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2021年2月,美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局(ARS)發(fā)布“植物遺傳資源、基因組學和遺傳改良計劃(國家301計劃)2020財年報告”,報道了2020年度該計劃取得的最新成果,經(jīng)分析歸納出美國在該領域的主要研究方向和進展。

一作物遺傳改良
研究成果主要聚焦于特定性狀的基因鑒定、新品種的培育與開發(fā)、分子標記、轉(zhuǎn)化體系等育種工具的開發(fā)和品種、品系、品質(zhì)的鑒定。
在特定性狀的基因鑒定方面,主要針對生菜、番茄、大豆、高粱、小麥、向日葵、黑莓和棉花8種作物開展了研究,涉及的性狀包括抗炭疽病、抗銹病、抗褐斑病等抗病害性狀,抗褐變、產(chǎn)量、提高消化率、籽粒大小、甜度、纖維強度等品質(zhì)性狀以及耐旱性、傳粉效率等環(huán)境適應性狀。
在新品種培育與開發(fā)方面,已發(fā)布的作物品種有馬鈴薯、大麥、小麥、豌豆、花豆、大豆、甘蔗、桃子、黑莓；得到改良的性狀涉及抗鐵杉球蚜、抗小麥條紋花葉病毒和小麥花葉病毒、抗白粉病、抗菜豆普通花葉病毒、抗豆銹病、抗褐銹病和黃銹病、抗甘蔗螟、抗褐銹病或黑穗病等抗病害性狀,產(chǎn)量、加工特性、高β-葡聚糖含量、高蛋白含量、高纖維含量、花青素含量、硬度、顏色等品質(zhì)性狀,以及越冬性、抗旱、抗寒、耐受低肥力等非生物脅迫耐受性狀。
在分子標記、轉(zhuǎn)化體系等育種工具的開發(fā)方面,建立了以高粱早花為靶點的遺傳轉(zhuǎn)化體系,可加快高粱新品種的工程化過程；開發(fā)出高粱早季耐寒遺傳標記,可被用作鑒定6條先進回交系的選擇工具；發(fā)現(xiàn)適用于小麥顯性雄性不育(DMS)的DNA標記,可用于在育苗階段鑒定不育植株,使大規(guī)模標記輔助回交和基因聚合成為可能。
在品種、品系、品質(zhì)鑒定方面,從200多個大豆親本中鑒定出27個抗擬莖點霉和發(fā)芽率高的大豆品系；完成了對低降落數(shù)值有穩(wěn)定高抗性的美國西北部冬春小麥品種的鑒定；開發(fā)出一種高通量計算機視覺方法來測量蔓越莓果實品質(zhì)的方法。

二植物、微生物遺傳資源和信息管理
研究成果主要聚焦于育種信息平臺開發(fā),新微生物資源發(fā)現(xiàn),種質(zhì)資源鑒定、保護、挖掘及應用,基因組及重要基因研究和植物病害精準診斷方面。
在育種信息平臺開發(fā)方面,開發(fā)出育種洞察(Breeding Insight)平臺,目前處于試驗階段,重點為6個ARS育種計劃(藍莓、鮮食葡萄、紅薯、苜蓿、虹鱒魚和北美大西洋鮭魚)建立支持服務,未來將擴展到所有ARS特色作物、動物和自然資源育種項目。
在新微生物資源發(fā)現(xiàn)方面,首次發(fā)現(xiàn)了導致夏威夷果減產(chǎn)的疫霉菌(Phytophthora heveae)；在魷魚卵上發(fā)現(xiàn)了生成新型抗生素的細菌,這些細菌及其產(chǎn)生的抗生素可以抑制鐮刀形霉菌和白色念珠菌生長,對促進全球公共衛(wèi)生意義重大。
在種質(zhì)資源鑒定、保護、挖掘及應用方面,針對阿拉比卡咖啡品種開發(fā)了96種高質(zhì)量遺傳標記核心集,可用于拉丁美洲、亞洲和非洲的咖啡苗圃認證；完成了對美國600個農(nóng)作物野生近緣種地理分布和保護狀況的全面分析；研究了36個野生蔓越莓種群,揭示了其豐富的遺傳多樣性和獨特的性狀；開展了銀膠菊(guayule)種質(zhì)的表型分析,為銀膠菊親本品種選育提供了基礎；將葉子有獨特蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)的性狀引入高級洋蔥選育株系中,培育出抗薊馬洋蔥品種；開發(fā)出可分析整個DNA序列的人工智能程序,用于發(fā)現(xiàn)具有控制重要農(nóng)藝性狀基因的植物；對29種藍莓進行斑翅果蠅幼蟲和成蟲攝食抗性測定,發(fā)現(xiàn)10種具有果蠅攝食抗性的藍莓品種。
在基因組及重要基因研究方面,對Williams 82參考基因組序列進行了重大改進,并為其他2種大豆構(gòu)建了新的基因組組合；開發(fā)并鑒定了小麥D基因組嵌套關(guān)聯(lián)圖譜(DNAM)面板,使用了與硬白育種品系雜交的山羊草種質(zhì),在該種群中發(fā)現(xiàn)了對小麥條銹病和禾谷胞囊線蟲病的新型抗性；鑒定出控制胡蘿卜花青素色素含量和營養(yǎng)質(zhì)量的3個主要基因,提供了花青素積累機制的新見解和改善胡蘿卜顏色與營養(yǎng)的育種策略；開發(fā)了麥廮蠅抗性基因h4、H7、H35和H36的新型DNA標記。
在植物病害精準診斷方面,開發(fā)出用于診斷啤酒花白粉病病原菌小種的DNA測試,可在數(shù)小時內(nèi)準確確認病原體種族；開發(fā)出高靈敏度的鱷梨日斑類病毒(avocado sun blotch viroid)檢測方法；建立了完善的葉緣焦枯病菌(Xylella)的檢測和監(jiān)測方案,用于山核桃種質(zhì)資源監(jiān)測和無病種質(zhì)篩選。

三作物生物學和分子過程
研究成果主要集中在作物與環(huán)境因素及其微生物的互作機制,新技術(shù)、新工具開發(fā),調(diào)控機理和基因及基因組研究方面。
在作物與環(huán)境因素及其微生物的互作機制研究方面,確定了高粱褐色中脈品系Bmr12木質(zhì)素合成的相關(guān)基因及途徑,將有助于開發(fā)出更具氣候適應性和抗病性的高粱品種；發(fā)現(xiàn)了玉米中微生物依賴性雜種優(yōu)勢(hybrid vigor)現(xiàn)象,即玉米雜種優(yōu)勢部分來自與微生物鄰居的相互作用；開發(fā)出一種高效的線蟲類生物殺蟲劑,可有效防治蔓越莓跳甲(cranberry flea beetle)蟲害；
在新技術(shù)、新工具開發(fā)方面,采用高光譜照相技術(shù)將測量每株植物光合作用所需的時間縮短至15秒,提高了收集多種作物基因型光合表型的效率,并確定了從與光合作用相關(guān)的高光譜數(shù)據(jù)中識別7個重要葉片性狀的方法；完成了西瓜枯萎病和木瓜環(huán)斑病毒抗性基因的鑒定及DNA標記開發(fā)；利用蔓越莓種質(zhì)篩選鑒定出低檸檬酸蔓越莓品系,通過遺傳定位、開發(fā)相應分子標記,證實其與低酸果實的遺傳關(guān)聯(lián)；對大量木薯貯藏根進行基于圖像的表型分析和基于基因組序列的DNA指紋分析,鑒定出決定木薯根系大小和形狀的關(guān)鍵染色體區(qū)域；開發(fā)出一種殺菌劑抗性管理“工具箱”,可用于早期檢測甜菜葉中的環(huán)孢菌(cercospora)及與耐藥性相關(guān)的突變；首次使用無人機成像和深綠色指數(shù)(DGCI)測量繪制大豆冠層的綠色度,鑒定出與大豆冠層綠色強度相關(guān)的基因組區(qū)域。
在調(diào)控機理研究方面,揭示了阿魏酸-5羥基化酶(F5H)在木質(zhì)素合成中的作用及其改變高粱生物量木質(zhì)素組成的新途徑；首次確定了馬鈴薯綠化和糖苷生物堿(glycoalkaloid)生物合成之間的機理聯(lián)系,為抗綠化馬鈴薯品種培育提供了新途徑；確定了小麥由Q基因控制的遺傳途徑和過程,為培育產(chǎn)量更高、更有彈性的小麥品種提供了支持。
在基因及基因組研究方面,玉米遺傳學和基因組學數(shù)據(jù)庫(MaizeGDB)發(fā)布了26種新的注釋玉米基因組,將有助于更好地理解植物基因和田間觀察到的性狀之間的關(guān)系；實現(xiàn)了鐮刀菌頭枯萎病抗性基因Fhb7的克隆和導入,為小麥FHB抗性育種提供了解決方案；對南方高叢藍莓(SHB)、北方高叢藍莓(NHB)和藍莓兔眼品種的基因型分析,為育種者在培育適應當?shù)貧夂虻姆N質(zhì)資源時所采取的差異性基因選擇策略提供參考；鑒定出控制油菜脂肪酸合成的候選基因,可作為基因組輔助育種的精確靶點,培育出籽油成分和質(zhì)量改善的品種。

四作物遺傳學、基因組學和遺傳改良的信息資源和工具
通過高效獲取基因型和表型數(shù)據(jù)構(gòu)建遺傳信息圖譜。
對美國山核桃品種87MX3-2.11、Lakota、Elliott和Pawnee進行了全基因組測序,繪制了山核桃基因定位和功能的遺傳藍圖；采用高通量預測模型,利用近紅外光譜技術(shù)確定銀膠菊中的樹脂和橡膠,最大限度提高銀膠菊的橡膠和樹脂表型效率；開發(fā)了馬鈴薯塊莖的計算機視覺數(shù)據(jù)采集與測量工作流程,可以高效獲取馬鈴薯塊莖的大小、形狀、表皮和肉質(zhì)等表型數(shù)據(jù)。