【正文】 項(xiàng)目名稱： 水稻重要農(nóng)藝性狀的功能基因組和分子基礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 薛勇彪 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 起止年限： 至 依托部門： 中國(guó)科學(xué)院 一、研究?jī)?nèi)容 本項(xiàng)目將在前一期 973 項(xiàng)目取得成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外水稻基因組研究的新進(jìn)展，進(jìn)一步凝練科學(xué)目標(biāo)，以我國(guó)水稻生產(chǎn)中的重大需求為導(dǎo)向，以功能基因組研究為主要手段，重點(diǎn)開展水稻重要農(nóng)藝性狀的分子基礎(chǔ)的研究。主要內(nèi)容包括：株型發(fā)育的基因調(diào)控、育性的分子控制、胚乳發(fā)育和種子形成、淀粉代謝的功能基因組 、重要農(nóng)藝性狀的比較基因組、光溫脅迫的功能基因組和重要農(nóng)藝性狀的分子改良。 二、預(yù)期目標(biāo) 總體目標(biāo)： 通過項(xiàng)目的實(shí)施，保持和提升我國(guó)在水稻基因組研究的國(guó)際地位和競(jìng)爭(zhēng)力，加強(qiáng)我國(guó)農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新能力，培養(yǎng)和造就一批高水平的植物生命科學(xué)研究人才，建立我國(guó)水稻分子改良的理論和技術(shù)體系，指導(dǎo)水稻品種的分子改良。 五年預(yù)期目標(biāo) 克隆 50 個(gè)左右的水稻重要功能基因，闡明 2－ 3 個(gè)重要農(nóng)藝性狀控制的分子機(jī)理，建立高效水稻雜交育種和分子育種體系和培育一批具有重要應(yīng)用前景的遺傳改良品系。獲得具有重要應(yīng)用前景的 功能基因?qū)＠?25 項(xiàng)，發(fā)表高水平論文 100篇左右（累計(jì)影響因子 400 以上）。 三、研究方案 學(xué)術(shù)思路 針對(duì)我國(guó)水稻生產(chǎn)中迫切需要解決的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和抗逆等問題，本項(xiàng)目以重要農(nóng)藝性狀為對(duì)象，綜合應(yīng)用分子遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、生物化學(xué)和功能基因組學(xué)等多學(xué)科交叉的手段，研究水稻株型、育性、種子形成，淀粉代謝調(diào)控和光溫脅迫應(yīng)答的分子機(jī)理，克隆鑒定相關(guān)的關(guān)鍵基因并闡明其功能，為解決我國(guó)水稻優(yōu)良品種培育中的重大理論和技術(shù)問題提供創(chuàng)新性研究成果。 技術(shù)途徑 本項(xiàng)目將根據(jù)研究任務(wù)和目標(biāo)，充分利用已有的水稻基 因組和功能基因組研究的資源和信息平臺(tái)，主要以遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、生物化學(xué)和功能基因組學(xué)等為主要研究手段，開展水稻株型、育性、種子形成，淀粉代謝和環(huán)境脅迫等主要農(nóng)藝性狀的分子控制機(jī)理的研究。采用的主要研究路線有四個(gè)：第一，重要功能基因克隆及其作用網(wǎng)絡(luò)的研究；第二，重要農(nóng)藝性狀的功能基因組研究；第三，雜交育種技術(shù)的改良和完善；第四，重要農(nóng)藝性狀的分子改良。通過發(fā)揮我們已有研究工作基礎(chǔ)以及研究隊(duì)伍的技術(shù)特點(diǎn)，闡明水稻重要農(nóng)藝性狀分子控制的機(jī)理，為分子改良和設(shè)計(jì)重要農(nóng)藝性狀奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)，推動(dòng)我國(guó)育 種科學(xué)的可持續(xù)發(fā)展，并對(duì)解決重要的植物科學(xué)中復(fù)雜性狀調(diào)控的問題做出貢獻(xiàn)。 根據(jù)研究?jī)?nèi)容本項(xiàng)目由 7 個(gè)課題組成，每個(gè)課題組設(shè) 1－ 2 名課題負(fù)責(zé)人協(xié)助項(xiàng)目負(fù)責(zé)人進(jìn)行課題的管理和各個(gè)課題間以及參加課題的有關(guān)單位間的協(xié)調(diào)。 創(chuàng)新點(diǎn)和特色 水稻已成為禾本科植物研究的模式植物，特別是全基因組序列的完成，相關(guān)的數(shù)據(jù)呈指數(shù)級(jí)增加，產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)，為功能基因組研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，已經(jīng)成為國(guó)際植物科學(xué)的前沿領(lǐng)域。本項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)與特色在于以下幾個(gè)方面： (1)密切圍繞我國(guó)水稻生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題，集中了全國(guó)水稻育種、分子生物學(xué) 、比較基因組學(xué)、生物信息學(xué)等領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)力量和資源，充分利用國(guó)內(nèi)外可利用的水稻基因組信息資源和多學(xué)科交叉手段，對(duì)水稻重要農(nóng)藝性狀調(diào)控的分子機(jī)制有系統(tǒng)、全面、深入的闡明。 (2)以控制重要農(nóng)藝性狀的功能基因?yàn)榛A(chǔ)，提出了包括超級(jí)稻在內(nèi)的水稻等作物產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆性分子改良的思路和途徑。 (3)在已具備的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高和加強(qiáng)我國(guó)農(nóng)業(yè)科技的自主創(chuàng)新能力。 2020 年中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了重大創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目“水稻基因組測(cè)序和重要農(nóng)藝性狀功能基因組研究”，主要開展水稻基因組精細(xì)圖繪制和 4 號(hào)染色體精確測(cè)序的工 作，同時(shí)涉及一些基因克隆和表達(dá)的研究；同年啟動(dòng)的國(guó)家 863 計(jì)劃科技重大專項(xiàng)“水稻高產(chǎn)等重要農(nóng)藝性狀的功能基因組研究”主要集中在突變體庫(kù)，基因芯片，全長(zhǎng) cDNA 克隆的平臺(tái)建設(shè)和重要功能基因克隆等方面，注重規(guī)?；δ芑蚪M研究的平臺(tái)建設(shè)，而本項(xiàng)目則是緊緊圍繞與產(chǎn)量、品種和抗逆性等密切相關(guān)的重要農(nóng)藝性狀開展功能基因組研究，注重系統(tǒng)集成和分子機(jī)理研究，旨在闡明復(fù)雜性狀的形成機(jī)理，為其分子改良提供理論和技術(shù)支持。 根據(jù)研究?jī)?nèi)容本項(xiàng)目由 7 個(gè)課題組成，每個(gè)課題組設(shè) 1－ 2 名課題負(fù)責(zé)人協(xié)助項(xiàng)目負(fù)責(zé)人進(jìn)行課題的管理和各個(gè)課題間 以及參加課題的有關(guān)單位間的協(xié)調(diào)。 子課題 株型發(fā)育的基因調(diào)控（負(fù)責(zé)人：李家洋） 主要目標(biāo) 獲得 10 個(gè)左右具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制水稻水稻株型（包括分蘗、分蘗角度、葉片性狀、穗部性狀、穗粒大小、落粒性和根部性狀等）的重要功能基因，闡明水稻株型控制的分子機(jī)理。 主要研究?jī)?nèi)容 (1) 與 MOC1相互作用的基因和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究以及 GRAS基因家族的功能基因組學(xué)研究。 (2) 控制水稻分蘗角度和葉片性狀的基因調(diào)控的研究 (3) 影響水稻穗大小和穗形態(tài)的基因的克隆和功能研究 (4) 控制水稻穗粒大?。ㄇЯＶ?）和落粒性基因的克隆和基因調(diào)控的研究 (5) 研究水稻不定根原基發(fā)生關(guān)鍵基因 ARL1 調(diào)控系統(tǒng)的分子機(jī)制。 (6) 反向遺傳學(xué)研究控制水稻株型的基因及其調(diào)控 參加單位和主要學(xué)術(shù)骨干 中科院遺傳發(fā)育所、 中國(guó)水稻所等 科研骨干：陳明生、曾大力、王首鋒、朱旭東、張景六、羅達(dá)等 專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)安排 760 萬元，占預(yù)算專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)的 ％。 子課題 育性的分子控制（負(fù)責(zé)人：劉耀光） 主要目標(biāo) 克隆 10 個(gè)以上 水稻生殖發(fā)育以及配子育性的 重要功能基因，闡明這些基因的分子作用機(jī)理，建立高效的水稻雜交育種和分子育種體系 。 主要研究?jī)?nèi)容 （ 1） 包臺(tái)型、紅蓮型、野敗型等細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因和主效恢復(fù)基因（ 3－ 4 個(gè)）的克隆并及其分子作用機(jī)理 （ 2） 2 個(gè)光 /溫敏核不育基因的克隆及其分子機(jī)理 （ 3） 5 個(gè)秈粳雜種親和性基因的克隆、分子機(jī)理，其及秈粳雜種育性障礙克服的分子途徑 （ 4） 多個(gè)控制生殖器官和雌雄配子發(fā)育相關(guān)基因的克隆及其分子機(jī)理 （ 5） 不育基因和恢復(fù)基因的轉(zhuǎn)化，新型的不育系和恢復(fù)系的研制 參加單位和主要學(xué)術(shù)骨干 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、 上海植生所等 科研骨干： 黃海，莊楚雄，王臺(tái)、張大兵，楊仲南、張桂權(quán)、王臺(tái) 等 專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)安排 400 萬元，占專項(xiàng)預(yù)算經(jīng)費(fèi)的 ％。 子課題 胚乳發(fā)育和種子形成（負(fù)責(zé)人：薛紅衛(wèi)） 主要目標(biāo) 種子發(fā)育直接關(guān)系水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)，本研究將綜合利用已有水稻基因組資源，在已有工作基礎(chǔ)上，借助已將建立的水稻突變?nèi)后w和功能基因組學(xué)、蛋白組和和代謝組學(xué)手段對(duì)其發(fā)育、代謝過程進(jìn)行系統(tǒng)研究，將有助于通過分子育種進(jìn)行稻米的品質(zhì)改良。 主要研究?jī)?nèi)容 （ 1） 種子發(fā)育、胚乳發(fā)育和灌漿轉(zhuǎn)錄組和重要功能基因的分離與功能鑒定 （ 2） 控制種子形成和胚乳發(fā)育轉(zhuǎn)錄因子的分離和功能研究 （ 3） 種子形成和胚乳發(fā)育中信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)研究 （ 4） 胚乳發(fā)育過程中的細(xì)胞程序化死亡 (PCD)研究 （ 5） 胚乳細(xì)胞分裂和灌漿充實(shí)度機(jī)理的研究 參加單位和主要學(xué)術(shù)骨干 中科院 上海植生生態(tài)所、山東農(nóng)大 科研骨干：王宗陽(yáng)、張憲省、呂應(yīng)堂、王英典等 專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)安排 480 萬元，占專項(xiàng)預(yù)算經(jīng)費(fèi)的 15％。 子課題 淀粉代謝的功能基因組研究（負(fù)責(zé)人：薛勇彪） 主要目標(biāo) 通過開展水稻淀粉代謝的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和蛋白質(zhì)組等方面的研究，闡明淀粉合成和降解以及蔗糖運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理，為改良淀粉品質(zhì)提供理論和基礎(chǔ)支撐。 主要研究?jī)?nèi)容 （ 1）基于全基因組芯片的淀粉代謝途徑的轉(zhuǎn)錄組分析和功能基因研究 （ 2）淀粉合成關(guān)鍵酶的 蛋白質(zhì)組研究 （ 3）水稻不同品種淀粉品質(zhì)形成機(jī)理的研究 （ 4） 研究蔗糖和己糖對(duì)水稻胚乳細(xì)胞分裂的調(diào)節(jié)以及 蔗糖運(yùn)輸?shù)姆肿訖C(jī)理研究 （ 5）胚乳中直鏈和支鏈淀粉的比例變化與稻米品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)的研究 參加單位和主要學(xué)術(shù)骨干 中科院遺傳發(fā)育所、 揚(yáng)州大學(xué)等 科研骨干：阮勇凌、付志明、劉巧泉、辛世文、嚴(yán)長(zhǎng)杰、何予卿、高用明等 專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)安排 550 萬元，占專項(xiàng)預(yù)算經(jīng)費(fèi)的 ％。 子課題 重要農(nóng)藝性狀的比較基因組研究（負(fù)責(zé)人：韓斌、程祝寬）