了重大的进展,初步建立了"从草原到实验室,再从实验室走向草原"的研发体系,收集评价了上千份野生羊草种质资源,培育出"中科1,2,3号"羊草系列新品种;建立了羊草测序和优异基因资源挖掘平台,并对羊草重要特异基因进行了克隆和功能研究.本文主要对羊草的起源分布、种质资源评价、新品种选育、繁殖及利用等方面进行了系统地综述,对目前羊草种质资源研究中存在的自交不亲和机理等问题进行探讨,提出应根据羊草种质资源现状以及当前生产需求来调整种质资源研究工作的重点,并将现代科学技术应用于羊草种质创新,加快羊草新品种培育及良种的推广利用,推进我国羊草产业化进程及草牧业发展.     

我国普通小麦核心种质的构建及遗传多样性分析

用分布于21个连锁群上的78个微卫星标记(SSR), 对我国5029份普通小麦初选核心种质进行基因型分析, 收集了40万条SSR数据. 以此为基础, 采用适当调整的分层分组代表性取样法(即分区取样时, 对材料遗传多样性高的地区略增加取样量, 反之略减少取样量; 著名品种、重要育种亲本和携带稀有等位变异的材料优先入选), 构建了由1160份材料组成的小麦核心种质(库), 其中地方品种762份、育成品种348份、国外引进品种50份. 核心种质占初选核心种质的23.1%, 占整体种质(23090份)的5%, 遗传代表性估计值为91.5%. 核心种质中地方品种的遗传多样性明显高于育成品种. 群体遗传结构及主坐标分析均显示我国地方品种和育成品种是两个相对独立的组群. 来源于不同生态区的地方品种遗传分化十分明显, 而育成品种分化相对较弱. 此外还构建了由231份材料组成的微核心种质, 其占整体种质的1%, 但遗传代表性估计值接近70%. 最后就核心种质构建的意义和取样策略进行了讨论.     

饲草甜高粱分子育种与产业化

甜高粱(Sorghum dochna)是一种高产耐逆的C4植物.因其茎秆富含糖分、生物产量高、适口性好等特点,近年来又被发展为优质饲草作物.甜高粱主要生物学特性直接或间接地影响饲草的产量和品质,进而影响其作为饲草作物的发展潜能.本文综述了甜高粱种质资源筛选与重要性状遗传基础研究的最新进展,分析了甜高粱饲草产业发展案例,旨在积极推动甜高粱饲草产业的研究和应用.     

苜蓿膜联蛋白MtAnn3基因的鉴定及其在根毛发育中的功能

通过5′RACE扩增了苜蓿膜联蛋白MtAnn3基因cDNA的5′末端序列.典型的膜联蛋白由一个N端结构域和一个C端保守的核心结构域组成,核心结构域一般含有4或8个由70个氨基酸组成的重复单元,而MtAnn3蛋白的核心结构域仅有1个重复单元.在洋葱表皮细胞中瞬时表达MtAnn3蛋白,揭示其具有细胞膜结合的特性.借助农杆菌介导的苜蓿转化实验表明,过表达MtAnn3的根部在不含Ca2+的培养基上生长,改变了根毛的极性,根毛顶端膨大变形,有时出现分叉现象.在农杆菌介导的MtAnn3启动子-GUS实验中,外源植物细胞分裂素可以诱导MtAnn3启动子的增强表达;接种苜蓿中华根瘤菌进行结瘤实验,启动子在根瘤原基和幼嫩根瘤中有较强的活性,而在成熟根瘤中活性较低,在衰老的根瘤中检测不到启动子活性.虽然MtAnn3在根瘤中的表达具有一定的时序性,它却不是瘤特异性的,它在苜蓿的根、茎、叶中都有高水平的转录表达.     

中国不同纬度不同进化类型大豆的RAPD分析

大豆起源于中国,我国的大豆资源十分丰富,尤其是野生大豆(Glycine soja),十余年来,搜集种质五千余份,约占世界总数的90%.这些资源不仅为大豆育种提供了新的基因源,也为大豆基础生物学研究提供了丰富的研究素材.中国的野生大豆生态类型极为丰富,遗传差异极大,为世界大豆界所瞩目.对野生大豆,尤其是野生大豆与栽培大豆的同步比较研究,一方面可以为野生大豆的应用提供基础资料,同时可以揭示大豆的起源及演化等理论问题.     

棉花纤维品质基因的克隆与分子育种

棉纤维是已知纤维素纯度最高的天然资源之一, 在世界纺织业中占有重要的地位. 随着纺织工业加工速度的加快和人民生活水平的提高, 对棉纤维品质的要求愈来愈高. 因此, 弄清纤维细胞的表达模式以及可能的生物学功能, 系统地阐明棉纤维细胞发育调控的分子机理, 对充分利用棉花自身基因资源、提高棉花产量、改良纤维品质乃至发展人工棉纤维都具有重要意义. 本文系统总结了国内外棉花纤维品质基因的克隆与分子育种现状, 提出棉花纤维品质相关基因研究的必要性及研究潜力. 针对我国棉花品种纤维品质的现状, 提出依靠我国资源优势, 开展创新性的探索, 最终获得国际领先且具有中国自主知识产权的棉纤维品质改良相关基因及标记的专利, 并用于棉纤维品质改良育种实践的研究设想.     

高寒地区苜蓿人工草地建植技术

高寒地区占我国国土面积近1/3,也是我国天然草地的主要分布区和传统的畜牧业基地,由于不合理利用和全球气候变化等因素,导致天然草地退化严重,草地的生产和生态功能低下,草畜矛盾突出.优质人工草地种植规模小和产业化水平低是我国草牧业发展的瓶颈.因此,大力发展优质苜蓿(Medicago sativa L.)人工草地是破解我国目前草牧业可持续发展瓶颈的重要途径和抓手.本文结合国内外苜蓿生产和市场现状,探讨了我国苜蓿种植和产业发展的不足与解决办法.同时,通过文献资料分析和高寒地区调研等,明确高寒地区发展苜蓿人工草地在促进当地环境友好型草牧业发展中的作用.针对我国优质抗寒苜蓿品种少、越冬技术不足等问题,归纳总结出高寒地区品种选择、选地与整地、播种技术、密度控制、根瘤菌(Rhizobium)接种、水肥管理和刈割等一整套技术与相应理论,为我国高寒地区优质苜蓿种植与生产提供技术支撑,更好地推进我国草牧业又快又好的发展.     

紫云英根瘤菌基因文库的构建和结瘤基因片段的分离

根瘤菌(Rhizobium)与寄主豆科植物的共生涉及到根瘤菌和植物之间的识别;根瘤菌的浸染;根瘤的形成;根瘤菌类菌体的发育等一系列复杂的过程。 在苜蓿根瘤菌(R. meliloti)中决定引起根瘤的结瘤基因(nod gene),目前已经鉴定出nodA,B,C,D。因为这类基因在多种根瘤菌中都被找到,而且在功能上可以互补,所以     

利用禾草内生真菌创制大麦新种质

禾草内生真菌共生体在草地农业生态系统中扮演了重要角色.诸多研究表明,内生真菌可以提高宿主抗生物与非生物胁迫的能力并促进生长.利用有益禾草内生真菌进行牧草育种,是草业育种的一个新方向.开展这一工作的前提,是获得有益禾草内生真菌,其最关键的技术是禾草内生真菌人工接种技术.人工接种也是创制禾草内生真菌-植物新种质、改善和加强其生理功能,以及获得新生理功能的主要手段.本研究将分离于野大麦(Hordeum brevisubulatum)的内生真菌(Epichlo?bromicola)通过人工接种至栽培大麦(Hordeum vulgare)柴青1号裸大麦和扬饲麦1号皮大麦两个品种,创制出了野大麦内生真菌E. bromicola-大麦新种质.与未接种的对照相比,接种后的皮大麦新种质的地上生物量和单株种子产量提高了46%和22%,生育期提前了5 d;裸大麦新种质地上生物量和单株种子产量显著提高了37%和28%,生育期未发生改变.本研究成功创制了E. bromicola内生真菌-大麦新种质, E. bromicola内生真菌将其提高原宿主植物生长的优良特征赋予新种质中,为进一步开发利用E. bromicola-大麦新种质提供了科学依据和技术保障,为植物育种提供了新途径.     

人工草地建设原理与生产范式

人工草地种植规模和生产水平是衡量一个国家畜牧业发达程度的标志.本文阐述了人工草地在未来世界食物生产与维持食物安全中的作用,综述了世界人工草地发展现状,分析并讨论了我国人工草地发展现状与未来趋势,探讨了高效可持续人工草地建设的原理、关键科学问题、关键技术与发展范式.分析表明,目前世界人工草地发展更加依赖于丰富多样的牧草种质资源、先进的生产加工管理技术、高度专业化的生产经营管理、苜蓿带与饲养带高度耦合和政府的高度重视与大力扶持.在我国,人工草地高效发展主要受到水分有效性的极大限制,因此人工草地建设必须在可持续性原理的大框架下开展设计,建立"精细草业"的概念与理论体系,研发出高度人工设计和定向干预的人工草地调控技术,对草地生态系统进行适应性管理;我国人工草地发展需要高度重视人工草地区域布局、人工草地类型选择、人工草地与家畜饲养带耦合、草地与耕地功能置换等战略问题.目前我国人工草地发展技术基本成熟,草牧业发展受到了国家的高度重视,人工草地种植带与饲养带整合的大环境基本具备.     

苜蓿中华根瘤菌烯脂酰ACP还原酶基因fabI1的功能研究

我们先前的工作表明, 苜蓿中华根瘤菌的烯脂酰ACP还原酶基因fabI1在nifA突变根瘤中表达水平降低. 本研究构建了fabI1的定点插入突变体. 与野生型相比, 突变菌株的生长速度变慢, 在高浓度NaCl培养基上的生长能力降低. 在半固体培养基上, 该突变体的涌动能力完全丧失. 在共生过程中, 突变菌株在宿主植物上延迟结瘤, 形成根瘤的能力下降. 虽然苜蓿中华根瘤菌中的烯脂酰ACP还原酶基因fabI2的序列与fabI1有66%的一致性, 但fabI2不能恢复fabI1突变体的表型, 揭示了这两个基因在功能上的差异.     

云南陆稻品种籼粳分化与遗传变异

利用34个籼粳特异插入缺失(insertion/deletion,InDel)分子标记和24个SSR分子标记对云南113个陆稻品种的籼粳分化与遗传变异进行分析.InDel分子标记鉴定结果表明,云南陆稻以粳稻(粳型、偏粳型)品种为主,占总品种的83.2%.聚类结果显示,云南陆稻品种明显聚为4大类群(籼型、偏籼型、粳型、偏粳型),支持InDel分子标记鉴定结果.重新将云南陆稻品种的种植区域划分为2个:(1)海拔1250m以下为籼粳稻混合种植区;(2)海拔1250m以上为粳稻种植区.SSR遗传多样性分析结果表明,云南陆稻籼粳亚种间遗传多样性均很丰富,籼稻品种的遗传多样性高于粳稻品种且差异显著.分子方差分析显示,云南陆稻遗传变异主要来自亚种内(占总变异81%),亚种间遗传变异占19%.不同地区间陆稻种质资源遗传多样性比较分析表明,滇西南与滇南地区存在丰富的遗传变异,是云南陆稻品种遗传多样性的分布中心.半山云雾多湿区作为云南陆稻品种的传统种植区域,保留大量的遗传变异与稻种资源,是开展陆稻种质资源保护、利用的核心区域.     

紫花苜蓿原生质体转基因植株再生

紫花苜蓿(Medicago sativa L)是世界上分布最广的一种多年生豆科牧草,也是我国最重要的豆科牧草之一。它不仅产量高而且营养丰富。但是,紫花苜蓿也存在一些需要改进的性状,譬如,紫花苜蓿植株的含硫氨基酸偏低。含硫氨基酸的含量直接与动物营养有关,并与动物毛产量成正相关。紫花苜蓿用农杆菌共培养法获得转化体已有报道。Reich等用显微注射法将Ti质粒导入紫花苜蓿原生质体,得到转化的愈伤组织。Kuchuke等用直接基因转     

果树种质的超低温保存

种质资源(germplasm)是作物育种的基础,世界各国都很重视种质资源的收集、保存与应用。现阶段果树的种植保存及离体保存都有较大的局限性,不适应长期保存的需要。为了提供可靠的遗传体系,必须有良好的保存技术。随着低温生物学、组织培养技术及遗传工程的迅速发展,超低温保存向我们展示了种质长期保存的美好前景。     

nifA突变的苜蓿根瘤菌在根瘤中的转录组学分析

用全基因组微阵列比较了根瘤中苜蓿根瘤菌1021的nifA突变菌和野生菌的基因表达谱. 分析结果表明, nifA的缺失引起601个基因的表达发生变化. 这些基因分别属于生物大分子的合成代谢、三羧酸循环及呼吸代谢以及结瘤固氮过程等多个功能组, 预示着根瘤中细菌的生长状态发生了显著的变化. 在根瘤中, fixK以及受其激活的基因在nifA突变菌中的表达量显著高于野生菌. 定量实时PCR分析表明, 根瘤中fixLJ的转录水平在nifA突变菌中显著高于野生菌. 通过统计学方法从13个表达发生显著变化的基因的上游调控序列中找到推测的NifA结合位点.     

蒺藜苜蓿重金属转运蛋白HMA5基因在共生结瘤中的功能分析

重金属转运ATP酶(heavy metal transporting ATPase, HMA)主要参与植物体内重金属的转运.前期研究发现,HMA5基因与苜蓿铜胁迫及共生结瘤相关.为探明豆科植物根瘤中的铜离子吸收、转运及平衡机制,本研究以模式豆科植物蒺藜苜蓿(Medicago truncatula, Mt)为材料,对其HMA5同源基因MTR_8g079250在共生结瘤中的功能进行了初步研究.亚细胞定位分析表明, MTR_8g079250主要定位于细胞膜和细胞核上; GFP::MTR_8g079250融合表达分析显示, MTR_8g079250主要在根瘤的分生区、侵染区、皮层和根的中柱、根冠表达, RNAi沉默目的基因后对共生固氮表型没有产生明显影响.然而,目的基因过表达植株的鲜重和单株根瘤数目较野生型明显降低,侵染线和根瘤原基也显著减少;透射电子显微镜分析表明,根瘤细胞中含有少量的类菌体且形状不规则,环类菌体空间增大,呈现出早衰的迹象; q RT-PCR结果显示,结瘤标志性基因NIN、DMI1、ENOD11和豆血红蛋白基因的表达水平均有不同程度的下调,豆血红蛋白基因的表达水平也有所下调.这些结果表明, MTR_8g079250过表达对共生结瘤有抑制作用.     

漆树漆酶对芳香性铁化合物的催化活性

在我国丰富的自然资源中,漆树漆液(生漆)作为优良的天然涂料已有数千年的应用历史.生漆以它的耐酸碱、耐高温、耐腐蚀、耐高湿和超耐久性闻名于世,被誉为“国漆”.生漆的这种优良特性和魅力与生漆中所含的漆酶的催化性质密切相关.我国生漆资源丰富,漆树分布全国十多个省(区),生漆品种多样,质量优良,漆酶含量较高.但我国对生漆的重     

提高农作物氮肥利用效率的关键基因发掘与应用

在农业生产中,大量施用氮肥是农作物增产的重要措施之一.在长达半个多世纪的农作物育种史上一直占据主导地位的"绿色革命"半矮化品种具有耐高肥、抗倒伏和高产的优良特性,但同时也存在氮肥利用效率(nitrogen use efficiency, NUE)低的局限性,其高产量对于高水肥投入的依赖性很大.因此,为了提高农作物产量,不得不大量施用氮肥.但是,持续大量的氮肥投入不仅增加了种植成本,还导致了日益严重的环境污染问题.面临粮食安全和生态安全的双重挑战,协同提升农作物NUE和产量已成为可持续农业发展的唯一出路.结合我国粮食安全和农业可持续发展的迫切需求,本研究团队在植物生长发育与氮素代谢协同作用机制的研究以及氮肥高效利用的新种质培育方面取得了突破性进展.这项研究为"少投入、多产出、保护环境"的农作物设计育种提供了理论依据和技术支撑.本文简单介绍近年来NUE相关研究进展以及本研究团队在GRF4-DELLA分子模块协同调控农作物NUE和产量方面的新发现,并对该领域的未来研究方向提出几点展望.     

谈生物技术的推广应用——关于草原开发的几点构想与实践

我国是世界上草地资源丰富的国家之一。草原总面积60亿亩,占国土总面积40％,为全国农耕地面积的四倍,相当于欧洲总面积的1/3。草原是一个巨大的绿色聚宝盆,生长着2500余种天然牧草,牧养着数十种草食牲畜,是发展畜牧业的重要基地。草原是一座天然的生物基因库,分布有国家一二类保护的珍稀野