1、项目名称： 水稻高产、优质等重要性状的分子机制和设计育种研究首席科学家： 薛勇彪 中国科学院遗传与发育生物学研究所起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部门： 中国科学院二、预期目标1、本项目的总体目标： 通过项目的实施，保持和提升我国在水稻基因组和分子育种研究的国际地位和竞争力，加强我国农业 科技自主创新能力，培养和造就一批高水平的水稻科学研究的专门人才，建立我国水稻分子改良的理论和技术体系，指导水稻品种的分子改良。2、五年预期目标: 克隆 50 个左右的水稻重要功能基因，阐明 35 个重要农艺性状控制的分子机理，获得具有重要应用前景的功能基因专利 25 项，发表高水平论文 100
2、篇左右; 建立高效水稻杂交育种和分子育种体系，培育一批具有重要 应用前景的遗传改良品系和有重大应用前景的分子改良品种 1-2 个。三、研究方案1）学术思路： 针对我国水稻生产中迫切需要解决的高产、优质和抗逆等问题，本项目以重要农艺性状为对象，综合应 用分子遗传学、 发育生物学、生物化学和功能基因 组学等多学科交叉的手段，研究水稻株型、育性、种子形成，淀粉代谢调控和光温胁迫应答的分子机理，克隆 鉴定相关的关键基因并阐明其功能，为解决我国水稻优良品种培育中的重大理论和技术问题提供创新性研究成果。2）技术途径： 本项目将根据研究任务和目标，充分利用已有的水稻基因组和功能基因组研究的资源和信息平台，主
3、要以遗传学、分子生物学、 发育生物学、生物化学和功能基因组学等为主要研究手段，开展水稻株型、育性、种子形成，淀粉代谢和环境胁迫等主要农艺性状的分子控制机理的研究。采用的主要研究路线有四个：第一，重要功能基因克隆及其作用网络的研究；第二，重要农艺性状的功能基因组研究；第三，杂交育种技 术的改良和完善；第四，重要农艺性状的分子设计和改良。通过发挥我们已有研究工作基础以及研究队伍的技术特点，阐明水稻重要农艺性状分子控制的机理， 为分子改良和设计重要农艺性状奠定理论和技术基础，推 动我国育种科学的可持续发展，并 对解决重要的植物科学中复杂性状调控的问题做出贡献。根据研究内容本项目由 6 个课题组成，每
4、个课题组设 12 名课题负责人协助项目负责人进行课题的管理和各个课题间以及参加课题的有关单位间的协调。四、年度计划研究内容 预期目标第一年1.筛选的与分蘖数目控制直接作用的蛋白；对 LA1 抑制基因和 TAC1 抑制基因进行初步定位并筛选受LA1、TAC1 调控的基因。 构建耐密/壮杆突变的遗传分析群体并对突变体进行分析。精细定位水稻半矮杆基因 SHRUB 和 SD-K 及突 变体表型分析。构建 BC3F4 高密度遗传图谱；在 gl-3(t)和 gl-7(t)分离群体中选单株用 NPB 进行回交。2.通过基因组和蛋白组方法，分离淀粉合成相关的转录因子和品质形成的关键基因；继续开展近等基因系的构
5、建。进一步发掘鉴定新的等位基因；精细定位 Chalk5 和 GS3-2 基因；发展基于 Badh2 基因分子标记。3.野败型、温敏和杂种不育基因的作用机理；野败恢复基因的克隆；花药或雄配子发育基因的精细定位和克隆；化学诱导型启动子的克隆和诱导特性分析。4. 完成新的候选基因的遗传转化并对其表型开展观察；开展渐渗系和单1.获得与分蘖数目控制直接作用的蛋白；完成 LA1 抑制基因和 TAC1抑制基因初步定位；获得受LA1、TAC1 调控的下游基因。将水稻半矮杆基因 SHRUB 和 SD-K 精细定位到大约 20Kb 区域内；完成gl-7(t)的精细定位。发表论文 1-2 篇2.找出品质形成的关键基
6、因；初步确定淀粉体蛋白质组的动态特征；鉴定出新的分子标记。完成 Wx 和 SSI等 8-10 个重要等位基因近等基因系的构建； 进一步确定 Chalk5 和GS3-2 候选基因；提供 1-2 个组合参加省预试。发表论文 1-2 篇。3.阐明野败型不育基因的不育机理，获得野败恢和温敏不育基因的互作靶基因；完成 2 个花药和雄配子基因的精细定位；获得化学诱导型启动子。发表论文 1-2 篇。4. 完成新的候选基因的遗传转化，得到低温应答改变的材料。发表国际论文 1-2 篇。5.完成 400 个水稻栽培品种的基因组测序和基因型分析；建立相关的数研究内容 预 期目标片段代换系筛选工作。5.完成中国栽培稻
7、品种基因组的深度测序、全部有效 SNP 的鉴定及其基因型分析，并建立中国水稻种质资源基因组序列和 SNP 信息的公共数据库。6.开发可用于分子育种的相关基因信息；选育和鉴定用于基因鉴定的作图群体；分离水稻重要农艺性状基因；开展分子育种研究。据库。发表论文 1-2 篇。6.发展用于分子育种的分子标记 50个；选育新品系 5 个；申请专利 1 项。研究内容 预 期目标第二年1.对 LA1 抑制基因、 TAC1 抑制基因进行精细定位并对其下游调控基因进行功能研究。精细定位耐密/壮杆突变性状，筛选耐密/壮杆育种材料。克隆 SHRUB 和 SD-K 基因并 进行互补验证。构建 NILs，并调查 NILs
8、 各项品质和产量指标；并与 P13、NPB分别构建（正、反交）F1 、F2 和回交组合群体。2.研究淀粉合成相关酶蛋白相互作用；利用已构建的部分近等基因系和转基因系，开展稻米品质分析以及相关基因的表达等检测；对 LSV 基因进行精细定位；确定目标基因区段 Chalk5 和 GS3-2 的候选 基因；杂交和分子标记辅助选择改良华恢1462、华 1517B 和华 1971B 等；进行 Badh2 基因分子标记筛选。3.分析野败型恢复基因的功能和温敏、杂种不育基因的作用机理；花药或雄配子发育基因的功能分析；化学诱导型启动子控制的育性基因转化水稻4. 分析低温引起的组蛋白修饰状态的变化规律，完成 Ch
9、IPSeq 分析，1.确定与分蘖数目控制蛋白互作蛋白的体内相互作用。完成 LA1 抑制基因、TAC1 抑制基因的精细定位。完成耐密/壮杆突变性状的分子定位和候选基因分析;获得耐密/壮杆育种材料。明确 SHRUB 和 SD-K 的候选基因。完成主效 QTLs/基因的 遗传特性分析；获得粒长与其他稻米品质和产量性状间的关系。发表论文1-2 篇。2.阐明淀粉合成相关酶蛋白动态特征及其与淀粉积累的关系；完成 8-10 个等位基因近等基因系表型与表达分析，初步明确相关等位基因的效应；发掘克隆 3-4 个新的等位基因；确定 Chalk5 和 GS3-2 候选 基因；并转化验证；提供 1-2 个组合参加省预
10、试；申报专利或植物新品种权 1 项，发表论文 1-2 篇；毕业硕士研究生 1名，博士研究生 1 名。3.验证 2 个野败型恢复基因的功能；确认温敏不育靶基因的调控模式；阐明 2 个杂种不育基因的功能；确认 2个花药或雄配子发育基因的功能；获得诱导型可育转化体。发表论文 1-2篇。研究内容 预 期目标得到组蛋白修饰介导低温应答基因群；准备图位克隆材料。5.开发高通量数据的采集、统计分析和关联作图分析的相关软件和技术平台。6.构建群体并开展分子育种研究；水稻重要农艺性状基因的分子解析；新品系参加多种试验4. 完成 ChIPSeq 分析，得到组蛋白修饰介导低温应答基因群。发表论文 1-2 篇。5.完
11、成 12 个高通量数据的采集、统计分析和关联作图分析的相关软件和技术平台的开发与构建。发表论文 1-2 篇。6.构建群体 4 个，鉴定和分离重要农艺性状基因 2 个；新发展分子标记50 个；分子育种新材料 100 份以上；5 个品系参加省级区试；1 个品种通过省级审定。申请专利 1 项。第三年1.研究与分蘖数目控制直接互作蛋白生化功能，及其水稻分蘖的调控中可能的作用。完成 LA1 抑制基因、TAC1 抑制基因的候 选基因克隆并进行功能研究。研究获得控制耐密/壮杆性状的关键基因，揭示其功能与调控机制。分子检测育种材料。研究 SHRUB 和 SD-K 基因的生化功能。完成该主效 QTLs/基因的测
12、序和基因预测，分离克隆含目基因的 DNA序列。对主效 QTLs/基因的 NILs 及轮回亲本 NPB 进行组织学和细胞学水平的观察。2.对控制抗性淀粉含量的基因进行精细定位或 QTL 分析；研究 Wx 和SSI 等重要等位变异的分子机理；对发掘的新等位基因和 LSV 候选基因1.完成 1-3 个互作用蛋白生化功能分析。获得 LA1 抑制基因、TAC1 抑制基因的转基因植株；明确LA1、TAC1 下游调控基因功能。 克隆水稻耐密/壮杆的关键基因，初步揭示其功能；通过分子检测获得高世代耐密/壮杆表型育种材料。 获得目标基因序列；初步分析及预测该基因的表达及调控机理。发表论文 1-2 篇。研究内容
13、预 期目标开展近等基因系与转基因系的构建工作；对 BC1F2 株系进行分子标记筛选；杂交和分子标记辅助选择改良华恢 1462、华 1517B 和华 1971B 等。3.继续研究野败恢复基因的分子机理；温敏不育基因靶基因功能研究；花药或雄配子发育基因的作用机理；化学诱导型不育转化体的育性分析。4. 在 ChIP-Sequence 结果的基础上继续新基因的开发；研究耐低温相关基因调控机理；开展多基因组装的杂交组合或载体构建。5.鉴定一批水稻品质、产量、耐冷、耐盐等重要农艺性状的基因挖掘和功能研究。完成 100 份我国及世界水稻野生品种的基因组深度测序和资源的遗传多样性研究。6.继续分离水稻重要农艺
14、性状基因并进行组装；开展分子育种研究，新品系参加多种试验。2.对抗性淀粉基因进行精细 QTL 定位或基因精细定位；明确 Wx 和 SSI等重要等位变异的遗传效应；完成品质新等位基因和 LSV 候选基因相关近等基因系与转基因系的构建；提供 1-2 个组合参加正式区试试；申报专利或植物新品种权 1 项，发表论文 1-2 篇。 ；申请专利 1 项；毕业硕士研究生 1 名，博士研究生 1 名。3.阐明 1 个野败型恢复基因的分子机理；确认温敏不育基因的靶基因的功能；阐明 1 个杂种不育基因和 1 个雄配子发育基因的作用机理；获得诱导型不育可育两用系基础材料。发表 12 篇论文，申请 1 项专利。4.
15、定量 PCR 检测验证耐低温相关基因调控的下游基因表达变化；完成转基因材料的生理指标鉴定；开展多基因组装的杂交组合或载体构建。研究内容 预 期目标发表论文 1-2 篇。5.克隆和鉴定 58 个新基因。完成100 份水稻野生品种的基因组深度测序和资源的遗传多样性研究。发表论文 1-2 篇。6.鉴定和分离重要农艺性状基因 1个；选育分子育种新材料 150 份以上；5 个品系参加省级区试；1 个品种通过省级或国家审定。发表国际论文2 篇；申请专利 1 项。第四年1.研究互作蛋白在水稻分蘖的调控中作用；研究 LA1 和 TAC1 下游调控基因的表达水平及株型的影响。发掘实用型分子标记，以耐密/壮杆为核心的育种群体构建与 MAS; 高产耐密/壮秆水稻选育。研究，鉴定与 SHRUB 和 SD-K 相互作用的蛋白。利用粒长主效基因间的互作效应关系结果，开展分子标记辅助选1.明确激素对 TAC1 参与的株型发育信号途径中的基因表达调控机理; 检测筛选或创制耐密/壮杆的近等基因系; 培育高产耐密/壮秆型水稻新品种(系 )。分析粒长主效基因间的互作效应关系；筛选产量显著提高的新品系 5-10 个。发表论文 2-3 篇。2.进一步明确重要基因等位变异在
