我国桉树遗传育种研究进展

桃金娘科(Myrtaceae)桉属(Eucalyptus)、杯果木属(Angophora)和伞房属(Corymbia)树种统称桉树,引入我国已有130余年的历史,是重要的工业用材林树种。我国桉树遗传育种研究始于20世纪60年代的种子园建设和70年代后期的种源试验,一些技术显著促进了其进程,主要有:①早期的种子园技术促进了无性繁殖困难树种的有性扩繁;②20世纪90年代兴起的扦插和组织培养技术推动了优良无性系选育与应用;③20世纪90年代末分子标记技术开启了我国桉树分子育种研究的新纪元;④21世纪初转基因技术为品种创制提供了崭新的手段;⑤刚尝试的基因组编辑技术展现了巨大的应用潜力。桉树育种策略和种质资源是其遗传育种研究的基础,已对一些树种制定了育种策略和育种计划,兼顾纯种内轮回选择和杂种无性系的选育,主要经济性状包括材积生长、木材密度、抗病虫和抗风等;累计已收集了近200个树种3 000余个家系的种质资源。我国桉树遗传育种研究已取得显著进展,主要包括:①几个主要树种的轮回选择和世代改良,仅尾叶桉(E. urophylla)进入了第3个世代;②杂交育种的成效显著,培育了目前仍主栽的DH32-29和DH33-27等优良杂种无性系;③无性系育种结合无性繁殖技术(尤其是组织培养)的研发,极大地推动了无性系林业的发展;④开发了多种分子标记,包括基于新一代测序技术的标记,并基于分子标记利用连锁作图和关联分析的方法,在尾叶桉等6个树种中检测了与生长、材性和/或抗逆等性状相关的基因组位点;⑤已对逆境响应、激素和木材形成等相关的功能基因进行了克隆和表达分析,一些功能基因显示了较好的育种应用潜力;⑥已优化遗传转化体系,获得了转基因植株,并尝试了基因组编辑的可行性。但是,我国桉树遗传育种研究仍面临诸多挑战,如基因型×环境互作的复杂性和高质量基因组/泛基因组的缺乏,种质资源流失,新无性系缺乏,尚待从头克隆和鉴定具有育种价值的优异基因,基因组选择实用性有待探索,遗传转化率需进一步提高等。桉树遗传育种研究对促进我国林业生产的意义是显著的,将有望在高世代改良、种质资源的长期评价、杂种优势的机制与利用、基因组选择的有效应用和转基因与基因组编辑技术等方面取得突破。     

基于高通量测序技术的松材线虫研究进展

松材线虫(Bursaphelenchus xylophilus)是松树萎蔫病的病原,严重威胁欧亚等国的松林资源和生态安全。自2011年松材线虫基因组首次公布以来,高通量测序技术成为该病害的重要研究手段之一。笔者从松材线虫的功能基因、非编码RNA、转录表达差异和基因组学等方面综述其致病机理,认为随着高通量测序技术的快速发展,在转录组相关研究方面,可尝试开展空间转录组、单细胞测序等新技术,在染色体基因组的支持下寻找松材线虫中具有潜在调控功能的长链非编码RNA、融合基因和环状RNA等罕见核酸分子,挖掘可能存在的甲基化、RNA编辑、结构变异等未知现象;在基因组学研究方面,可以开展基因家族扩增、大样本全基因组关联分析和数量性状定位等研究,以挖掘与松材线虫致病力和繁殖力等重要性状紧密关联的基因或位点,阐明松材线虫不同种群在进化过程中发生的适应性变化。     

高通量测序在蜜蜂基因组中的应用及研究进展

【目的】回顾近些年来在蜜蜂基因组研究领域取得的进展，为后续进一步研究提供参考。【方法】检索蜜蜂高通量测序相关文献并归纳总结，获得高通量测序在蜜蜂基因组中的应用和研究进展。【结果】高通量测序主要应用于蜜蜂线粒体基因组、核基因组和转录组3个方面。目前，蜜蜂属（Apis）下所有9个种的线粒体基因组以及6个种的全基因组已被获得。基于转录组测序分析，一些与蜜蜂重要性状相关的候选基因被靶定。【结论】高通量测序技术的快速发展，使得该技术在蜜蜂基因组学的研究应用范围不断扩大、应用深度不断加深。这为研究蜜蜂分类、系统演化、群体遗传、亲缘关系、群体历史等提供了重要的数据支撑，也为进一步筛选和利用关键基因提供了理论支持。     

基于RAD-seq技术的鹅掌楸基因组SNP标记开发

【目的】开发大量可靠的SNP标记,为鹅掌楸高密度遗传连锁图谱的构建和基于基因组的林木选择育种提供分子基础。【方法】从北美鹅掌楸NK基因型为母本、鹅掌楸LS基因型为父本的F1代杂交群体中,选取198株个体为作图群体。用限制性内切酶EcoR I对包括2个亲本和198个子代在内的200个单株的基因组DNA进行酶切,构建RAD(restriction-site associated DNA)文库并进行RAD-seq测序。采用读长为91 bp的双末端测序。2个亲本的平均测序深度为2×,198个子代的平均测序深度为0.8×,平均产量为1.94 Gb,共获得约387.21 Gb数据。用Stacks软件将每个样品的RAD-reads作生物信息学分析,对候选位点进行卡方检验和缺失率检验,再将符合孟德尔遗传的标记及与之相对应的RAD-tag序列和鹅掌楸参考基因组序列进行比对。最后,从本研究开发的SNP标记中选取27个候选SNP位点,设计引物,对随机挑选的16个F1代进行PCR扩增并将结果进行测序,同时验证SNP的有效性。【结果】从候选群体中共鉴定到22 019个SNP位点,符合孟德尔遗传规律的标记为4 233个,最终获得3 501个候选SNP标记。SNP验证中,共有293个SNP标记完成测序并能判读结果,所有位点都为SNP位点,共有194(66.2%)个SNP变异类型得到了验证。 【结论】基于RAD-seq技术和鹅掌楸参考基因组序列为基础的策略,能够作为一种快速有效的手段,实现大规模的分子标记开发,可用于鹅掌楸等林木的高密度遗传图谱的构建。     

分子标记在茄科蔬菜作物遗传育种研究中的应用

综述了分子标记在茄科蔬菜作物遗传育种中应用的几个方面：1）遗传图谱的构建;2）种质资源研究;3）质量性状基因的定位和分子标记辅助选择;4）数量性状基因的分析。     

新型分子生物学技术在花卉定向育种中的应用进展

分子生物学技术可以提高花卉定向育种的效率和精准度,其中转基因技术是目前应用最广泛的花卉定向育种技术,基因编辑和高通量测序技术是近年来发展迅速的分子生物学技术。基于国内外研究现状,阐述了转基因和基因编辑技术在花色、花香、株型和抗性育种中的应用,以及高通量测序技术在花卉目标性状调控的分子机制研究、基因定位、分子标记开发方面助力花卉育种的研究进展。提出了利用新型分子生物学技术加快花卉定向育种进程的研究方向与建议,以期为定向培育出具有新奇花色、花香、花型、抗性的观赏植物新品种提供参考。     

扁玉螺转录组SSR信息分析

采用生物信息学方法分析扁玉螺转录组文库EST序列(SSR)位点,并且设计简单重复序列(SSR)引物,以期为扁玉螺分子标记辅助育种提供有力的工具。对扁玉螺进行转录组测序采用Illumina Hiseq~(TM)高通量测序平台,再利用Micro SAtellite(MISA)工具,分析扁玉螺转录组中SSR的重复基元及其分布频率。利用Primer 3软件设计引物,并且通过SSRFinder筛选出SSR引物。从233 853条Unigenes中找到202 337个符合条件的SSRs,发生频率为45.34%,SSR位点的出现频率为86.53%。SSR位点中单核苷酸重复是主要类型,占总SSRs的63.44%,其次为双核苷酸和三核苷酸,分别为24.12%和6.73%。SSR所包含的重复基元中,单核苷酸重复基元A/T最多,占总SSR的54.15%;其次为双核苷酸AC/GT多,为15.9%。扁玉螺转录组中SSR位点出现频率高,而且类型丰富;大量的SSR分子标记技术有助于扁玉螺分子育种与遗传多样性分析提供更多的依据。     

花生栽培种分子图谱绘制获得突破性进展

分子遗传图谱是植物基因组结构分析和比较的有力工具，已被广泛应用于基因定位、图位克隆、比较基因组学和分子标记辅助育种等研究。目前，广东省农业科学院作物研究所经过多年努力，以粤油13和阜95—5为亲本，通过构建F6重组自交系作图群体，成功绘制了异源四倍体花生栽培种分子遗传图谱。该项研究成果刊登于《作物学报》2009年第3期，     

动物基因图谱的研究现状及其应用

随着人类基因组测序的完成，近年来，动物基因组计划也取得了巨大进展．目前已有猪、牛、羊、马、鹿、鸡等动物绘制了较完善的遗传图谱。这些图谱的建立对了解动物整个基因组结构和对家畜中与重要经济性状相关的基因或遗传标记的鉴定及对家畜开展分子标记辅助选择均十分重要，该文从国内外构建动物基因图谱的方法、研究现状及发展趋势等方面对动物基因图谱的研究作了简要阐述；并探讨了其在基因定位、遗传分析、分子标记辅助选择和研究动物染色体行为等方面的应用。     

分子标记在杨树遗传改良中的应用

介绍了杨树遗传改良中常用的三种分子标记;ＲＦＬＰ、ＲＡＰＤ和ＡＦＬＰ,并回顾了分子标记在杨树遗传改良中的应用;构建无性系指纹图谱,构建遗传图谱,群体遗传变异和系统进化及分类,杂种鉴定,数量性状基因定位以及分子标记辅助选择育种等。     

我国林木良种繁育基地建设发展形势及可持续发展策略

1964年,福建省洋口国有林场杉木 (Cunninghamia lanceolata) 种子园、广东省台山红岭湿地松(Pinus eliottii)种子园、黑龙江省林口县青山林场兴安落叶松(Larix gmelinii)、日本落叶松(L. olgensis)、樟子松(P. sylvestris var. mongolica)种子园的建立,标志着规模化树木改良和林木良种繁育基地建设在我国的开始。经过半个多世纪的发展,我国已建立:国家林木种质资源库99个;国家重点林木良种基地294个,生产林木种子1.7亿kg,苗木2 800多亿株;审定认定林木良种3 224个, 造林树种良种使用率提高到65%。其中,浙江省杉木无性系种子园第1代、1.5代、第2代的6年生子代测定结果表明材积遗传增益分别为16.97%、22.58%、26.42%;而种源种子园和双无性系种子园遗传增益更高,分别达到32.82%和37.93%。福建省第3代杉木无性系种子园材积遗传增益达76%。进入21世纪,我国对林木良种繁育基地建设的树种结构进行了调整。由于我国树种资源非常丰富(乔木树种就有2 000多种,其中不少树种具有特殊用途和特异性功能),我国良种繁育基地经营和树种改良方向更加多元化。除开展一般工业用材树种如松属(Pinus)、杉木属 (Cunninghamia)、落叶松属(Larix)等树种选育外,同时开展遗传改良的树种还包括:特殊用材树种如降香黄檀(Dalbergia odorifera)、楠木(Phoebe bournei)、水曲柳(Fraxinus mandahurica)等;抗逆性生态树种如梭梭(Haloxylon ammodensron)、沙棘(Hippophae rhamnoide)、胡杨(Populus euphratica)等; 园林景观树种如亚美马褂木(又称杂交马褂木或杂交鹅掌楸)(Liriodendron sino-americanum)、玉兰(Magnolia denudata)、金钱松(Pseudolarix amabilis)等; 油料香料树种如油茶(Camellia oleifera)、油桐 ( Vernicia fordii)、八角(Illicium verum )等;干果树种如山核桃(Carya cathayensis)、香榧(Torreya grandis)、枣子(Ziziphus jujuba)等;药用树种如杜仲(Eucommia ulmoides)、厚朴(Magnolia officinalis)、山茱萸(Cornus officinalis)等。笔者认为,我国林木良种繁育基地建设是实现我国林业现代化的一项基础性工程,是林木种子工程建设的重点内容,今后我国林木良种繁育基地建设可持续发展策略性措施包括下列6项内容:①稳定长期经济补贴投资机制,确保良种繁育基地长期正常运转;②加强行政管理监督,制定和修订技术标准、法规;③加强科学技术支撑力度,健全“三结合”协作机制;④制定长期良种基地规划和育种计划,确保基地建设长期持续前行;⑤成立良种基地管理指导委员会,建立科学决策机制;⑥定期举办良种基地与林木育种研讨班,商讨关键科学技术和经营管理重大问题。     

现代林木育种关键核心技术研究现状与展望

良种是提升人工林生产力和增强其碳汇能力的重要基础。“林业种质资源培育与质量提升”是国家“十四五”重点研发任务之一。突破制约林木育种效率和遗传增益提升的瓶颈对于保障国家木材安全和实现“双碳”目标具有十分重要的战略意义。由于传统林木育种周期长、效率低、表型选择精度差,以分子育种为代表的现代育种技术可以显著缩短林木育种周期,精准改良目标性状,成为实现高效林木遗传改良的关键途径。笔者分析了限制林木遗传改良进程的主要问题,阐述了全基因组选择育种等现代林木育种关键核心技术的发展现状及应用情况,并对这些技术未来发展方向进行了展望,为加速林木遗传改良的重大技术创新提供参考。     

林木遗传育种研究进展

林木遗传育种是研究森林遗传和林木良种选育理论与技术的科学。其因林木地理变异规律研究而萌芽,伴随着遗传学基本理论体系形成完成奠基,在不断推动遗传改良以满足人工林高效培育的良种急需中实现林木遗传育种现代理论和技术体系构建,并在进入21世纪之后开启了分子设计育种的深入发展阶段。经过近两个世纪的创新发展,林木遗传育种形成了一个适合树木生物学特点、遗传基础研究与育种创新应用紧密结合并协同发展的学科体系。其中,基于轮回选择不断推进以选择、交配、遗传测定为核心的育种循环,完成更高轮次的基本群体、育种群体、选择群体和生产群体建设,是可持续遗传改良的根本所在。在此基础上,或通过远缘杂交选育杂种优势突出的林木品种;或基于有性多倍体化开展多倍体育种,综合利用杂种优势和倍性优势,实现林木多目标性状改良;或采用转基因和基因编辑等分子育种技术,进一步改良已有林木品种或优异种质等。而林木良种生产仍然依赖传统的种子园制种和无性系制种,其中体胚发生技术实用化将是进一步实现种子繁殖树种遗传改良水平提升的有效途径。推动林木育种理论和技术创新,提高育种效率和效果,选育产量更高、品质更优、抗逆性更强、适应性更广的林木良种并应用于生产,保证用更少的人工林面积生产更多的木材及林产品,以减少对天然林的依赖,林木遗传育种在未来将发挥更大的作用。     

果树分子育种研究进展

我国是果树产业第一大国,具有丰富的果树品种资源。随着市场需求和自然环境的变化,我国果树产业中出现了一些新问题和新需求亟待解决。深入研究和系统分析我国果树育种现状,并探讨未来发展方向十分必要。转基因技术、分子标记技术等分子育种技术具有周期短、效率高、定向育种精确度高等优点,将其应用于果树育种可以改良果品品质并增强产业竞争力,是现代果树改良育种研究的重要手段。结合我国果树产业现阶段存在的品种单一、品质下降、病虫害危害增加等实际问题,从改善果实色泽、果型、大小、风味、质地、香味、功能物质等果实品质相关性状,以及提高抗干旱、低温、高温等非生物胁迫和抗病虫害等生物胁迫能力出发,综述了现代分子生物学技术在果树育种中的应用进展、不足以及发展建议,认为我国果树分子育种应该以满足不同人群和不同用途需求为基础,培育多样化、个性化的品种;以优质绿色安全为发展方向,培育抗性好、适合省力化栽培的品种;要充分利用果树全基因组丰富的遗传信息资源,在基因组或系统水平上全面分析基因功能,以揭示果树生长发育、环境应答互作分子网络、代谢等分子机制,为果树定向育种奠定基础;同时应综合运用现代生物学等各种先进技术,提升育种效率,逐步缩短培育新品种的周期。     

杨树泛基因组构建与基因组变异分析

【目的】杨树是重要的速生用材、生态防护和碳汇造林树种,也是林木遗传研究的模式树种。开展杨树泛基因组构建与基因组变异分析,可为杨树精准育种和林木泛基因组研究提供理论先导。【方法】 以公开发表的高质量杨树基因组序列为基础,分析不同类型的序列变异,总结变异特征,并构建基于基因和图形结构的杨树泛基因组。【结果】 本研究收集到8个杨属树种和3个二倍体或三倍体杨树杂交品种的基因组序列,3个杂交品种包含7个单倍型亚基因组序列,较好地代表了杨树4个组派的基因组特征。分析结果表明,杨树基因组间存在较多大的结构变异。在基于基因的泛基因组中,共线核心基因、非共线核心基因、次核心基因、非必需基因、特异基因占比分别为12.5%、34.9%、31.4%、16.5%、4.7%。其中,非必需基因在功能上具有较高的多样性。以基因组序列变异为基础构建杨树图形结构泛基因组,大幅提升2代测序数据的变异检测效果。通过泛基因组变异热点分析,鉴定出2个与物候关联的基因位点。【结论】 杨属基因组中存在大量染色体重排,进而增加了基因调控的多样性。杨树组/派间的基因组结构变异可能与物候适应存在关联。基于林木基因组序列的复杂性,在林木泛基因组研究中应注意基因组整合范围与研究目标相匹配,结合基因泛基因组和图形结构泛基因组结果,综合解析林木的遗传变异规律和物种演化特征。     

Statistical approaches in QTL mapping and molecular breeding for complex traits

Most of the important agronomic traits in crops,such as yield and quality,are complex traits affected by multiple genes with gene × gene interaction as well as gene × environment interaction.Understanding the genetic architecture of complex traits is a long-term task for quantitative geneticists and plant breeders who wish to design efficient breeding programs.Conventionally,the genetic properties of traits can be revealed by partitioning the total variation into variation components caused by specific genetic effects.With recent advances in molecular genotyping and high-throughput technology,the unraveling of the genetic architecture of complex traits by analyzing quantitative trait locus (QTL) has become possible.The improvement of complex traits has also been achieved by pyramiding individual QTL.In this review,we describe some statistical methods for QTL mapping that can be used to analyze QTL × QTL interaction and QTL × environment interaction,and discuss their applications in crop breeding for complex traits.     

海神单胞菌属的基因组测序数据分析

海神单胞菌属（Neptunomonas）于1999年被首次鉴定,目前包含8个菌种,其中6个已经完成全基因组测序。本文总结了海神单胞菌属的菌种特征和基因组信息,并利用基因组测序数据对该菌属的碳源利用途径、聚羟基脂肪酸酯代谢途径和芳香族化合物降解途径进行了分析。研究发现,海神单胞菌属具有完整的糖酵解和乙酸利用途径,普遍含有Ⅰ型和Ⅲ型的聚羟基脂肪酸酯合成酶,存在芳香族化合物的降解途径。基因组测序数据分析结果可以为海神单胞菌属在聚羟基脂肪酸酯合成与环境治理保护等领域的应用提供理论依据。     

CRISPR/Cas技术在木本植物改良中的应用

木本植物育种周期长、种质资源匮乏,已成为限制木本植物种质创新的主要因素。CRISPR/Cas系统是近年来发展起来的能够实现对基因组进行精准定点编辑的技术,具有操作简单、周期短、效率高等优点,可实现基因的敲除、插入、替换等目的,从而精确地引入目标性状。目前,该技术已在多种家畜、昆虫、作物中得到了成功应用,对大量性状进行了改良,实现了种质资源的原始创新,大大缩短了育种年限。CRISPR/Cas技术的产生为木本植物的遗传改良提供了契机。笔者对CRISPR/Cas技术在杨树(Populus spp.)、苹果(Malus spp.)、柑橘(Citrus spp.)、葡萄(Vitis vinifera)、木薯(Cassava spp.)等木本植物育种中的应用进行了总结,该技术实现了T0代木本植物优良基因型的固定,在生长、材性、抗病性、抗旱性等性状上得到了明显改善,加快了木本植物育种进程,提高了育种效率。但该技术在木本植物中的应用尚处于起步阶段,还存在脱靶率高、编辑效率低、纯合突变少等问题。基于此,对CRISPR/Cas技术在木本植物中的应用前景进行了展望,以期为木本植物基因功能研究及品种改良提供有益参考。     

林木与病原菌分子互作机制研究进展

近年来林木与病原菌互作的分子机制研究成果丰硕,尤其是HIGS与CRISPR/Cas9等技术的发展,促进了林木病原菌关键致病基因的功能、病原菌基因组与转录组学、病原菌效应蛋白、林木抗病基因功能、林木抗病与生长平衡、林木抗病分子育种等多个层面研究的快速发展。从植物-病原菌分子互作的基本问题出发,综述了国内外林木-病原菌分子互作机制研究的进展与热点,包括病原菌侵入过程的信号网络及功能、病原菌活性氧解毒机制及效应蛋白的多种作用机制、林木与病原菌的组学研究进展、林木关键防御机制、林木与内生真菌及外生真菌互作机制等。基于目前的研究进展,对未来林木-病原菌分子互作的发展趋势进行了展望,“Zigzag”理论、“诱饵”假说这些新理论,高效的测序技术及分子操作等新技术, 效应蛋白及免疫受体互作等新方向的出现也预示着林木-病原菌互作研究开始迈入新的阶段。