科技工作者之家
科界APP是专注科技人才,知识分享与人才交流的服务平台。
科技工作者之家 2019-11-07
来源:植物科学最前沿
近日,《中国科学:生命科学》中文版发表由郭韬, 余泓, 邱杰, 李家洋, 韩斌和林鸿宣等多位知名学者联合撰写的“中国水稻遗传学研究进展与分子设计育种”综述文章,本文系统梳理后基因组时代中国科学家在水稻复杂农艺性状基因解析等若干领域取得的重要研究成果。
水稻(Oryza sativa)作为全球最重要的粮食作物之一, 养育着全世界半数以上的人口, 而我国则是世界上最大的稻米生产国和消费国之一. 早在明代, 宋应星的《天工开物》里就有此著述: “天下育民人者, 稻居什七”, 可见千百年来, 稻米一直是中国人的主粮. 水稻作物的安全生产直接关乎我国粮食安全和农业的可持续发展. 新中国成立以来特别是改革开放以来, 伴随着我国粮食生产取得举世瞩目的伟大成就, 水稻产量也迅速增长. 这种大幅度的增产主要归功于两次重要的遗传育种突破: 第一次是20世纪60年代开始的矮化育种, 半矮秆基因的应用和矮秆品种的培育使得水稻同时具备抗倒伏和耐肥特性, 导致水稻单产大幅度提升. 矮化育种也因此被称为农业上的第一次“绿色革命”. 第二次则是70年代以袁隆平院士为代表的我国科学家成功实现杂交水稻三系配套, 杂交稻技术的突破又把水稻产量推向了一个更高的水平. 20世纪的矮化育种和杂交稻育种技术不仅成功地提高了我国稻米产量, 并确保产量稳步增长, 同时也引领了世界水稻育种潮流. 80年代, 生物技术的发展又催生了分子标记辅助育种, 这使得传统遗传育种有了一定的可追踪性. 进入21世纪, 我国水稻生产又面临着新的严峻挑战. 随着人口的不断增长、可用耕地和水肥资源的日益减少、自然灾害的频繁发生、生态环境压力的持续加大, 粮食作物短缺将日益严重. 预计到2030年, 我国人口将达到16.5亿, 粮食缺口1.4亿吨. 因此, 如何突破传统遗传育种技术的瓶颈, 将水稻分子遗传学和功能基因组学研究成果应用于水稻育种改良, 实现更加高效和精确的水稻分子设计育种, 已经成为新时代我国粮食安全和农业可持续发展所面临的重大科学问题.
我国是世界上较早启动植物基因组学研究的国家之一. 1998年作为主要发起国之一, 我国参与了“国际水稻基因组测序计划”, 主要内容是绘制水稻遗传图和物理图, 并且测定和注释基因组序列. 2002年, 北京华大基因研究中心宣布完成籼稻品种“93-11”的全基因组工作框架图. 同年, 中国科学院植物生理生态研究所韩斌院士领衔中国科学家在Nature发表了粳稻日本晴第4号染色体的精细测序图谱. 2005年, 日本晴的全基因组精确序列测定完成. 根据水稻基因组精确测序结果, 水稻基因组大小为389 Mb, 预测编码大约32000个基因. 水稻全基因组测序工作的完成预示着水稻基因组研究迈入功能基因组研究时代. 水稻功能基因组学研究顾名思义就是在知道基因组序列信息基础上, 进一步解析其生物学功能, 其首要任务就是利用基因组序列信息, 结合创新的实验方法, 在基因组水平上进行大规模的基因功能研究, 以期揭示水稻生长发育和环境应答的基因表达调控机理.
21世纪初, 我国已经开始了水稻功能基因组学研究, 通过瞄准高产、优质、抗逆等重要农艺性状, 为确保我国水稻高产、稳产和可持续发展储备优良的基因资源. 经过几十年的努力探索和积累, 我国科学家不仅在水稻重要农艺性状基因解析方面取得了一系列重要的原创性研究成果, 并且开创了以水稻为模式作物研究复杂性状基因调控网络的新领域. 值得一提的是, 2017年, 李家洋院士、韩斌院士、钱前研究员、王永红研究员与黄学辉研究员率领团队完成的研究成果“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”荣获国家自然科学奖一等奖. 这一重大成果是继“绿色革命”和“杂交水稻”后的又一次重大突破, 为我国水稻分子设计育种与生产的跨越式发展奠定了开创性基础. 以水稻关键农艺性状的功能基因为基础, 通过分子设计育种制定高效的育种策略, 能够大大提高育种效率, 缩短育种时间, 快速聚合优良性状, 利用这一体系育成的水稻新品种已逐渐在我国水稻生产中产生重大影响. 2017年2月, 国际著名期刊Nature Plants发表的A Chinese renaissance专评文章认为, 中国科学家在水稻分子遗传学领域取得了国际一流成果, 已经引领世界水稻乃至作物生物学、遗传学和基因组学研究. 本文旨在系统梳理后基因组时代中国科学家在水稻复杂农艺性状基因解析等若干领域取得的重要研究成果, 与广大读者共同分享我国科学家所取得的辉煌成就.
表1:我国科学家分离克隆的具有代表性的水稻关键功能基因
性状
基因
登录号
编码产物
表型
产量和品质
MOC1
Os06g0610350
GRAS家族蛋白
单蘖
PROG1
Os07g0153600
锌指转录因子
匍匐生长
IPA1
Os08g0509600
转录因子OsSPL14
理想株型
D53
Os11g0104300
Clp ATP酶类似蛋白
多蘖矮杆
GS3
Os03g0407400
Gγ亚基
粒长和粒重
GW2
Os02g0244100
E3泛素连接酶
粒宽和粒重
GW5
Os05g0187500
钙调素结合蛋白
粒宽和粒重
GIF1
Os04g0413500
细胞壁蔗糖转化酶
籽粒灌浆
GS5
Os05g0158500
丝氨酸羧肽酶
粒宽和粒重
GW8
Os08g0531600
转录因子OsSPL16
粒型和品质
GL3.1
Os03g0646900
丝氨酸/苏氨酸磷酸酶
粒长
GL7
Os07g0603300
拟南芥LNG同源蛋白
粒长
GS2
Os02g0701300
生长调节因子OsGRF4
粒型
BG1
Os03g0175800
膜定位蛋白
粒型
GLW7
Os07g0505200
转录因子OsSPL13
粒型
qLGY3
Os03g0215400
转录因子OsMADS1
粒长和品质
GS9
Os09g0448500
转录激活因子
粒长和品质
qTGW3
Os03g0841800
蛋白激酶OsGSK5
粒型
GSN1
Os05g0115800
双特异性磷酸酶
粒型和每穗粒数
GL6
Os06g0666100
PLATZ转录因子
粒长
Ghd7
Os07g0261200
CCT家族蛋白
每穗粒数和抽穗期
DEP1
Os09g0441900
Gγ亚基
每穗粒数和氮利用
An-1
Os04g0350700
bHLH蛋白
芒长和每穗粒数
GNP1
Os03g0856700
GA20氧化酶
每穗粒数
GAD1
Os08g0485500
分泌肽
芒长和每穗粒数
NOG1
Os01g0752200
烯酰辅酶A水合酶
每穗粒数
LF1
Os03g0109400
HD-ZIP III转录因子
每穗粒数
Wx
Os06g0133000
颗粒淀粉合成酶
直链淀粉合成
Chalk5
Os05g0156900
液泡膜质子转运焦磷酸酶
稻米垩白
qPC1
Os01g0878700
氨基酸转运蛋白OsAAP6
籽粒蛋白含量
qGPC-10
Os10g0400200
谷蛋白前体OsGluA2
稻米蛋白质含量
育性
S5
Os06g0213100
天冬氨酰蛋白酶
籼粳杂种育性
SaM
Os01g0578700
E3类泛素连接酶
籼粳杂种育性
SaF
Os01g0578500
F-box蛋白
籼粳杂种育性
S1TPR
Os06g0142000
OsTP1蛋白
杂种育性
Sc-j
Os03g0247300
DUF1618结构域蛋白
籼粳杂种育性
qHMS7
Os07g0646300
未知功能蛋白
籼粳杂种育性
Hwi1-25L2
Os11g0173550
类受体蛋白激酶
杂种劣势
Hwi2
Os01g0795400
枯草杆菌蛋白酶
杂种劣势
WA352
JX131325
线粒体蛋白
细胞质雄性不育
pms3
Os12g0545900
长链非编码RNA
光敏雄性不育
CSA
Os01g0274800
MYB转录因子
光敏雄性不育
育性
TMS5
Os02g0214300
RNA酶ZS1
温敏雄性不育
TMS10
Os02g0283800
类受体蛋白激酶
温敏雄性不育
抽穗期
RID1
Os10g0419200
锌指蛋白转录因子
抽穗延迟
EL1
Os03g0793500
酪蛋白激酶I
早花
DTH8
Os08g0174500
HAP3亚基
开花延迟
LVP1
Os09g0307800
组蛋白甲基转移酶
晚花
Ehd4
Os03g0112700
CCH类锌指蛋白
早花
Ghd7.1
Os07g0695100
PRR蛋白
抽穗延迟
OsELF3
Os06g0142600
类ELF3 蛋白
抽穗延迟
HAF1
Os04g0648800
E3泛素连接酶
晚花
OsHAL3
Os06g0199500
黄素单核苷酸结合蛋
早花,耐盐
DHD1
Os11g0706200
GRAS蛋白
抽穗延迟
非生物胁迫
SKC1
Os01g0307500
钠离子转运蛋白
耐盐
SNAC1
Os03g0815100
NAC转录因子
耐盐抗旱
DST
Os03g0786400
锌指转录因子
耐盐抗旱
DCA1
Os10g0456800
DST转录共激活因子
耐盐抗旱
SIT1
Os02g0640500
凝集素样类受体激酶
耐盐
STRK1
Os04g0540900
类受体胞质激酶
耐盐
COLD1
Os04g0600800
G蛋白信号调节因子
抗冷
TT1
Os03g0387100
26S蛋白酶体α2亚基
耐热
TOGR1
Os03g0669000
RNA解旋酶
耐热
CTB4a
Os04g0132500
类受体蛋白激酶
抗冷
bZIP73
Os09g0474000
bZIP转录因子
抗冷
HAN1
Os11g0483000
细胞色素P450氧化酶
抗冷
AET1
Os05g0535500
tRNAHis鸟苷转移酶
耐热
CAL1
Os02g0629800
防御素类似蛋白
耐镉
OsCd1
Os03g0114800
镉的次级主动转运蛋白
耐镉
生物胁迫
Xa26
LOC_Os11g47210
类受体激酶
抗白叶枯病
Xa13
Os08g0535200
质膜蛋白
抗白叶枯病
Xa23
Os11g0586701
R蛋白
抗白叶枯病
STV11
Os11g0505300
磺基转移酶OsSOT1
抗条纹叶枯病
EBR1
Os05g0279400
E3泛素连接酶
抗稻瘟病和白叶枯
Pigm
KU904633
NBS-LRR类蛋白
抗稻瘟病
Bsr-d1
Os03g0437200
锌指转录因子
抗稻瘟病
Bph14
Os03g0848700
CC-NB-LRR家族蛋白
抗褐飞虱
Bph3
Os04g0202350
凝集素样类受体激酶
抗褐飞虱
Bph6
Os04g0431800
胞泌复合体蛋白
抗褐飞虱
营养高效利用
NRT1.1B
Os10g0554200
硝酸盐转运蛋白
氮素高效利用
OsNRT2.3
Os01g0704100
高亲和性硝酸盐转运蛋白
氮素高效利用
ARE1
Os08g0224300
叶绿体定位蛋白
氮素高效利用
SPX4
Os03g0827500
含有SPX结构域的蛋白
磷高效利用
OsAKT1
Os01g0648000
Shaker型家族钾离子通道
钾高效利用
由于篇幅限制,只列出引言部分,更多内容请打开下面网页查看:
http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SSV/doi/10.1360/SSV-2019-0209?slug=fulltext
来源:frontiersin 植物科学最前沿
原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyOTY2NDYyNQ==&mid=2247493179&idx=1&sn=e3dc3eff66658e3fd318e157a76a0719&chksm=e8bd9425dfca1d33b22f2366c67557d4138af7ce5438d902d012a8e6651c2e4ef21fe3f0ae97&scene=27#wechat_redirect
版权声明:除非特别注明,本站所载内容来源于互联网、微信公众号等公开渠道,不代表本站观点,仅供参考、交流、公益传播之目的。转载的稿件版权归原作者或机构所有,如有侵权,请联系删除。
电话:(010)86409582
邮箱:kejie@scimall.org.cn
遗传学:局部环境影响基因表达
我国著名生物学家和医学遗传学家李璞教授逝世
中国遗传学会九届动物遗传学专业委员会召开
遗传学:狗狗社交性的潜在遗传基础
遗传学: 杀手是怎样炼成的
遗传学与表观遗传学前沿暨第三届中国青年遗传学家论坛会议纪要
遗传学:古格陵兰人也吃鲸鱼
基因变异让秘鲁人矮小,或有利于高原生活
科学家查清中国大鲵“血缘谱系”
遗传学:来自花蟹的基因