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美国农业部发布植物遗传资源、基因组学和遗传改良计划最新成果
责任编辑:左彬彬 来源:农科智库 日期:2021-05-07

2021年2月,美国农业部农业研究局(ARS)发布“植物遗传资源、基因组学和遗传改良计划(国家301计划)2020财年报告”,报道了2020年度该计划取得的最新成果,经分析归纳出美国在该领域的主要研究方向和进展。

一作物遗传改良
研究成果主要聚焦于特定性状的基因鉴定、新品种的培育与开发、分子标记、转化体系等育种工具的开发和品种、品系、品质的鉴定。
在特定性状的基因鉴定方面,主要针对生菜、番茄、大豆、高粱、小麦、向日葵、黑莓和棉花8种作物开展了研究,涉及的性状包括抗炭疽病、抗锈病、抗褐斑病等抗病害性状,抗褐变、产量、提高消化率、籽粒大小、甜度、纤维强度等品质性状以及耐旱性、传粉效率等环境适应性状。
在新品种培育与开发方面,已发布的作物品种有马铃薯、大麦、小麦、豌豆、花豆、大豆、甘蔗、桃子、黑莓;得到改良的性状涉及抗铁杉球蚜、抗小麦条纹花叶病毒和小麦花叶病毒、抗白粉病、抗菜豆普通花叶病毒、抗豆锈病、抗褐锈病和黄锈病、抗甘蔗螟、抗褐锈病或黑穗病等抗病害性状,产量、加工特性、高β-葡聚糖含量、高蛋白含量、高纤维含量、花青素含量、硬度、颜色等品质性状,以及越冬性、抗旱、抗寒、耐受低肥力等非生物胁迫耐受性状。
在分子标记、转化体系等育种工具的开发方面,建立了以高粱早花为靶点的遗传转化体系,可加快高粱新品种的工程化过程;开发出高粱早季耐寒遗传标记,可被用作鉴定6条先进回交系的选择工具;发现适用于小麦显性雄性不育(DMS)的DNA标记,可用于在育苗阶段鉴定不育植株,使大规模标记辅助回交和基因聚合成为可能。
在品种、品系、品质鉴定方面,从200多个大豆亲本中鉴定出27个抗拟茎点霉和发芽率高的大豆品系;完成了对低降落数值有稳定高抗性的美国西北部冬春小麦品种的鉴定;开发出一种高通量计算机视觉方法来测量蔓越莓果实品质的方法。

二植物、微生物遗传资源和信息管理
研究成果主要聚焦于育种信息平台开发,新微生物资源发现,种质资源鉴定、保护、挖掘及应用,基因组及重要基因研究和植物病害精准诊断方面。
在育种信息平台开发方面,开发出育种洞察(Breeding Insight)平台,目前处于试验阶段,重点为6个ARS育种计划(蓝莓、鲜食葡萄、红薯、苜蓿、虹鳟鱼和北美大西洋鲑鱼)建立支持服务,未来将扩展到所有ARS特色作物、动物和自然资源育种项目。
在新微生物资源发现方面,首次发现了导致夏威夷果减产的疫霉菌(Phytophthora heveae);在鱿鱼卵上发现了生成新型抗生素的细菌,这些细菌及其产生的抗生素可以抑制镰刀形霉菌和白色念珠菌生长,对促进全球公共卫生意义重大。
在种质资源鉴定、保护、挖掘及应用方面,针对阿拉比卡咖啡品种开发了96种高质量遗传标记核心集,可用于拉丁美洲、亚洲和非洲的咖啡苗圃认证;完成了对美国600个农作物野生近缘种地理分布和保护状况的全面分析;研究了36个野生蔓越莓种群,揭示了其丰富的遗传多样性和独特的性状;开展了银胶菊(guayule)种质的表型分析,为银胶菊亲本品种选育提供了基础;将叶子有独特蜡质结构的性状引入高级洋葱选育株系中,培育出抗蓟马洋葱品种;开发出可分析整个DNA序列的人工智能程序,用于发现具有控制重要农艺性状基因的植物;对29种蓝莓进行斑翅果蝇幼虫和成虫摄食抗性测定,发现10种具有果蝇摄食抗性的蓝莓品种。
在基因组及重要基因研究方面,对Williams 82参考基因组序列进行了重大改进,并为其他2种大豆构建了新的基因组组合;开发并鉴定了小麦D基因组嵌套关联图谱(DNAM)面板,使用了与硬白育种品系杂交的山羊草种质,在该种群中发现了对小麦条锈病和禾谷胞囊线虫病的新型抗性;鉴定出控制胡萝卜花青素色素含量和营养质量的3个主要基因,提供了花青素积累机制的新见解和改善胡萝卜颜色与营养的育种策略;开发了麦廮蝇抗性基因h4、H7、H35和H36的新型DNA标记。
在植物病害精准诊断方面,开发出用于诊断啤酒花白粉病病原菌小种的DNA测试,可在数小时内准确确认病原体种族;开发出高灵敏度的鳄梨日斑类病毒(avocado sun blotch viroid)检测方法;建立了完善的叶缘焦枯病菌(Xylella)的检测和监测方案,用于山核桃种质资源监测和无病种质筛选。

三作物生物学和分子过程
研究成果主要集中在作物与环境因素及其微生物的互作机制,新技术、新工具开发,调控机理和基因及基因组研究方面。
在作物与环境因素及其微生物的互作机制研究方面,确定了高粱褐色中脉品系Bmr12木质素合成的相关基因及途径,将有助于开发出更具气候适应性和抗病性的高粱品种;发现了玉米中微生物依赖性杂种优势(hybrid vigor)现象,即玉米杂种优势部分来自与微生物邻居的相互作用;开发出一种高效的线虫类生物杀虫剂,可有效防治蔓越莓跳甲(cranberry flea beetle)虫害;
在新技术、新工具开发方面,采用高光谱照相技术将测量每株植物光合作用所需的时间缩短至15秒,提高了收集多种作物基因型光合表型的效率,并确定了从与光合作用相关的高光谱数据中识别7个重要叶片性状的方法;完成了西瓜枯萎病和木瓜环斑病毒抗性基因的鉴定及DNA标记开发;利用蔓越莓种质筛选鉴定出低柠檬酸蔓越莓品系,通过遗传定位、开发相应分子标记,证实其与低酸果实的遗传关联;对大量木薯贮藏根进行基于图像的表型分析和基于基因组序列的DNA指纹分析,鉴定出决定木薯根系大小和形状的关键染色体区域;开发出一种杀菌剂抗性管理“工具箱”,可用于早期检测甜菜叶中的环孢菌(cercospora)及与耐药性相关的突变;首次使用无人机成像和深绿色指数(DGCI)测量绘制大豆冠层的绿色度,鉴定出与大豆冠层绿色强度相关的基因组区域。
在调控机理研究方面,揭示了阿魏酸-5羟基化酶(F5H)在木质素合成中的作用及其改变高粱生物量木质素组成的新途径;首次确定了马铃薯绿化和糖苷生物碱(glycoalkaloid)生物合成之间的机理联系,为抗绿化马铃薯品种培育提供了新途径;确定了小麦由Q基因控制的遗传途径和过程,为培育产量更高、更有弹性的小麦品种提供了支持。
在基因及基因组研究方面,玉米遗传学和基因组学数据库(MaizeGDB)发布了26种新的注释玉米基因组,将有助于更好地理解植物基因和田间观察到的性状之间的关系;实现了镰刀菌头枯萎病抗性基因Fhb7的克隆和导入,为小麦FHB抗性育种提供了解决方案;对南方高丛蓝莓(SHB)、北方高丛蓝莓(NHB)和蓝莓兔眼品种的基因型分析,为育种者在培育适应当地气候的种质资源时所采取的差异性基因选择策略提供参考;鉴定出控制油菜脂肪酸合成的候选基因,可作为基因组辅助育种的精确靶点,培育出籽油成分和质量改善的品种。

四作物遗传学、基因组学和遗传改良的信息资源和工具
通过高效获取基因型和表型数据构建遗传信息图谱。
对美国山核桃品种87MX3-2.11、Lakota、Elliott和Pawnee进行了全基因组测序,绘制了山核桃基因定位和功能的遗传蓝图;采用高通量预测模型,利用近红外光谱技术确定银胶菊中的树脂和橡胶,最大限度提高银胶菊的橡胶和树脂表型效率;开发了马铃薯块茎的计算机视觉数据采集与测量工作流程,可以高效获取马铃薯块茎的大小、形状、表皮和肉质等表型数据。

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