【文章內(nèi)容簡介】 型骨干親本為基礎(chǔ)構(gòu)建不同類型遺傳分析群體為材料，對骨干親本中與產(chǎn)量性狀密切相關(guān)的基因組區(qū)段、關(guān)鍵基因 和基因序列變異 /等位基因及其組合方式進(jìn)行系統(tǒng)的功能分析，闡明其選擇與遺傳效應(yīng) ；重點(diǎn)解析 骨干親本的基礎(chǔ) 遺傳 圖譜 內(nèi)的 基因組區(qū)段、關(guān)鍵基因 和基因序列變異 /等位基因 的育種效應(yīng) ；發(fā)掘?qū)?shí)現(xiàn)未來育種目標(biāo)具有重要價(jià)值的 關(guān)鍵 基因組區(qū)段 /基因簇 /基因 /等位基因。 一般配合力對骨干親本形成的作用及其遺傳基礎(chǔ) 以骨干親本與典型非骨干親本構(gòu)建的測交群體或完全雙列雜交群體為材料，利用分子標(biāo)記、轉(zhuǎn)錄組學(xué)等技術(shù)，以穗粒數(shù)、粒重等產(chǎn)量性狀形成為主體，定位與產(chǎn)量相關(guān)性狀一般配合力密切相關(guān)的基因組區(qū)段，研究相關(guān)產(chǎn)量性狀一般配合力的傳遞規(guī)律，探討一般配合力對骨干親本形成的作用以及骨干親本能夠衍生出大量主栽品種的遺傳學(xué)基礎(chǔ)；闡明 控制 一般配合力基因組區(qū)段與骨干親本的基礎(chǔ)遺傳 圖譜的關(guān)系。 候選骨干親本的分子設(shè)計(jì) 在 解析 骨干親本的基礎(chǔ) 遺傳 圖譜和一般配合力遺傳的基礎(chǔ)上，輔助以計(jì)算機(jī)模擬，系 統(tǒng)分析骨干親本重要基因組區(qū)段、關(guān)鍵基因及其等位基因不同組合方式，在不同遺傳背景下對株型、產(chǎn)量三要素等目標(biāo)性狀 的 遺傳效應(yīng)與協(xié)調(diào)表達(dá)，建立候選 骨干親本 選育以及 最佳親本組配的分子設(shè)計(jì)模型，提出綜合評估候選骨干親本和改良現(xiàn)有骨干親本的技術(shù)方法。 候選骨干親本篩選、創(chuàng)制與利用 根據(jù)不同時(shí)期、不同生態(tài)區(qū)骨干親本遺傳構(gòu)成特點(diǎn)， 結(jié)合骨干親本 基礎(chǔ) 遺傳 圖譜 以及 重要基因組區(qū)段、關(guān)鍵基因變異類型及其不同組合方式的遺傳效應(yīng) 和分子設(shè)計(jì)模型，篩選、創(chuàng)制對未來 5～ 10 年 水稻、小麥、玉米等 主要糧食作物育種與生產(chǎn)具有重要促進(jìn)作用的候選骨干 親本， 并通過育種實(shí)踐 予以驗(yàn)證 ， 為創(chuàng)立骨干親本育種理論奠定基礎(chǔ)。 項(xiàng)目名稱： 植物免疫機(jī)制與作物抗病分子設(shè)計(jì)的重大基礎(chǔ)理論 首席科學(xué)家： 何祖華 中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院 起止年限： 至 依托部門： 中國科學(xué)院 農(nóng)業(yè)部 二、預(yù)期目標(biāo) （一）項(xiàng)目總體目標(biāo) 深入闡明重要糧食作物的免疫機(jī)理、建立我國主要農(nóng)作物重大病害抗病機(jī)制為模式的創(chuàng)新研究體系，結(jié)合我國轉(zhuǎn)基因新品種培育的重大戰(zhàn)略需求，建立作物抗病分子設(shè)計(jì)的理論與技術(shù)體系。 本項(xiàng)目 將系統(tǒng)分離并鑒定重要糧食作物水稻和麥類新的抗病基因（包括QTL）、病原菌致病因子的寄主靶標(biāo)、模式植物擬南芥的重要調(diào)控基因及其在作物中的相應(yīng)功能等，建立我國特色的分子植物病理學(xué)前沿理論研究模型，開辟植物免疫研究的國際前沿， 前瞻性地布局國際前沿的創(chuàng)新研究領(lǐng)域與技術(shù)體系 。在植物新的免疫機(jī)制、作物廣譜持久抗病的分子遺傳機(jī)制、作物重要腐生?。ㄈ缂y枯病）的抗病性等方面獲得重大突破，并以此為基礎(chǔ)建立重要糧食作物抗病分子設(shè)計(jì)的重大基礎(chǔ)理論和技術(shù)體系。本項(xiàng)目將在農(nóng)作物抗病性的基礎(chǔ)理論上做出創(chuàng)新性貢獻(xiàn)，為作物抗病育種提供具有自 主知識產(chǎn)權(quán)的新策略、新技術(shù)和基因資源。本項(xiàng)目的實(shí)施將在高水平研究論文發(fā)表、專利申請和優(yōu)秀人才培養(yǎng)與團(tuán)隊(duì)建設(shè)等方面做出重大貢獻(xiàn)，大幅提高我國的農(nóng)業(yè)科學(xué)理論與技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，顯著增強(qiáng)我國農(nóng)業(yè)科學(xué)自主創(chuàng)新的能力，為國家 “轉(zhuǎn)基因新品種培育重大專項(xiàng) ”的高效實(shí)施提供理論與技術(shù)體系的保障。 （二）五年預(yù)期目標(biāo) 1. 建立水稻和麥類作物免疫研究的前沿體系 以水稻為代表的農(nóng)作物 與擬南芥相比，它們的免疫分子機(jī)理既有相似性，但在抗病基因的結(jié)構(gòu)和功能、對病原菌 PAMP 和 effector 識別應(yīng)答及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)等方面存在重要差 異，并存在 較多的技術(shù)障礙， 重要的研究體系也沒有很好建立。本項(xiàng)目將立足于領(lǐng)域前沿與國家需求，分別把水稻和小麥的重要抗病系統(tǒng)的研究進(jìn)一步發(fā)展成為全面、成熟、具有國際前沿水平的植物抗病分子機(jī)理研究的模式體系；并初步建立對頑拗性腐生病原菌紋枯?。⒖萁z核菌）和赤霉?。?禾谷鐮孢） 免疫研究的技術(shù)平臺與重要的抗病相關(guān)基因資源， 全面揭示宿主農(nóng)作物對 腐生性病原 侵染的應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)和免疫機(jī)制， 為分子植物病理學(xué)科的發(fā)展和作物抗病分子育種提供新的理論和途徑。 2. 深化植物免疫研究的模式和內(nèi)容，開辟國際領(lǐng)先的研究新領(lǐng)域 本項(xiàng)目課題組在近幾年 已在擬南芥的 PTI 和 ETI， SAR，及其交互作用（ crosstalk）做出了系列的國際水平的研究成功，項(xiàng)目的實(shí)施將進(jìn)一步建立合作團(tuán)隊(duì)，凝練主攻方向，在 植物 ETI 的新機(jī)制、 ETIPTI 交互作用、新的 SAR 調(diào)控因子上建立國際領(lǐng)先的研究領(lǐng)域，獲得系列重要研究成果。 3. 創(chuàng)建植物免疫表觀遺傳調(diào)控研究新體系 目前植物免疫的表觀遺傳機(jī)制研究剛剛起步，若干重要問題亟待解決。本項(xiàng)目將 利用相關(guān)課題組已經(jīng)建立的國際前沿植物 RNA 沉默及抗病毒分子機(jī)理的研究水平的基礎(chǔ)上，鑒定新的表觀遺傳因子與作用機(jī)制，系統(tǒng)研究 植物中 RNA 沉默介 導(dǎo)的表觀遺傳機(jī)制在植物免疫中的新的調(diào)控功能；建立重要作物病害如黃單胞菌（白葉枯病）對水稻 siRNA 的調(diào)控的全基因組網(wǎng)絡(luò)，闡明植物 miRNAs 是否通過調(diào)控 R 基因直接參與植物抗病反應(yīng)，在新的層面上認(rèn)識植物免疫的 RNA 沉默途徑的應(yīng)答機(jī)制，建立創(chuàng)新的植物免疫研究理論與技術(shù)體系，在農(nóng)作物抗病的理論和轉(zhuǎn)基因抗病新技術(shù)上取得新的突破 。 4. 剖析作物抗病性與產(chǎn)量性狀關(guān)聯(lián)的分子機(jī)制，建立學(xué)科交叉領(lǐng)域 以水稻抗病反應(yīng)與發(fā)育的交互作用為模式系統(tǒng)，闡明水稻 SAR 基因 OsNPR1如何調(diào)控生長素發(fā)育途徑，從而調(diào)節(jié)水稻產(chǎn)量性狀的分子機(jī)制； 闡明 ET 發(fā)育途徑參與水稻稻瘟病抗性的分子機(jī)理；闡明以水稻病毒?。?RDV 和水 RBSDV)侵染植物導(dǎo)致植物矮化的分子機(jī)理 ， 為病毒防治尋找新的途徑；建立新的作物抗病與發(fā)育交叉研究領(lǐng)域，在學(xué)科創(chuàng)新上有持續(xù)的生命力。 5. 系統(tǒng)發(fā)掘作物重要抗病新基因，解析新的抗性機(jī)制 目前從水稻和小麥中克隆的抗病基因數(shù)量非常有限，極大部分抗病基因還未知。 這對于全面理解作物與病原菌的相互作用及抗病機(jī)制是主要的限制因素。尤其是對廣譜持久抗病性的分子機(jī)制基本上是空白。 此外，對于類似紋枯病這樣的水稻病害，其危害已越來越嚴(yán)重，但在水稻中迄今尚未 鑒定有重要抗性的基因位點(diǎn)。本項(xiàng)目將系統(tǒng)克隆 3050 個(gè)水稻抗病基因（尤其是廣譜持久抗病基因）、麥類 慢銹病抗病主效 QTL 等、以及重要的抗病調(diào)控基因，系統(tǒng)剖析這些新抗病基因的抗性機(jī)制，尤其將在克隆水稻廣譜抗病基因 ROD Pigm、小麥慢條銹苗期主效數(shù)量抗性基因 Yrq1及大麥慢葉銹成株期主效數(shù)量抗性基因 Rphq4的基礎(chǔ)上，確定其在免疫反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中所承擔(dān)的功能，提出植物廣譜持久抗病性遺傳與分子機(jī)理的模型，也為接續(xù)的分子設(shè)計(jì)育種奠定基礎(chǔ)。 6. 創(chuàng)立并實(shí)踐作物抗病分子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系 本項(xiàng)目將整合上述基礎(chǔ)理論和 基因資源，解決抗病分子設(shè)計(jì)育種的關(guān)鍵科學(xué)問題，包括：優(yōu)異等位或同源抗病基因的開發(fā)、基因簇內(nèi)復(fù)等位基因的重組和功能評價(jià)；新型抗病基因的分子設(shè)計(jì)和功能評價(jià)；抗病基因的聚合轉(zhuǎn)化 /轉(zhuǎn)育及其功能評價(jià)。 本項(xiàng)目將率先建立水稻和小麥抗病分子設(shè)計(jì)的實(shí)踐模型， 發(fā)展 23 種農(nóng)作物抗病改良的新策略， 為廣泛開展作物抗病分子設(shè)計(jì)育種奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)。 通過科學(xué)的分子手段，結(jié)合傳統(tǒng)育種手段對農(nóng)作物栽培品種進(jìn)行遺傳改良，得到抗病性顯著改良和廣譜抗病的水稻、小麥等農(nóng)作物的品系 710 個(gè)，獲得 23 個(gè)能夠抗水稻紋枯病、病毒病等疑難病害的農(nóng)作 物品（株）系。 7. 創(chuàng)造系列高水平的研究成果，大幅提升我國在本領(lǐng)域的國際地位 在國內(nèi)外核心刊物上發(fā)表研究論文 100 篇左右。其中，在國際一流學(xué)術(shù)期刊（ IF ）上發(fā)表論文 10－ 15 篇，申請發(fā)明專利 20－ 30 項(xiàng)， 授權(quán)專利 7－ 10個(gè) ，主辦一次大型專業(yè)國際學(xué)術(shù)會議，大幅提升我國科研團(tuán)隊(duì)在國際上的研究地位。 8. 全面推進(jìn)優(yōu)秀人才培養(yǎng)和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè) 依托項(xiàng)目實(shí)施， 進(jìn)一步凝練我國在植物免疫和作物抗病分子領(lǐng)域的戰(zhàn)略目標(biāo)， 培養(yǎng)一批具有科學(xué)創(chuàng)新精神和在專業(yè)領(lǐng)域具有較高國際顯示度的中青年學(xué)科帶頭人， 建設(shè)具有國際一流水平的研究 隊(duì)伍。培養(yǎng)博士后和研究生 150 名左右，為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展奠定人才基礎(chǔ)。 三、研究方案 （一）總體學(xué)術(shù)思路 本項(xiàng)目緊密結(jié)合農(nóng)業(yè)生物學(xué)學(xué)科前沿，并為保障我國糧食生產(chǎn)安全和 支撐 國家轉(zhuǎn)基因新品種培育 等 重大戰(zhàn)略需求，建立以我國主要農(nóng)作物重大病害抗病機(jī)制為模式的創(chuàng)新研究體系。在研究思路上強(qiáng)調(diào)頂層設(shè)計(jì)與整合，以 “一線四點(diǎn)六面 ” 的格局組織項(xiàng)目的實(shí)施，即： 1 條主線， 4 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題， 6 方面研究內(nèi)容。 在具體研究體系上，針對重要的作物 病害體系包括水稻 和 麥類 病害 的新抗病基因和調(diào)控基因的克隆與功能機(jī)制，并整合與 創(chuàng)新模式植物擬南芥的前沿免疫研究體系。在技術(shù)路線上廣泛采用正向、反向遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)，并結(jié)合生物信息學(xué)、蛋白 蛋白相互作用、蛋白組學(xué)、現(xiàn)代生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)等研究技術(shù)。 在目標(biāo)集成上，剖析 作物對重要病原菌的識別機(jī)制與應(yīng)答的信號網(wǎng)絡(luò)，研究作物廣譜與持久抗性尤其是數(shù)量性狀（ QTL）抗性的分子機(jī)制，分析與整合作物抗病性與產(chǎn)量性狀的互作途徑 ，并緊密結(jié)合作物遺傳育種 ，建立作物抗病分子設(shè)計(jì)的理論、應(yīng)用基礎(chǔ)和共性技術(shù)體系。 （二）總體技術(shù)途徑 目前 ‘組學(xué) ’和 ‘復(fù)雜性狀 ’的研究方法已貫穿到生物學(xué)研究的各個(gè)方面，根據(jù)總體研究目標(biāo)和目前學(xué)科的發(fā)展趨勢，本項(xiàng)目將針對農(nóng)作物與病原微生物相互作用過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，充分利用遺傳學(xué)和表觀遺傳、植物病理學(xué)、分子生物學(xué)、蛋白質(zhì)相互作用、細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)等現(xiàn)代生物學(xué)研究手段，將植物 病原菌的功能基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和生物信息學(xué)等精密結(jié)合，以嚴(yán)密的設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)分析，解析和闡明植物免疫的細(xì)胞、生化與分子過程。因此，本項(xiàng)目將發(fā)展和利用以下相互交織的技術(shù)平臺： 1. 充分運(yùn)用遺傳學(xué)與基因組學(xué)平臺，鑒定重要的抗病或免疫調(diào)控因子。利用作物抗病資源和大規(guī)模突變體篩選，定位克隆重要的抗病基 因（包括 QTL）和關(guān)鍵調(diào)控基因，分析抗病等位基因的結(jié)構(gòu)與功能差異，并利用植物轉(zhuǎn)化和基因敲除（ knockout/knockdown）等驗(yàn)證基因功能；利用蛋白質(zhì)互作和蛋白組學(xué)等技術(shù)，鑒定重要的互作蛋白或靶蛋白等；利用表達(dá)組學(xué)結(jié)合基因功能分析，分離鑒定重要的免疫調(diào)節(jié)基因。 2. 建立表觀遺傳分析技術(shù)體系和遺傳資源，分析表觀遺傳機(jī)制對植物免疫的調(diào)控，鑒定有調(diào)控功能的 sRNA 及其靶標(biāo)基因。 3. 利用生物信息分析平臺，對大規(guī)模植物和病原菌基因組數(shù)據(jù)庫進(jìn)行序列分析 和基因挖掘鑒定重要的免疫 /抗病 調(diào)控因子、 響應(yīng)因子和路徑節(jié) 點(diǎn) 等， 分析重要病原的致病性基因簇結(jié)構(gòu)及其寄主靶標(biāo)， 預(yù)測 抗病 蛋白 的結(jié)構(gòu)和 互作 模式 ，并根據(jù)重要的免疫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑建立基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。 4. 利用激光微切割技術(shù)結(jié)合基因芯片和生物信息學(xué)分析平臺，精確分離鑒定細(xì)胞特異和侵染早期的寄主響應(yīng)基因，尤其是對腐生菌 (小麥赤霉病 )的抗病相關(guān)基因，建立防衛(wèi)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。 5. 建立和利用細(xì)胞生物學(xué)和生物化學(xué)平臺，包括各種顯微觀察方法、標(biāo)記與跟蹤技術(shù)、免疫共沉淀、體內(nèi)外生化活性分析等技術(shù)，驗(yàn)證重要的植物免疫細(xì)胞學(xué)過程，分離重要的活性小分子，抗病的激素途徑及其與產(chǎn)量性狀等的關(guān)聯(lián)。 6. 將分子遺傳、轉(zhuǎn)基因技術(shù)和作物育種學(xué)結(jié)合，進(jìn)行抗病分子設(shè)計(jì)育種，選育廣譜抗病水稻和小麥品系，建立分子設(shè)計(jì)育種的理論與技術(shù)體系。 遺傳學(xué)途徑 表觀遺傳途徑 生化途徑 生物信息途徑 （注：本設(shè)計(jì)為技術(shù)流程的主要途徑，相互之間有交織） 作物抗病分子設(shè)計(jì)的理論 與技術(shù)體系 作物抗病資源 ,擬南芥突變體 基因定位克隆與功能分析 植物抗病機(jī)制與信號途徑 抗病育種分子標(biāo)記與分子設(shè)計(jì) 抗病等位基因和功能分化 抗病 TGS 途徑 , sRNA 表達(dá)譜 miRNA,RdDM調(diào)控 R 基因 RNA 沉默 與水稻抗病性 水稻 sRNA 靶標(biāo)與抗性途徑 植物新抗病理論與技術(shù)體系 蛋白互作 ,關(guān)鍵基因鑒定 致 病因子新靶標(biāo)與功能 免疫調(diào)控關(guān)鍵節(jié)點(diǎn) 激素途徑和產(chǎn)量性狀 抗病高產(chǎn)育種基礎(chǔ)理論 重要數(shù)據(jù)庫分析與發(fā)掘 腐生菌侵染與表達(dá)譜分析 重要調(diào)控基因鑒定與分析 蛋白互作 的分子特征 與預(yù)測 重要免疫途徑基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò) 主要農(nóng)作物重大病害 抗病機(jī)制 為模式的 植物免疫 創(chuàng)新 研究體系 （三）創(chuàng)新性 與 特色 植物免疫與作物抗病性研究是國際植物生物學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域，研究的問題復(fù)雜、涉及的學(xué)科范圍和技術(shù)方法廣、學(xué)科發(fā)展快、國際競爭大。 目前我國在這方面的研究與技術(shù)體系與歐美等國家相比，還 具有很大的的差距 。但是， 我國 在作物 應(yīng)用基礎(chǔ) 研究 以及相關(guān)領(lǐng)域 人才隊(duì)伍建設(shè)方面具有 明顯 優(yōu)勢 。本項(xiàng)目根據(jù)學(xué)科發(fā)展和本國農(nóng)作物病害的特點(diǎn)，立足于創(chuàng)新、突出研究重點(diǎn)、發(fā)揮自身優(yōu)勢，做出跨越式