主要农作物产量性状的遗传网络解析重大研究-国家自然科学基金委

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1、附件“主要农作物产量性状的遗传网络解析”重大研究计划2014年度项目指南我国人口在未来20年仍将继续增长，对粮食的需求持续增加，要在现有产量水平上实现单产水平的进一步突破，必须对主要产量构成性状的复杂遗传网络进行解析，发现和利用产量相关的关键基因，挖掘作物产量遗传潜力，从而提出突破产量潜力的新的育种途径和方法。按照作物产量性状遗传改良的实践，实现产量潜力的突破必须在保证粒重的同时，在株型上有新的突破，即通过改良穗部形态和分蘖性状等，提高品种的田间种植密度和每穗粒数，进而促进光能利用率，增加作物产量。因此，株型发育和籽粒形成是当前及未来作物高产育

2、种的关键性状，而遗传调控网络的解析是这些性状改良的重要基础。本重大研究计划拟以玉米、水稻为研究对象，围绕控制产量性状的遗传网络机制的解析，综合应用生物学、农学及信息学多学科交叉的手段，集中深入地探讨（1）株型发育（分蘖、株高、茎叶夹角、穗型）和（2）籽粒形成（花/穗建成、胚胎和籽粒发育、籽粒灌浆速率）这两个密切相关的影响作物产量性状的重要生物学过程的遗传及生理生化调控机理，并进一步通过分析籽粒形成和株型发育过程中不同阶段生物学过程之间的互作关系，阐明影响作物产量性状的遗传调控网络。在此基础上，开展高产育种的分子设计理论研究，为我国玉米、水稻等主

3、要农作物高产育种提供理论支撑。-9-一、科学目标针对我国粮食安全的重大需求和生命科学的前沿领域，解析玉米、水稻株型发育（分蘖、株高、茎叶夹角、穗型）和籽粒形成（花/穗建成、胚胎和籽粒发育、籽粒灌浆速率）这两个影响作物产量性状且密切相关的重要生物学过程的分子遗传及生理生化调控网络，为我国主要农作物高产品种培育提供理论支撑。二、核心科学问题系统解析玉米、水稻重要产量性状（株型发育和籽粒形成）的多基因遗传调控网络，分析并阐明影响产量性状的主要遗传位点和这些遗传位点之间的基因互作调控规律，为作物高产育种的分子设计提供理论基础。三、2014年度重点资助领

4、域和研究方向（一）水稻、玉米株型发育和籽粒形成关键基因的生物学功能分析。农作物重要产量性状关键基因的功能分析是解析遗传网络以及开展高产分子设计育种的基础。株型发育（分蘖、株高、茎叶夹角、穗型）和籽粒形成（花/穗建成、胚胎和籽粒发育、籽粒灌浆速率）是决定穗数、穗粒数和粒重的关键生物学过程，也是作物超高产育种的-9-重要目标性状。本研究方向将在国内外已有产量性状相关基因/QTL研究基础上，以株型发育和籽粒形成等重要产量性状为主要目标，采用关联分析和比较基因组学等方法，鉴定出玉米和水稻作物决定这些产量性状的关键基因及QTL，利用正向和反向遗传学方法并

5、结合生物化学和细胞生物学方法对它们进行功能分析，并明确其分子调控机理和生物学功能。（二）水稻、玉米株型发育、籽粒形成的遗传调控网络。采用全基因组关联分析等技术方法，阐明多基因位点对单一性状作用的遗传机制；同时，将以已克隆的花/穗发育基因和籽粒发育关键基因为基础，鉴定出与这些基因在群体材料中的等位变异和基因互作的上下游基因，建立以多基因互作为目标的复杂模型和有效算法，分别建立花/穗建成的遗传调控网络和籽粒发育的遗传调控网络。采用生物学、计算生物学、统计学和信息学相结合的手段，并充分借鉴拟南芥等模式植物和主要农作物已取得的相关成果，鉴定出与这些基因

6、互作的上下游基因，建立分蘖发生的遗传调控网络。将针对玉米、水稻株高发育的生物学过程，以已经鉴定出的关键基因为重点，解析调控株高发育的遗传调控网络。最终建立并完善调控花穗形成和籽粒发育、分蘖和株高控制的遗传网络模型。（三）水稻、玉米株型发育与籽粒形成之间的遗传互作调控网络。作物产量由株型发育和籽粒形成等多种农艺性状综合决定，在分别阐明株型发育和籽粒形成的多基因调控遗传机制的基础上，分析研究株型和籽粒两大产量相关性状之间存在的复杂相互作用，以阐明彼此间错综复杂的网络调控机制。本研究方向将在前两个研究方向基础上，发展和完善模型的有效算法，采用生物信息

7、学、基因组学、分子生物学等综合研究手段，探讨株型发育和籽粒形成这两个重要产量性状之间的互作关系，建立株型发育和籽粒形成间互作的遗传网络调控模型。-9-（四）水稻、玉米高产育种的分子设计理论。利用控制籽粒形成、株型发育和育性相关QTL/基因的信息以及主要农作物产量性状的遗传网络研究成果，模拟预测各种可能基因型的表现型，筛选符合作物高产育种目标的最佳基因型。根据目标基因型的遗传构成筛选可以产生目标基因型的育种亲本或染色体片段置换系，利用目标QTL/基因紧密连锁的分子标记，模拟各种可能的杂交和选择方案，确立最佳育种方案。同时，利用多基因聚合育种技术，

8、将控制籽粒形成、株型发育和育性的优异等位基因/位点进行组装，分析其遗传及互作效应，提出并部分验证高产育种的分子设计理论。四、2014年度资助计划本重大