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2021年2月,美國(guó)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(xué)和遺傳改良計(jì)劃(國(guó)家301計(jì)劃)2020財(cái)年報(bào)告”,報(bào)道了2020年度該計(jì)劃取得的最新成果,經(jīng)分析歸納出美國(guó)在該領(lǐng)域的主要研究方向和進(jìn)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(kāi)發(fā)、分子標(biāo)記、轉(zhuǎn)化體系等育種工具的開(kāi)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(duì)生菜、番茄、大豆、高粱、小麥、向日葵、黑莓和棉花8種作物開(kāi)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(qiáng)度等品質(zhì)性狀以及耐旱性、傳粉效率等環(huán)境適應(yīng)性狀。
在新品種培育與開(kāi)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(biāo)記、轉(zhuǎn)化體系等育種工具的開(kāi)發(fā)方面,建立了以高粱早花為靶點(diǎn)的遺傳轉(zhuǎn)化體系,可加快高粱新品種的工程化過(guò)程；開(kāi)發(fā)出高粱早季耐寒遺傳標(biāo)記,可被用作鑒定6條先進(jìn)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(biāo)記,可用于在育苗階段鑒定不育植株,使大規(guī)模標(biāo)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(gè)大豆親本中鑒定出27個(gè)抗擬莖點(diǎn)霉和發(fā)芽率高的大豆品系；完成了對(duì)低降落數(shù)值有穩(wěn)定高抗性的美國(guó)西北部冬春小麥品種的鑒定；開(kāi)發(fā)出一種高通量計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法來(lái)測(cè)量蔓越莓果實(shí)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(tái)開(kāi)發(fā),新微生物資源發(fā)現(xiàn),種質(zhì)資源鑒定、保護(hù)、挖掘及應(yīng)用,基因組及重要基因研究和植物病害精準(zhǔn)診斷方面。
在育種信息平臺(tái)開(kāi)發(fā)方面,開(kāi)發(fā)出育種洞察(Breeding Insight)平臺(tái),目前處于試驗(yàn)階段,重點(diǎn)為6個(gè)ARS育種計(jì)劃(藍(lán)莓、鮮食葡萄、紅薯、苜蓿、虹鱒魚(yú)和北美大西洋鮭魚(yú))建立支持服務(wù),未來(lái)將擴(kuò)展到所有ARS特色作物、動(dòng)物和自然資源育種項(xiàng)目。
在新微生物資源發(fā)現(xiàn)方面,首次發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致夏威夷果減產(chǎn)的疫霉菌(Phytophthora heveae)；在魷魚(yú)卵上發(fā)現(xiàn)了生成新型抗生素的細(xì)菌,這些細(xì)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(zhǎng),對(duì)促進(jìn)全球公共衛(wèi)生意義重大。
在種質(zhì)資源鑒定、保護(hù)、挖掘及應(yīng)用方面,針對(duì)阿拉比卡咖啡品種開(kāi)發(fā)了96種高質(zhì)量遺傳標(biāo)記核心集,可用于拉丁美洲、亞洲和非洲的咖啡苗圃認(rèn)證；完成了對(duì)美國(guó)600個(gè)農(nóng)作物野生近緣種地理分布和保護(hù)狀況的全面分析；研究了36個(gè)野生蔓越莓種群,揭示了其豐富的遺傳多樣性和獨(dú)特的性狀；開(kāi)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(chǔ)；將葉子有獨(dú)特蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)的性狀引入高級(jí)洋蔥選育株系中,培育出抗薊馬洋蔥品種；開(kāi)發(fā)出可分析整個(gè)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(duì)29種藍(lán)莓進(jìn)行斑翅果蠅幼蟲(chóng)和成蟲(chóng)攝食抗性測(cè)定,發(fā)現(xiàn)10種具有果蠅攝食抗性的藍(lán)莓品種。
在基因組及重要基因研究方面,對(duì)Williams 82參考基因組序列進(jìn)行了重大改進(jìn),并為其他2種大豆構(gòu)建了新的基因組組合；開(kāi)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(duì)小麥條銹病和禾谷胞囊線(xiàn)蟲(chóng)病的新型抗性；鑒定出控制胡蘿卜花青素色素含量和營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量的3個(gè)主要基因,提供了花青素積累機(jī)制的新見(jiàn)解和改善胡蘿卜顏色與營(yíng)養(yǎng)的育種策略；開(kāi)發(fā)了麥廮蠅抗性基因h4、H7、H35和H36的新型DNA標(biāo)記。
在植物病害精準(zhǔn)診斷方面,開(kāi)發(fā)出用于診斷啤酒花白粉病病原菌小種的DNA測(cè)試,可在數(shù)小時(shí)內(nèi)準(zhǔn)確確認(rèn)病原體種族；開(kāi)發(fā)出高靈敏度的鱷梨日斑類(lèi)病毒(avocado sun blotch viroid)檢測(cè)方法；建立了完善的葉緣焦枯病菌(Xylella)的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)方案,用于山核桃種質(zhì)資源監(jiān)測(cè)和無(wú)病種質(zhì)篩選。

三作物生物學(xué)和分子過(guò)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(jī)制,新技術(shù)、新工具開(kāi)發(fā),調(diào)控機(jī)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(jī)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(kāi)發(fā)出更具氣候適應(yīng)性和抗病性的高粱品種；發(fā)現(xiàn)了玉米中微生物依賴(lài)性雜種優(yōu)勢(shì)(hybrid vigor)現(xiàn)象,即玉米雜種優(yōu)勢(shì)部分來(lái)自與微生物鄰居的相互作用；開(kāi)發(fā)出一種高效的線(xiàn)蟲(chóng)類(lèi)生物殺蟲(chóng)劑,可有效防治蔓越莓跳甲(cranberry flea beetle)蟲(chóng)害；
在新技術(shù)、新工具開(kāi)發(fā)方面,采用高光譜照相技術(shù)將測(cè)量每株植物光合作用所需的時(shí)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(shí)別7個(gè)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(biāo)記開(kāi)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(guò)遺傳定位、開(kāi)發(fā)相應(yīng)分子標(biāo)記,證實(shí)其與低酸果實(shí)的遺傳關(guān)聯(lián)；對(duì)大量木薯貯藏根進(jìn)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(kāi)發(fā)出一種殺菌劑抗性管理“工具箱”,可用于早期檢測(cè)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(wú)人機(jī)成像和深綠色指數(shù)(DGCI)測(cè)量繪制大豆冠層的綠色度,鑒定出與大豆冠層綠色強(qiáng)度相關(guān)的基因組區(qū)域。
在調(diào)控機(jī)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(jī)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(guò)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(xué)和基因組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)(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(shí)現(xiàn)了鐮刀菌頭枯萎病抗性基因Fhb7的克隆和導(dǎo)入,為小麥FHB抗性育種提供了解決方案；對(duì)南方高叢藍(lán)莓(SHB)、北方高叢藍(lán)莓(NHB)和藍(lán)莓兔眼品種的基因型分析,為育種者在培育適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂虻姆N質(zhì)資源時(shí)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(diǎn),培育出籽油成分和質(zhì)量改善的品種。

四作物遺傳學(xué)、基因組學(xué)和遺傳改良的信息資源和工具
通過(guò)高效獲取基因型和表型數(shù)據(jù)構(gòu)建遺傳信息圖譜。
對(duì)美國(guó)山核桃品種87MX3-2.11、Lakota、Elliott和Pawnee進(jìn)行了全基因組測(cè)序,繪制了山核桃基因定位和功能的遺傳藍(lán)圖；采用高通量預(yù)測(cè)模型,利用近紅外光譜技術(shù)確定銀膠菊中的樹(shù)脂和橡膠,最大限度提高銀膠菊的橡膠和樹(shù)脂表型效率；開(kāi)發(fā)了馬鈴薯塊莖的計(jì)算機(jī)視覺(jué)數(shù)據(jù)采集與測(cè)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)。