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1、项目名称：主要蔬菜重要品质性状形成的遗传机理与分子改良首席科学家：起止年限：2012.1-2016.8依托部门：农业部一、关键科学问题及研究内容（一）拟解决的关键科学问题围绕我国蔬菜产业发展中对优质品种的迫切需求，从已有的蔬菜基因组学研究的基础出发，针对决定蔬菜商品品质的产品器官发生发育和决定风味品质的风味物质合成积累的遗传机理开展深入研究。科学问题1：蔬菜商品和风味品质性状形成的遗传构成蔬菜产品器官的形成和风味物质的合成与积累是由多基因控制的性状。哪些关键基因控制了叶球的形态建成，果实形态的丰富变异的遗传基础是什么，风味物质代谢的关键酶基因是什么，解决控制这些品质性状形成遗传构成的问题是进一
2、步研究其调控机制的基础。科学问题2：蔬菜商品和风味品质性状形成的基因调控机制产品器官形成和风味物质代谢的生物学过程受到基因网络及环境因素的调控。关键品质功能基因是如何表达调控的，它们之间又是如何相互作用的，温度与光周期等环境因素是如何影响它们的表达，解决这些品质性状形成调控机制的问题是培育优质品种和生产优质蔬菜产品的理论基础与技术支撑。通过对上述两个关键科学问题的深入研究，探索在全基因组序列基础上阐明优质关键基因的结构、功能和互作效应及调控机制，在此基础上建立现有主要蔬菜品质改良全基因组分子设计的理论和方法体系，将提升我国蔬菜品质育种的水平，为推动蔬菜产业转型升级提供科学依据。（二）主要研究内
3、容为了保证在有限方向进行重点突破，本项目针对生产中存在的白菜和甘蓝未熟抽薹、结球不紧实和裂球问题、黄瓜和番茄的畸形果和裂果问题，以及黄瓜清香味缺乏和苦味发生的问题，集中力量研究白菜和甘蓝叶球形成、黄瓜和番茄果实形成，以及黄瓜风味形成的遗传构成和基因调控机制，并在此基础上建立这些蔬菜品质改良的全基因组分子设计体系。主要包括以下三大内容：（1） 蔬菜商品和风味品质性状形成的遗传构成在白菜、甘蓝、黄瓜、番茄的全基因组序列基础上，利用核心种质资源和现有主要亲本的重测序数据，构建这些蔬菜的全基因组遗传变异图谱；继而利用全基因组关联分析（GWAS）确定白菜和甘蓝叶球的形态建成、黄瓜和番茄果实的形态建成，以
4、及黄瓜苦味和清香味物质代谢的关键遗传位点。在确定关键遗传位点的基础上，构建重组自交系、近等基因系等分离群体，利用图位克隆和候选基因等方法分离控制叶球、果实形成和风味物质代谢的关键基因，并利用突变体和转基因方法鉴定这些关键基因的功能。（2） 蔬菜商品和风味品质性状形成的基因表达与调控机制在关键基因分离和鉴定的基础上，通过功能基因组学、分子生物学、生理生化的技术手段，重点研究蔬菜叶球、果实和风味形成过程中基因的表达调控模式、基因之间的相互作用，以及环境因素对其表达的影响，探讨品质性状形成的基因调控途径。（3） 主要蔬菜品质改良的全基因组分子设计在全基因组遗传变异图谱的基础上，开发背景选择的SNP芯
5、片用于在回交育种和系谱选择时保留现有主要亲本的已有优异遗传背景；在蔬菜品质性状形成的遗传构成与调控机制研究的基础上，开发前景选择分子标记用于快速导入新基因来定向改良现有主要亲本；并将前景背景选择的分子改良技术体系与国内白菜、甘蓝、番茄和黄瓜育种优势单位的育种实践相结合，选育优质新品种。二、预期目标（一）总体目标通过本项目的实施，阐明蔬菜作物产品器官形成和风味物质代谢的遗传构成和调控机制，开发形成以高通量背景选择和前景选择相结合的品质改良全基因组分子设计技术平台，大规模改良现有主要亲本，创制优质新种质，培育有自主知识产权的优质新品种，从而实现提升我国蔬菜育种的自主创新能力和核心竞争力，保障我国蔬
6、菜产业转型升级提供科学支撑的总体目标。（二）五年预期目标（1）揭示白菜、甘蓝、黄瓜及番茄遗传变异的主要形式，建立这些主要蔬菜作物的全基因组遗传变异图谱，每种蔬菜至少鉴定100万个SNP位点和10万个SV位点，为解析多基因控制性状的遗传构成提供基础工具，也为分子改良所需的背景选择SNP芯片的设计提供技术依据。（2）阐明白菜和甘蓝叶球形成的遗传构成和基因调控机制，揭示小RNA在叶球发育中的重要地位，分离和鉴定34个控制叶球形成的关键基因，探明这些关键基因如何与诱发环境因素互作来控制未熟抽薹、裂球和结球不紧实。（3）阐明黄瓜和番茄果实形成的遗传构成和调控机制，分离和鉴定34个控制果实形成的关键基因，
7、探明这些关键基因如何与诱发环境因素互作来控制裂果、畸形发育。（4）阐明黄瓜黄瓜风味形成的遗传构成和代谢调控机制，分离和鉴定34个控制黄瓜葫芦素（苦味物质）和壬二烯醛（清香味物质）等风味物质代谢的关键基因。（5）建立主要蔬菜品质改良全基因组分子设计的理论和技术体系，包括根据全基因组遗传变异图谱开发的背景选择SNP芯片和根据上述商品和风味品质性状遗传机理研究结果开发的前景选择分子标记；系统改良现有主要亲本，培育有自主知识产权的优质新品种。创制40份优质新种质，培育出5 8个优质新品种或组合。（6）凝聚和培养一支蔬菜基因组学、分子遗传及育种的创新团队，培养一批有国际影响的中青年学科带头人和学术骨干，
8、培养60 80名研究生和10 15名博士后。丰富和发展我国蔬菜品质育种的科学理论与实践，提升我国蔬菜育种界的源头创新和集成创新能力。（7）发表核心刊物论文150篇以上，SCI论文80篇以上，其中影响因子高于5的论文10篇以上；申请专利20 30项。三、研究方案（一）总体学术思路和技术途径本项目针对生产中存在的蔬菜商品品质和风味品质的突出问题，选取全基因组序列已经测定、常规育种基础好的大宗蔬菜白菜、甘蓝、黄瓜和番茄为研究对象，从与商品和风味品质密切相关的产品器官形成和风味物质代谢调控的生物学过程入手，深入蔬菜重要品质性状形成的遗传构成和基因调控机制，建立品质改良的全基因组分子设计的理论和方法体系
9、，创制优质新材料，培育优质新品种，力图实现“从基因组到品种”的整体构想。针对品质性状形成遗传构成的关键科学问题（科学问题1），在基因组框架图的基础上，利用核心资源和现有主要亲本重测序数据，构建全基因组遗传变异图谱；结合对重要品质性状的详细调查和分析，确定控制叶球形成、果实形成和风味形成的关键遗传位点；结合图位克隆、候选基因分析、突变体分析和转基因验证等技术手段，分离和鉴定品质性状形成的关键基因，回答哪些基因控制了品质性状形成的科学问题。针对品质性状形成基因调控机制的关键科学问题（科学问题2），选择已经详细鉴定过表型的自然和人工突变体以及转基因材料，对叶球和果实的不同发育阶段以及不同环境条件下的
10、转录组（包括小RNA）进行分析，从全基因组水平确定与关键基因共表达或者反向表达的基因集，构建关键基因的表达网络；不少已经发现的形态建成基因是转录因子，项目将确定参与叶球和果实形成转录因子的下游受控基因；通过酵母双杂交等技术手段确定与关键基因有蛋白互作的基因；通过突变体的遗传分析，确定关键基因的上下游基因，确定其信号传导途径；分析风味形成基因参与的代谢网络；综合上述分析手段，探明叶球和果实形成和风味物质代谢的基因调控机制。利用上述研究中关键基因的序列开发前景选择分子标记，为现有主要亲本的定向品质改良提供选择工具；利用全基因组遗传变异图谱开发背景选择SNP芯片，用于在育种中保持现有主要亲本的良好遗
11、传背景；并且将这套全基因组分子设计的技术体系应用在优质新品种培育的实践上，实现“从基因组到品种”的战略构想。上述研究将为蔬菜品种改良的国家支撑计划和“863”等科技计划的顺利实施提供依据与支撑，为蔬菜学学科体系的发展提供新理论、新技术与新方法。总体学术思路和技术途径如下图（图1）所示：图1. 总体学术思路与主要技术途径（二）创新点与特色（1）以国家重大需求为导向：本项目以大面积种植的白菜、甘蓝、番茄和黄瓜为主要研究对象，针对生产中亟待解决的未熟抽薹、裂球裂果、风味不佳等商品和风味品质问题，紧密围绕产品器官形成和风味物质代谢的遗传构成和基因调控机制的关键科学问题，进行深入的研究。这些均属推动优质
12、蔬菜品种国产化、实现产业转型升级中亟待解决的重大科学问题，体现了国家的重大需求。（2）以多基因控制品质性状的遗传构成为科学突破口：蔬菜的商品和风味品质性状是由多基因控制的，其遗传构成的问题是蔬菜学科多年来没有得到有效解决的难题。人类复杂疾病的研究表明，基因组序列是解析复杂性状遗传的必须工具。在本项目研究的四种蔬菜中，黄瓜、白菜和甘蓝的基因组框架图都是由项目申请单位主导完成的，并且也基本完成了核心资源的重测序工作，这使得本项目团队在研究蔬菜品质性状遗传构成上取得了先机，有可能实现重大突破。（3）以叶球形态建成的基因调控机制为理论突破口：以往对植物的研究大多以拟南芥和水稻等模式植物为实验材料，蔬菜
13、作物产品器官的形态和生理特性与模式植物有很大区别，其遗传基础和基因表达调控的机制有其自身的特点。前期研究发现一批新的与白菜叶球形态建成有关的miRNA和功能基因，本项目将在基因组框架图的基础上，对miRNA的靶标位点和已知功能基因的表达调控网络进行新颖细致的分析，提出叶球发育遗传调控的新理论。（4）以假说和数据联合驱动为科学方法论：生物学研究主要依赖假说驱动的科学方法论，即根据已有的知识建立工作假说、设计实验加以验证。测序技术的飞速发展导致海量基因组（包括基因组、转录组、甲基化等）数据的产生，数据驱动的科学方法论（通过生物信息学寻找基因组数据自身的规律）将发挥更大的辅助作用。两种方法论的互补将
14、导致大量的科学发现，这一点在现代物理学研究中已经得到验证。在本项目中将采用假说和数据联合驱动的科学方法论，研究内容1主要通过基因组数据和表型数据进行关联分析，属于数据驱动；研究内容2主要通过对叶球和果实形成以及风味物质代谢的已有知识进行总结和归纳，提供新的工作假说，进行验证，属于假说驱动。两种方法论穿插交织在整个研究过程中，将会得到新的科学发现。（5）以“从基因组到品种”为产业突破口：DNA测序成本的快速降低为农业基因组学的研究和应用带来历史性的机遇，如何利用基因组学的方法手段加快育种进程是目前农业科研界面临的共同难题。本项目在主要蔬菜全基因组测序已经完成的基础上，将前沿的基因组学及生物信息学
15、与蔬菜育种实践紧密联系起来，利用白菜、黄瓜和番茄等蔬菜生命世代短（34个月）和国内遗传育种基础较好的优势，开发品质改良的全基因组分子设计技术体系，培育优质新品种, 为产业转型升级提供科学和技术支撑。（三）取得重大突破的可行性分析（1）研究目标明确，立论依据充分围绕国家重大需求和学科前沿，瞄准蔬菜品质育种必须解决的两大基础科学问题，开展本项研究。借鉴了国内外大田作物和模式生物研究多基因控制性状的最新成果和进展，具有可靠的立论依据。（2）研究材料完备，方法成熟先进项目申请单位是国家蔬菜种质资源中期库的依托单位，拥有近一万份白菜、甘蓝、黄瓜和番茄种质资源，前期已经对资源进行初步的品质性状调查，从中发
16、掘和培育出一批具备优异品质性状的种质资源，并已构建了各种分离群体（包括近等基因系、重组自交系群体等），黄瓜和番茄的突变体群体也基本完成，为后续遗传分析和基因鉴定带来了很大的便利。项目综合采用基因组学、生物信息学、群体遗传学、分子生物学等学科的最新技术，方法成熟、先进。 （3）研究基础坚实，队伍精干合理项目团队先后组织完成了黄瓜、白菜和甘蓝基因组测序，并参与了番茄基因组测序，基本确立了我国在蔬菜基因组学领域的暂时领先地位。基因组学的优势为我国在蔬菜分子遗传学的发展打下了很好的基础，先后构建了多张蔬菜分子标记连锁遗传图谱，其中黄瓜图谱是葫芦科首张遗传细胞遗传整合图谱，包含近1000个SSR标记。项目团队已经分离鉴定或精细定位了多个蔬菜产
