973项目申报书——重要热带作物木薯品种改良的基础研究

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1、项目名称：重要热带作物木薯品种改良的基础研究首席科学家：彭明中国热带农业科学院热带生物技术研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：农业部海南省科技厅一、研究内容1、木薯淀粉高效累积的分子基础采用块根淀粉率差异显著的木薯品系，监测其块根发育的生物学全过程，采用转录组、全长cDNA文库、miRNA和基因芯片等先进的分析手段，寻找木薯淀粉高效累积的主要代谢途径，发掘关键基因，建立相关候选基因间的调控网络。通过对木薯淀粉积累重要时间节点的转录组和全长cDNA文库分析，筛选淀粉高效累积相关的候选基因并获得其全长序列克隆；通过miRNA测序及其靶基因预测分析，发现淀粉高效累积

2、相关的miRNA及其靶基因（Targetgenes）；通过基因芯片杂交，解析淀粉高效累积相关候选基因和miRNA的时空表达谱。综合候选基因，miRNA及其靶基因和表达谱信息，利用基因网络分析平台，构建木薯淀粉高效累积的基因调节网络并发现关键节点基因。进而，利用木薯全基因组序列，将淀粉高效累积的相关基因定位到基因组物理图谱，比较分析这些基因在高淀粉品系、低淀粉野生种和糖木薯3个基因组中的差异，揭示这些功能基因在进化中的结构演化关系。通过比较基因组学的方法，发掘木薯近缘作物光合产物形成与分配的关键基因及其共性机制。从而，建立木薯及其近缘作物光合产物高效累积的理论基础。2、木薯逆境适应

3、的调控机理选择对干旱、土壤贫瘠耐性和敏感的木薯基因型，完成诱导和非诱导胁迫处理的生物学过程，测定两个处理的转录组和miRNA表达信息，分别获得mRNA基因的表达类型及其丰度信息和木薯逆境诱导表达的miRNA，并根据miRNA基因序列，预测miRNA调控的靶基因（Targetgenes）。通过基因芯片杂交及分析，获得木薯抗逆相关候选基因和miRNA的时空表达谱，构建木薯逆境适应的基因调节网络并发现关键节点基因。对关键基因进行差异表达分析和miRNA与靶基因相互作用分析。将关键抗逆基因定位到物理图谱，并利用拟南芥等的转基因方法对其中若干重要基因进行功能验证，为木薯抗逆遗传改良提供新的

4、基因资源。此外，通过比较基因组学的方法，发掘木薯近缘作物抗旱耐贫瘠的关键基因，鉴定抗性同源基因在近缘物种间的重要结构域和进化规律，寻找逆境适应的共性机制。3、木薯重要基因的功能验证与分析建立在相对成熟的木薯遗传转化体系基础上，采用基因敲除和过表达策略，将木薯光合产物高效累积及逆境适应途径中的关键基因转入木薯，获得转基因植株。通过对转基因植株的生理生化和分子生物学分析，进一步阐明这些关键基因在相关代谢途径中的作用机理。同时创造具有不同淀粉品质和抗逆特征的木薯新种质。4、木薯分子育种技术集成与种质创新综合运用形态学、植物生理生化和分子标记等实验手段，筛选分别具有高产、优质、抗逆特征的

5、木薯核心种质；利用全基因组序列和关键代谢途径表达基因（EST）开发大量SNP、EST-SSR等分子标记，构建高密度分子遗传图谱，整合物理图谱，定位重要经济、抗逆性状的QTL，建立实用的分子标记辅助育种技术体系；发展细胞原生质体融合杂交育种、转基因育种等新方法。将育种新技术融合到传统的木薯杂交育种体系，建立亲本杂交-分子细胞育种-田间选择的现代育种技术体系，快速、高效培育高产、抗逆且具有不同淀粉品质特征的专用型木薯新品种（系）。二、预期目标1、总体目标通过项目的实施，以木薯为热带作物典型材料，探索其淀粉高效累积和抗逆的分子遗传基础，解析木薯光合产物高效积累的基因调控模式，揭示其淀

6、粉持续高效累积的生物学基础和逆境适应的分子机制，旨在解决热带作物光合产物高效累积的关键性基础理论问题；发掘具有应用价值的基因资源和分子标记，发展新的分子育种综合技术，为木薯新品种培育奠定坚实的应用理论基础。建设一支高水平的研究团队，推动木薯及热带作物产业的可持续发展。2、五年预期目标（1）阐明木薯淀粉高效累积的主要代谢途径，及抗旱、耐贫瘠等逆境的分子机理；（2）发掘关键基因、新的miRNAs及其靶基因，构建多层次的表达调控网络；（3）验证光合产物高效累积及抗旱、耐贫瘠6-10个重要基因的功能；（4）阐述木薯及近缘作物光合产物积累和抗逆的共性机制；（5）整合木薯物理图谱与遗传图谱，

7、并开发2000个以上木薯SNP和SSR标记；（6）建立分子育种与传统育种相结合的育种体系，培育出高产抗逆的木薯新种质或新品系6-10个；（7）发表高质量学术论文30-40篇，累计影响因子100点以上；（8）培养硕士、博士研究生50-60名；（9）建立多学科交叉的木薯研究创新团队；（10）建立权威的木薯基因组学数据库和应用平台。三、研究方案1、学术思路，技术路线及可行性项目围绕2个关键科学问题和总体目标，提出总体研究框架（下图），采用高通量定向基因发掘的综合技术手段，重点解决木薯淀