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2016年重点实验室年报
发布时间:2017-07-03
 

农业部重点实验室工作年报

2016年度

 

 

 

实验室名称:油菜遗传育种重点实验室

依托单位名称:华中农业大学

实验室主任:周永明

实验室学术委员会主任:官春云

通讯地址:湖北省武汉市洪山区狮子山街1

联系 人: 熊秋芳

联系电话: 027-87281507

   真: 027-87280009

E-mail xiongqf@mail.hzau.edu.cn

 

 

 

 

2017425

 

 

 

一、 实验室概况

(一) 实验室基本概况

(二) 研究方向

(三) 仪器设备

二、 科研工作及成果

(一)承担科研课题情况

(二)研究工作的主要进展

(三)重大成果及其水平和影响

三、 人才培养与队伍建设

(一) 人才培养

(二) 队伍建设

四、 学术交流与合作

(一) 国际国内合作交流情况

(二) 公共研究平台共享交流情况

五、 运行管理

六、 实验室大事记及重要图片说明

 

 

 

 

一、实验室概况

(一)实验室基本概况

实验室共有固定研究人员20人,其中有中国工程院院士1人,教授12人,研究员1人,副教授5人,其中具有博士学位的教师17人,占81%。具有高级职称的教师80%以上为留学回国人员。

现有中国工程院院士1名,第三世界科学院院士1名,国家百千万第一、二层次人才1名,国家和省部级有突出贡献的专家4名,教育部跨(新)世纪人才5名,973首席科学家1名,青年千人计划1名,973课题主持人4名,行业岗位科学家2人,60岁以上占4%40-50岁占60%,40岁以下占36%,高级职称18人,正高级13人,形成了一支老中青结合、主要学术骨干研究方向相对稳定、密切合作、勇于创新、具有蓬勃生机和重要影响力的研究集体。

(二)研究方向

实验室研究方向主要包括:

1、油菜杂种优势利用及相关基础研究;

2、基因组学研究;

3、油菜品质性状的遗传基础及改良;

4、抗逆性的生物学基础;

5、优异种质资源筛选与新基因发掘。

先后发现和研究了黄籽甘蓝型油菜、波里马细胞质雄性不育、生态型雄性不育、核不育的定位与克隆、亚基因组间杂种优势、芸苔属与诸葛菜属间杂种中的遗传规律及新材料创造、芥菜型细胞质HAU6-102A)雄性不育类型等,选育了一大批优质油菜新品种。为全国各科研、教学单位培养、输送了200多名与油菜研究相关的高级专业人才(主要是硕士、博士),是国内培养油菜研究方向博士、硕士最多的单位。目前每年有200多名油菜研究方向的硕士、博士研究生从事油菜研究工作。

本实验室将围绕油菜遗传改良总体目标,将分子生物学技术与常规技术紧密结合,力争在已形成优势的特色领域和对油菜遗传改良关系重大的重点领域取得新进展,在学科发展具有战略性的前沿领域取得突破,使本实验室在这些领域的总体研究水平在国际国内形成优势,培育出优质、高效、有利于可持续发展的油菜新品种,为油菜产业提供品种保证,为全国的油菜育种研究培养人才,提供技术服务和和技术培训,为保障我国油菜产业的可持续发展作贡献。

(三)仪器设备

实验室现有设备总值2300多万元,拥有近红外光谱仪、超高效液相色谱仪、气相色谱仪、荧光倒置显微镜、人工气候箱、光照培养箱、显微照相摄像系统、凝胶成像系统、荧光定量PCR仪、梯度PCR仪、普通PCR仪、酶标仪、遗传分析系统、高压灭菌锅、台式离心机、超低温冰箱、变性梯度凝胶电泳系统、垂直电泳仪、水平电泳仪、蛋白质电泳系统、分光光度计、温控摇床、超纯水制备仪及超净工作台等1576()

2016年实验室又新增设备67台(套),新增资产222.61万元;新增家具6件,新增资产2.12万元。本年度实验室品质分析油菜新材料达到1.5万份,这些仪器设备为相关基础研究的开展奠定了良好的基础。

二、科研工作与成果

(一)承担科研课题情况

本专业实验室2016年度获批各类科研课项目29项,,到账经费1918万元。其中国家自然科学基金12项,国家重点研发计划主持1项,参加3项。

(二)研究工作的主要进展

1、油菜杂种优势利用及相关基础研究

1.1 波里马不育细胞质利用及其恢复基因Rfp的克隆

波里马细胞质雄性不育(pol CMS)是傅廷栋教授在1972发现的一个甘蓝型油菜细胞质雄性不育材料,被认为是第一个有实用价值的油菜雄性不育类型,在甘蓝型油菜、白菜等芸薹属作物的杂种优势利用中起着重要的作用。为了解析pol CMS不育与恢复的分子机理,我们对不育与恢复系的幼小花蕾进行了转录组测序,并对其恢复基因进行了精细定位和克隆,随后对恢复和不育基因的互作模式进行了研究。

我们的转录组研究认为不育基因的完整转录将导致ATP6蛋白的高级结构出现异常而导致不育材料的花蕾中出现能量缺陷,而能量的缺陷将使核质间物质和信号传输受到影响进而导致控制花药发育的关键基因NZZ/SPL及其下游的一些基因表达受到抑制,最终使花药败育。我们对恢复基因的克隆研究发现pol CMS恢复基因是PPR家族一员,将该基因在不育系材料1141A中进行遗传转化,共获得15个育性得到恢复的单株。对其中7个单株的T1500个单株进行后续检测,充分说明该orf确实是波里马细胞质雄性不育的恢复基因(Rfp)。

qRT-PCR分析表明pol CMS不育基因orf224在不育花蕾中的表达量是可育花蕾的四倍;而其恢复基因Rfp在油菜的根、茎、叶、花和幼蕾各个组织中广泛表达,幼蕾中表达量最高,说明恢复基因可能主要在花药发育早期起重要功能。我们对Rfprfp进行了比较测序,结果表明其启动子区和3UTR区分别个有一个SNP,而在CDS上存在45SNP,导致30个氨基酸发生变化,其中12个氨基酸的极性发生变化。亚细胞定位的结果显示Rfprfp均定位于线粒体。基于上述的测序结果,开发了针对Rfp的功能标记,可以高效的用于波里马细胞质雄性不育恢复材料的筛选和恢复系的回交选育。

我们以线粒体差异orf作为探针进行的Northern blot检测结果表明在遗传转化系和恢复系中orf224转录本发生明显改变,表明Rfp可能参与orf224转录本的加工。对Rfp进行预测发现它具有15PPR结构域,可能与RNA识别相关,但它本身不具有RNA剪切或者其他加工的结构域,据此推测可能还存在其他未知蛋白参与该过程。为了研究恢复基因与不育基因之间的相互作用模式,我们利用酵母双杂技术找到了6个可能与Rfp互作的候选基因。随后,我们通过BiFC在甘蓝型油菜原生质体中验证了这些候选基因,其中有4个与恢复基因存在互作。对这四个候选基因,我们首先构建了其干涉载体并完成了对甘蓝型油菜的遗传转化;我们也构建了融合FLAG标签的恢复基因载体,完成甘蓝型油菜不育系的遗传转化。相关研究结果发表在2016Molecular Plant上。

1.2 油菜隐性核不育7365A的遗传模式与利用

Bnms4a/Bnms4b/Bnms4c BnMs3/Bnms3为控制7365ABC的两个基因位点,其中 Bnms4a/Bnms4b/Bnms4c 为复等位基因,位于N07染色体上。BnMs3/Bnms3位于N19染色体上,在2011年已经被克隆, BnMs3是与拟南芥叶绿体内膜蛋白ATTIC40高度同源的分子伴侣蛋白,负责核编码蛋白质往叶绿体内部基质的转运。Bnms3相对于BnMs3有不连续的SNP差异,包括核心结构域TPR,结构域截短实验证实了关键结构域的位置。BnMs3是获得性的功能突变,关键结构域上的碱基突变表现出强烈的正选择信号,证实该基因在大约4.7百万年前经历了新功能化的过程。败育的原因不在于Bnms3,而在于Bnms4b基因,BnMs3的新功能可以恢复因其引起的败育。

利用经典图位克隆技术,结合BAC文库的筛选,确定了Bnams4b的候选基因并进行转基因互补验证,序列比对分析发现Bnams4b为一个新起源的嵌合基因,在已有数据库中找不到其完整序列,能引起野生型拟南芥和油菜的雄性不育,调查了该基因的起源,演化和选择历史,发现该基因在基本种黑芥(基因组BB)分化之后,基本种甘蓝(基因组CC)分化之前通过至少2次的外显子重组而产生。该基因只在油菜,甘蓝,白菜和芥菜型油菜的部分品系中存在。在其起源之后,由两个基因弥补了其带来的负效应(不育和潜在的植株黄化):BnaMs3Bnams4a。研究发现BnaMs3Bnams4b是协同演化的关系,BnaMs3经历了新功能化的过程,能特异的弥补Bnams4b所产生的败育和黄化负效应,从而使得早期含有Bnams4b的植株得以存活并正常繁殖后代;Bnams4a则是利用表观修饰的路径来抑制Bnams4b的嵌合转录本的表达来抑制Bnams4b所产生的负效应。本研究克隆的Bnams4b位点是植物中具有育种应用价值的嵌合新基因的首次报道,开发的系列分子标记以及获得的Bnams4b所在区段为油菜育种的提供了重要参考,以该基因为核心的雄性核不育系统的育种应用也会更加全面和完善。另外,Bnms4b转化的拟南芥植株表现为彻底的雄性不育,其育性可在特定的热激处理条件下得已恢复,与先前本实验室报道的该油菜不育热激处理育性恢复类似(热激处理使不育系7365A产生花粉进行自交繁殖,再利用自交后代与临保系杂交繁殖,扩大100%不育群体,用于杂交中生产)。并且,该育性系统的另一个恢复基因BnMs3可以稳定恢复该拟南芥的不育表型,这表明利用这些基因可以将该育性系统成功的转移到其他物种中,该优良的育种系统在其他农作物中具有巨大的应用潜力。结合二代测序技术,寻找败育时差异基因表达水平的差异分析,提出不育发生的可能途径,初步建立了Bnms4b引起的败育调控网络。基因获得专利授权,相关研究结果发表在2016Plant Cell上。

1.3 甘蓝型油菜自交不亲和分子机理研究

喷施盐水是打破甘蓝型油菜自交不亲和的方式之一,与剥蕾自交、CO2等方法相比,具有操作容易、省时省力等优点。然而,利用盐水打破自交不亲和的分子机理尚不明确。利用蛋白质组学分析盐水处理后特异表达的蛋白质,有助于揭示盐水对自交不亲和性的影响机制。蛋白质组学测序结果表明,盐水处理后蛋白质的表达特征与亲和反应相似。目前,已在差异表达蛋白中,筛选可能与盐水处理相关的编码基因进行功能分析。

以‘Westar’及转基因的不亲和油菜‘W-3’ 为研究材料,通过磷酸组学测序预测自交不亲和反应中雌性决定因子受体激酶SRK作用的底物或下游基因。共有2526个磷蛋白被鉴定出来,并且发现逆境胁迫、免疫应答、miRNA及表观遗传学调控、细胞壁修饰等信号传导途径在亲和及不亲和反应中存在差异。结合磷酸组学测序结果,我们利用酵母双杂交技术,以SRK为诱饵蛋白,筛选可与SRK互作的底物或下游信号因子,目前已筛选到一个转录因子,将进行进一步验证。

2、基因组学研究

2.1 甘蓝型油菜油脂合成机制解析

完成了505份代表性的甘蓝型油菜关联群体基因组重测序,测序深度达6倍。选取了309份材料,取发育中期的油菜种子分别进行了转录组测序和脂质组分析。分析基因组数据,获得了超过1100万高质量SNPINDEL。与三年含油量,千粒重,脂肪酸组成和脂质组数据分别进行了GWASTWASeGWAS分析,获得了大量与含油量,千粒重,脂肪酸组成和脂质合成的QTL和候选基因。目前正在进行数据的进一步分析和挖掘以及对QTL区间候选基因进行预测和功能验证。

同时,进一步收集了世界各地的油菜资源,进行多点性状考察。利用中双11构建了一个大型了EMS突变体库,明年将对超过10万株单株进行含油量变异筛选,为油脂合成功能基因组研究和创制种质资源打下基础。

2.2 甘蓝型油菜抗旱的分子机制和遗传基础

通过对505份油菜关联群体进行全面的抗旱性的评价,包括利用PEG模拟干旱,分析抗旱相关生理指标,收集生长数据。对干旱胁迫下,对关联群体进行了ABA等多种激素分析及光合作用测定。结合基因组数据进行关联分析,定位到了大量与抗旱相关的QTLs,相关工作还在进行之中。

2.3 甘蓝型油菜表型组分析

20169月开始在重点实验室表型平台对505份甘蓝型油菜关联群体进行全生育期和抗旱的表型组实验。抗旱的表型组数据进行了4个时间点的采集,目前实验已经完成,正在进行数据分析,后期将进行GWAS分析,定位抗旱相关QTL。同时,该关联群体还有一批材料继续进行表型数据采集直到明年开花,后期将对表型数据进行分析,结合这些种质资源的农艺性状,利用生长表型进行生长和产量预测,进行GWAS分析,定位调控油菜生长,叶形等QTL

2.4新型甘蓝型油菜基因资源库的开拓及评估

继续对通过大规模种间杂交导入了不同白菜型油菜品种Ar 和埃塞俄比亚芥品种Cc 亚基因组基因组的新型甘蓝型油菜自交系及轮回选择群体进行基因型和表型评估,并进一步通过轮回选择将芥菜型油菜Aj和常规甘蓝型油菜An的优良基因型导入到基因资源库中,通过基础群体的构建,及随后6轮杂交授粉与轮回选择,创建了第四代新型甘蓝型油菜轮回选择群体,其农艺性状和品质性状均得到了显著的改良,筛选鉴定出了十多个有特殊脂肪酸含量、大粒、抗裂角等性状的株系用于进一步的研究分析中。

2.5新型甘蓝型油菜的基因组变异及亚基因组间杂种优势分析

通过60K-SNP芯片,对130份高世代的新型甘蓝型油菜自交系开展了遗传变异分析,并与常规甘蓝型油菜进行了比较,从遗传多样性、群体结构、连锁不平衡的程度、重组频率、导入片段、新的变异等方面进行了新型甘蓝型油菜遗传变异分析,论文正在整理中。利用培育的新型甘蓝型油菜DH系作为亲本,与测序品种进行杂交,创建了2DH作图群体,用于进一步对新型甘蓝型油菜的基因组变异开展深入分析奠定基础。将60份新型甘蓝型油菜与6份测验种杂交,配置了360个杂交组合,将杂种与亲本种植于两点,正在开展产量实验,评估其杂种优势,并对亲本进行了GBS分析,用于随后的亚基因组间杂种优势遗传机理分析及杂种预测。

2.6芸薹属A亚基因组的遗传变异分析、新型芥菜型油菜的创建和评估及油菜基因组选择初探

围绕亚基因组间遗传变异的分析和利用,我们还开展了相关的科学研究:对甘蓝型油菜TNDH作图群体及埃塞俄比亚芥YWDH作图群体进行了遗传作图和重要农艺性状的QTL定位和整合,着重阐述种子产量QTL的复杂性及其重要位点,相关研究结果正在整理论文;通过基于GBS的高通量分子标记,对不同油菜物种内A基因组的结构变异和遗传差异进行了分析,相关论文发表在BMC genomics上;利用创建新型甘蓝型油菜类似的策略,培育了新型芥菜型油菜,并对新培育的新型芥菜性油菜进行了农艺性状考察和杂种优势测配,相关研究结果发表在Frontiers in Plant Science上。为了进一步对新型甘蓝型油菜基因资源库进行利用, 我们利用TN群体已有的表型和基因型数据,开展了品质、产量等性状的基因组选择预测及基因组选择模型的构建,尝试了在新型甘蓝型油菜中开展品质性状的基因组预测,相关结果在PLoS ONE上发表。

3、油菜品质性状的遗传基础及改良

3.1比较转录组分析解析甘蓝型油菜抗菌核病的遗传及分子基础

以抗、感差异明显的两个甘蓝型油菜纯系J964(抗病,R-line)和J902(感病,S-line)为材料,在茎秆接种后的不同时间点(0244896 hpi)取样进行转录组测序。48 hpiR-lineS-line相比差异基因数目更多而且差异表达倍数更高。利用相对差异表达基因(RDEG)参数,鉴定和比较了R-S-line的差异表达基因,共鉴定到R-line相对S-line上调的RDEGs 5910个,相对下调的RDEGs 3091个。对这些RDEGs进行GO富集分析和所参与的防卫反应途径分析,发现一些类受体激酶(RLKs)基因,MAPK级联反应相关基因,WRKY转录因子,茉莉酸和乙烯的合成及信号转导途径相关的基因,吲哚类硫苷合成相关基因,以及防卫相关蛋白(PR2, PR3, PR4, PR5-like, PDF1.2b, 几丁质酶, 凝集素,β-1,3-葡聚糖酶和PGIP)合成相关基因等在R-line中诱导更加剧烈。并且发现防卫反应中随着信号的逐级传递,R-S-line在基因表达变化上的差异越来越大。通过对R-S-line在接种前后几丁质酶、β-1,3-葡聚糖酶和PGIP等酶活性以及硫苷含量进行测定,发现R-line中三种酶活性比S-line中高,吲哚类硫苷含量在R-line中增加也更加剧烈。这些结果与转录组分析所得到的结果一致,表明R-S-line的抗性差异与防卫反应的剧烈程度有关。通过分析核盘菌在侵染两个材料时转录组的变化,我们鉴定到核盘菌的两大致病因子(细胞壁降解酶和草酸)合成相关的基因:多聚半乳糖醛酸内切酶基因(SS1G_10167)、纤维二糖水解酶基因(SS1G_09020)和草酰乙酸水解酶基因(SS1G_08218)在核盘菌侵染过程中起到至关重要的作用。另外我们鉴定到了8个重要的候选effector基因可能也是核盘菌重要的致病因子。上述结果发表在 Scientific Reports, (20166:19007)

3.2全基因组关联分析鉴定甘蓝型油菜种子高含油量新位点

含油量是影响油菜经济价值的重要性状。通过提高含油量而增加油菜产油量是油菜育种的主要目标之一,而挖掘含油量优异等位基因和开发相应的分子标记是油菜含油量分子育种的基础。本研究利用全基因组关联分析,对甘蓝型油菜种子含油量进行了遗传解析。利用油菜60K芯片对521份甘蓝型油菜自交系进行了基因分型。群体结构分析表明521份材料可分为两个亚群(P1P2),其中P1亚群包含364个自交系;P2亚群包含54个自交系;其余103个自交系为混合亚群。利用25,870 SNPs,采用三种关联分析统计方法,即一般线性模型 (GLM)、混合线性模型 (MLM) Anderson-Darling (A-D) test共检测到335 SNPs,对应于50个位点与含油量有关。这些位点分布于除了C5之外的18条染色体,可以解释表型变异的79.7%,其中21个位点位于之前报道的QTL置信区间内,29个是新鉴定到的位点。三种关联分析统计方法在A5染色体20.3 Mb附近均检测到一个含油量新位点OilA5。将SNP标记Bn-A05-p22266340转化成基于PCR检测的等位特异标记Oil-AOil-G。利用由ZP1D126构建的ZD DH群体将标记Oil-AOil-G定位在A5连锁群上,且位于含油量QTL的峰值处,可解释表型变异的20%,加性效应为0.9,与关联分析结果一致。利用22个已经验证的含油量位点进行含油量位点的累加效应分析,发现含油量位点表现出累加效应,随着材料含有的有利单倍型数目的增多,含油量逐步提高。我们还利用甘蓝型油菜Darmor-bzh参考基因组,将DYRNSLZ5SGKNTN 6DH群体中定位到的含油量QTLs进行整合分析。通过整合分析得到53个唯一的含油量QTLs,其中AC基因组分别有32个和21个。整合分析表明,甘蓝型油菜含油量是由微效多基因控制的复杂性状。上述结果发表在 Theor Appl Genet (2016 129:12031215)

3.3甘蓝型油菜株型相关性状的遗传解析

利用HJ DH群体及多年多点对油菜株型及产量相关性状的考种数据,开展了产量及株型相关性状的QTL定位,提出了油菜株型控制因子的概念并构建了主花序长比例、分枝高比例和分枝段比例等株型控制参数。将HJ DH群体中的家系按产量高低分为单株产量高值池和低值池,对两组材料产量和株型性状的分析发现,株型控制因子中的主花序长比例和分枝高比例在冬油菜区的高产材料中均处在0.3-0.4之间,而产量三因素可以处于不同的水平,说明株型控制因子维持在一个合适的范围值内是保证材料高产的前提。说明株型控制因子参数对油菜高产育种有重要参考价值。利用高密度SNP遗传图谱,在全基因组范围内检测到了346个控制株型和产量相关性状的QTL位点。通过元分析将这些QTL整合为163unique QTL,其中多效性QTL69个(42.3%)。这些多效性位点中有36个(52.2%)同时控制株型和产量,说明在分子水平上株型和产量之间有着密切的内在联系,株型能在很大程度上影响产量及其构成性状的表现。在将218个株型调控有关基因的同源基因定位到甘蓝型油菜遗传图谱的基础上,鉴定到79个株型有关Unique QTL的候选基因。这些候选基因中生长素/吲哚乙酸(25.4%)、赤霉素(19.6%)和转录因子(13.8%)这三类所占的比重最大。上述结果发表Scientific Reports, (20166:21625)

3.4甘蓝型油菜菌核病抗性的全基因组关联分析

油菜菌核病是制约我国油菜生产最主要的病害。培育抗(耐)病油菜品种是防治油菜菌核病最为经济有效的途径。利用成株期离体茎秆鉴定法对448份甘蓝型油菜自交系进行连续两年的抗性鉴定,发现该群体抗性分离较大,茎秆抗性的广义遗传力为61.7%,鉴定到26份高抗材料。用60K SNP芯片对该群体进行基因分型后进行全基因组关联分析,共检测到与茎秆抗性显著关联的位点3个,DSRC4DSRC6DSRC8,都位于C基因组上,分别解释表型变异6.11%5.61%5.19%。检测到潜在的关联位点6个,pDSRA2pDSRA3pDSRA10pDSRC5pDSRC9apDSRC9b,解释表型变异3.57%-5.04%。这是甘蓝型油菜中菌核病抗性全基因组关联分析的首次报道。利用甘蓝型油菜最新公布的参考基因组序列,将前人及本研究中得到的菌核病抗性QTL进行整合分析,将文献中93%QTL定位到物理图谱上,这些QTL62%定位于C基因组。共鉴定到5个抗性QTL热点区域,包括A20-7.7 MbA30.8-6.8 MbA922.1-29.4 MbC20-6.7 MbC623.2-36.6 Mb。上述结果已发表在Front. Plant Sci. 20167: 1418)。

4、优异种质资源筛选与新基因发掘

4.1芸薹属不同基因组染色体的稳定性差异及其利用

4.1.1从甘蓝型油菜中分离原始白菜及以其为背景的全套C亚组染色体单体附加系(MAALs)的创建

异源四倍体甘蓝型油菜(Brassica napus L., AACC)是异源多倍体多倍化进程研究的模式植物。我们通过远缘杂交诱导甘蓝型油菜中C亚基因组染色体的优先消除,抽离出了整个A亚基因组,进而重建了祖先种白菜型油菜(restituted B. rapa L., RBR)。与天然白菜相比,RBR ZS11表现出一些特有的形态特征,例如生活力弱、易感病、叶片有毛,花型较小且花瓣皱缩,自交结实不正常,特别是冬天叶片贴地生长等。同时,以本实验室先前获得的一个RBR Oro做父本,与亲本甘蓝型油菜“Oro”进行杂交及连续回交,将C亚基因组的单条染色体附加到剥离的A亚基因组上,在同一背景下对C亚基因组进行解析。最终,通过C基因组染色体特异基因引物的PCR扩增及FISH方法鉴定出了全套的单体异附加系(MAALs)。相比于亲本RBR OroMAALs表现了一些可能由附加C染色体决定的特异性状,例如AAC2的叶片蜡质。MAALs终变期的染色体配对以及雌、雄配子的传递率均有较大的差异,可能与附加的C基因组染色体与A基因组的同源性及甘蓝型油菜中调节染色体配对的机制有关。其中,AAC1AAC2表现较高的异源配对三价体,且二者的雌、雄配子传递率显著高于其它MAALs,而AAC9的异源配对三价体频率及雌、雄配子传递率均最低,这可能与C9染色体携带有调控甘蓝型油菜染色体配对的一个主效位点(PrBn)相关。最后,借助于全套MAALs,通过设计特异的基因引物进行PCR扩增,将C亚基因组的22个较大的未定的Scaffolds锚定到了对应的C基因组染色体上,证实该套附加系在优化基因组信息上的特有作用。RBRMAALs的获得为甘蓝型油菜的基因组进化及基因组互作研究提供了新的思路及材料。

4.1.2人工合成芸薹属异源六倍体的细胞遗传学研究

对四种不同来源的六倍体(埃塞俄比亚芥×白菜,芥菜型油菜×甘蓝,(白菜×甘蓝)×黑芥),(甘蓝×白菜)×黑芥)不同世代群体单株的核型、染色体组成、减数分裂和育性进行了分析,以了解不同来源合成六倍体的稳定性差异。双色原位杂交分析发现人工合成芸薹属六倍体连续自交过程中,染色体数目逐渐减少,三个不同基因组具有B>A>C的稳定性差异。六倍体自交后代染色体数目逐渐趋于36条,为具有AABB染色体组的新型芥菜型油菜,而C基因组染色体全部丢失。对六倍体减数分裂中染色体行为的分析表明,AC基因组染色体间的部分同源配对是造成C基因组染色体极易丢失的原因。在这些人工合成的芸薹属异源六倍体中,染色体变异的范围大于人工合成的异源四倍体甘蓝型油菜和人工合成的异源六倍体小麦。上述结果表明,二体遗传和非二体遗传减数分裂染色体行为导致了这些连续的代际间的整倍体和非整倍体遗传。在人工合成的芸薹属异源六倍体中的减数分裂驱动的不同基因组的稳定性差异,可能和芸薹属B/A/C 三个基因组内在固有的基因组性质及相互关系有关。本研究的结果提供了在异源多倍体化的早期阶段,不同基因组细胞遗传学形为差异的新的理解。

4.2人工合成油菜多倍体基因表达研究

4.2.1不同来源人工合成甘蓝型油菜杂种的基因表达研究

分别用从“奥罗”分离的白菜型油菜和天然白菜与同一甘蓝杂交,人工合成两个甘蓝型油菜杂种(AC, n=19)。通过对这两个杂种及天然甘蓝型油菜“奥罗”进行转录组比较分析,以研究经过异源多倍化的A 基因组及自然进化的A 基因组对基因表达的影响。两个杂种中大部分基因表现为加性表达,超亲表达相对较少,但在天然四倍体中非加性表达和超亲表达基因数目却显著增多。在合成杂种和天然四倍体中有很大一部分基因表现为表达水平显性(Expression level dominanceELD)。A-ELD C-ELD 除了基因数目上相近,没有基因组偏向性外,两者在功能上也非常相似。通过比较部分同源基因在亲本和后代中的表达情况,发现亲本中的表达模式大部分遗传到合成杂种/天然四倍体,尤其是当基因对表达不存在差异时。和表达水平显性一样,部分同源偏向表达(Homoeolog expressions bias)也存在基因组间平衡。总之,表达水平显性和部分同源偏向表达在最初杂交时就不存在基因组偏向性表达,且这种基因组表达平衡状态在长期驯化过程中得以保持。虽然两个杂种间基因表达模式高度保守,但分离白菜的合成杂种中非加性表达、表达水平显性、部分同源偏向表达的基因/基因对数目都比天然白菜的合成杂种中要少,表明经过异源多倍化的A 基因组比天然的可能对杂交有更好的适应性。

4.2.2甘蓝与白菜不同倍性杂种中基因表达的剂量效应

利用白菜与甘蓝杂交(包括正反交),获得了不同倍性的杂种及加倍植株(ACAACCCACCAA)。利用转录组测序技术对苗期叶片的基因表达进行了分析。根据不同个体中包含的AC亚组个数的不同,以及基因表达量的变化特点,将基因分为基因组剂量依赖型与剂量非依赖型。结果表明,AC亚组基因的表达变化与基因组剂量的关系是一致的。剂量依赖型基因的表达水平与基因组剂量的改变显著关联,为剂量效应的主要来源;而剂量不依赖型基因的表达水平与基因组剂量关联不显著,为剂量补偿效应的主要来源。根据剂量平衡理论,我们也在剂量不依赖型基因中发现了更多的参与蛋白-蛋白互作的基因。剂量依赖性基因表达变化可能主要来自反式调控,而剂量不依赖型主要源于顺式效应。 基因功能聚类分析表明,剂量依赖型基因主要参与基础生物学过程如生长于发育进程等,而剂量不依赖型主要参与胁迫反应等与环境适应性能力显著相关的生物学过程。相关研究结果为多倍体中基因表达的剂量效应提供了新认识。

(三)重大成果及其水平和影响

1、重大成果
1.1发表研究论文

截止20161130日,团队共发表39篇论文(SCI30篇,影响因子大于510篇),其中洪登峰老师发表在PLANT CELL高水平论文,IF达到8.5;易斌、洪登峰老师共同合作发表在MOLECULAR  PLANT的高水平论文,IF达到7.1

1.2品种

完成了5个参试品种的区域试验,待登记。

1.3获批专利

序号

专利名称

完成人

专利号

申请日

授权号

备注

1.

利用抗除草剂基因的油菜化学杀雄制种方法

刘克德;吴江生;刘超;李海涛;李娟娟;赵波;

ZL2014103144353

2014/7/3

2016/8/24

发明专利

1.4申请专利

序号

专利名称

完成人

申请号

1.

一种甘蓝型油菜小孢子苗水培培养液及越夏培养的方法

万何平、沈金雄、傅廷栋、涂金星、马朝芝、易斌、文静、李兴华、李群、高云雷 

 CN201610025151.1

2.

一种农杆菌介导的芥菜的遗传转化方法

衡双平;魏超;陈凤仪;沈金雄;傅廷栋;涂金星;马朝芝;易斌;文静;李兴华

CN 2016108209620

3.

一种高油酸油菜品种的培育方法

周永明、蔡光勤、赵青、杨庆勇、范楚川、张椿雨

CN201610050991.3

4.

一种与甘蓝型油菜含油量QTL紧密连锁的分子标记

周永明、刘晟、范楚川、杨庆勇、

CN201610013828.X

5.

与芥菜型油菜多室性状相关的两室基因BjMcl和三室基因Bjmcl及其应用

沈金雄;徐平;曹诗琴;傅廷栋;涂金星;马朝芝;易斌;文静;李兴华

CN2016109798232

6.

甘蓝型油菜基因Bnms4b在制备黄叶烟草中的应用

涂金星;田甜甜;秦毛毛;马朝芝;沈金雄;易斌;文静;傅廷栋

CN 2016110695595

7.

一种芥菜型油菜的组织培养快速育苗方法

徐平;曹诗琴;沈金雄;傅廷栋;马朝芝;易斌;文静

CN2016107148865

8.

甘蓝型油菜波里马细胞质雄性不育恢复基因Rfp及其应用

易斌;洪登峰;杨宗辉;刘智;傅廷栋;涂金星;杨光圣;马朝芝;沈金雄;文静

CN2016101094645

 

 

 

2、对学科发展的贡献

新开发的一批分子标记将用于油菜重要性状的遗传改良,可加快育种进程。克隆的油菜核不育基因及其功能的阐述,将为进一步明确雄性不育的遗传和分子机理提供新信息。有关亚基因组杂种优势机理研究,一方面可提供有价值的育种资源,另一方面可为阐明杂种优势机理提供新知识。有关抗逆性状的遗传及基因定位,可为进一步深入了解油菜及油料作物的生态适应性奠定理论基础。定位和与种子发育及品质性状有关基因可为高产优质育种提供基因资源、育种工具。基因组分析结果对全面深入了解芸薹属物种的起源和进化,挖掘新型育种资源奠定基础。

3、对产业发展的贡献

在当前油菜种植面积难以持续增加的背景下,通过科技创新突破资源环境的刚性瓶颈约束,提高土地利用率及油菜的单产和品质,是促进油菜产业跨越发展的根本出路。

 新育成的高产品种可为增加油菜总产提供物质基础。2016年推广示范的新品种主要是华杂6号、华杂9号、华杂13号、华油杂62等优质高产品种。本实验室培育的油菜新品种每年在全国各地推广约1000万亩,以推广新品种每亩增产5%估算(亩产110公斤),年推广新品种可增产油籽5500万公斤,新增经济效益1.65亿元。新育成的新品种在抗逆、适应机械化收获方面有进一步提高,可进一步减轻农民负担,节约成本,具有巨大的经济和社会效益。本实验室创造的新品种、新方法和新资源可为油菜产业的可持续发展提供品种支撑的基础条件。

通过油菜品种改良,适度扩大面积,既可培肥地力、减少化肥用量,又可充分利用冬季的温、光、土地等自然资源,提高后作产量。优质油菜的推广应用会减少农药的使用,有利于农业生态环境的改善,有利于维护生态平衡,保持农业的可持续发展。如饲料油菜品种华协1号由西北已扩散到东北,与黑龙江省农科院合作增加的饲料油菜示范基地,示范1000亩,取得了较好的社会和生态效益。

三、人才培养与队伍建设

(一)人才培养

1、人才引进情况:

引进1名“外专千人计划”教授 Boulos Chalhoub

2、人才晋升情况:

今年实验室有1名年轻副教授晋升为教授。
3
、研究生培养:

2016年毕业研究生50人(其中博士23人);目前在读研究生275人(其中在读博士80人)。目前,实验室已经成为我国培养油菜方向博士、硕士最多的单位。

(二)队伍建设

实验室已形成一支知识和年龄结构合理、勇于创新、团结协作、以中青年为主的20人的学术队伍,80%以上有国外留学经历。在油菜遗传育种方面,从基础研究到品种选育与与应用,技术全面,功底扎实。

 

四、学术交流与合作

(一)国际国内合作交流情况

1、人员交流

2015.09-2016.09,邹珺副教授赴德国吉森尤斯图斯-李比希大学植物育种所作访问学者,在Rod Snowdon教授实验室开展新类型油菜基因组结构变异分析,并与Annaliese Mason博士一起开展芸薹属六倍体遗传多样性及其基因组稳定性研究。

 

 

 

 

2、学术交流

序号

大会名称

(国际会议用英文,

国内会议用中文)

地点

报告题目

报告类型(指特邀报告、大会报告、分组报告、墙报)

参加人及报告人

类别(指国际会议或全国会议)

1.  

24届国际动植物基因组学大会

1.09-13

美国圣迭亚戈

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郭亮

国际会议

2.  

第二届全国植物逆境生物学学术研讨会

5.08-11

青岛

/

/

郭亮

全国会议

3.  

The Second Sino-German Symposium on Genetics and Biotechnology of Rapeseed

5.23-27

德国基尔Kiel, Germany

Understanding and exploring subgenomic variation in Brassica oilseeds.

大会报告

邹珺

中德会议

4.  

22届国际植物脂类学术会议

22nd International Symposium on Plant Lipids

7.3-7.8

德国德廷根大学

/

/

周永明

国际会议

5.  

22届国际植物脂类学术会议

22nd International Symposium on Plant Lipids

7.3-7.8

德国德廷根大学

Functional Genomics Platform for Canola Novel Gene Discovery: Development of Gain-of-Function Mutation Pool with iFOX-Hunting System in Arabidopsis

大会报告

张椿雨

国际会议

6.  

22届国际植物脂类学术会议

22nd International Symposium on Plant Lipids

7.3-7.8

德国德廷根大学

/

/

郭亮

国际会议

7.  

2nd Molecular Plant International Symposium

2016.08.11-14

北京

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郭亮

国际会议

8.  

第七届国际作物科学大会

2016.08.14-19

 

北京

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/

郭亮

国际会议

9.  

17届全国植物基因组学大会

2016.08.20-22

福州

/

/

郭亮

国际会议

10. 

20届十字花科遗传学会级芸薹属2016年年会The 20th Crucifer Genetics Conference, Brassica 2016, and the 19th Australian Research Assembly

10.3-10.7

澳大利亚墨尔本会议团队

Investigation and improvement of the genome stability and genetic diversity of advanced allohexaploids derivedfrom different interspecific cross origins

分组报告

邹珺

国际会议

11. 

比利时布鲁塞尔专家研讨会以及第6次中欧农业工作组年会

10.26-30

比利时布鲁塞尔

 

Rapeseed production and research in China

分组报告

郭亮

国际会议

(二)公共研究平台共享交流情况

实验室作为依托单位华中农业大学的重要公共研究平台的组成部分,整合内部资源,实现资源、信息共享,各类大型仪器设备均已纳入学校仪器设备管理系统,实现开放共享。“十二五”期间,在依托单位仪器设备效益评价中获多次优秀,提高了实验室仪器设备使用效率。

五、运行管理

(一)整合内部资源,实现资源、信息共享

实验室在油料作物生物学与遗传育种综合性重点实验室的指导下,围绕油菜遗传育种的核心任务,实行开放,流动,联合,竞争的管理运行机制,产、学、研相结合的模式。在内部管理上采取课题组长负责制。按照每位研究人员的专业特长和科研基地工作需要,制定工作计划,实行年度考核。按照国家及所在单位知识产权保护的有关规定及政策,实行数据、信息、材料的有条件和无条件共享。

(二)仪器设备运行管理

实验室各类大型仪器设备也均已纳入学校仪器设备管理系统,实现开放共享。育种基地及设施也由实验室统一管理,根据各课题组需要实行有偿使用。

(三)意见及建议

1、 建议建立农业部重点实验室运行维护基金,为系统开展油菜科技创新提供支撑;

2、 建议考虑学科群内实验室之间的学术交流机制。

六、实验室大事记及重要图片说明

1纪念刘后利先生诞辰一百周年座谈会举行

校党委书记李忠云讲话


向刘后利先生献花束(供图 陈志强

201617日,纪念刘后利先生诞辰一百周年座谈会在华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室六楼会议室举行。校党委书记李忠云、中国工程院院士傅廷栋、副校长张献龙、中国农业科学院副院长王汉中、中国农业科学院研究所所长廖伯寿、长江大学作物多基因种群育种技术中心主任李晓方、植科院院长曹凑贵,刘后利先生家人、植科院教师、学生代表等参加了座谈会。座谈会由植科院党委书记朱正宁主持。实验室主任周永明教授介绍了刘后利先生的生平事迹。傅廷栋院士、张献龙副校长、王汉中副院长等多位领导人发言缅怀刘先生。座谈会后,与会人员一起向刘后利先生雕像敬献了花篮。

2、油菜抗根肿病新品种选育应用现场会召开

 

2016227日,华中农业大学农业部油菜遗传育种重点实验室联合湖北省油菜办公室、宜昌农科院在枝江市召开了油菜抗根肿病新品种选育与应用现场观摩会与综合防控交流会。副校长姚江林主持会议,全国农技中心油料处、中国农科院油料所、湖北省油菜办公室、湖北省植保总站、湖北省农业厅种植处、湖北省种子管理局等24个单位的50余名代表参加本次会议,一同参加会议的还有沈阳农业大学朴钟云教授,傅廷栋院士以及吴江生、姜道宏、李再云、鲁剑巍、周广生等我校多位专家教授。傅廷栋院士指出,科学研究要具有前瞻性,在湖北省根肿病还没有大面积发生的情况下,提前培育出抗病品种具重要意义。全国农技中心油料处王积军希望,未来各部门通力合作,尽快形成一套以育种为主,与栽培、植保、土肥、机械相结合的油菜根肿病综合防治策略。

3、青贮饲料,油菜产业突围新希望

201646日,湖北省高效冬春饲用作物种植与转化项目启动暨饲料油菜生产观摩会在仙桃市沙湖农场举办,涉农领域的六位中国工程院院士傅廷栋、官春云、李德发、朱英国、印遇龙、张洪程,冒雨下田,为饲料油菜测产。

华中农业大学傅廷栋院士主导示范的饲用油菜生产,为油菜产业突围带来了希望。昨日在沙湖农场现场测产结果显示,饲料油菜的亩产量可达4.888吨。按每吨250元计算,纯收益可达800元,远远超过菜籽收益。

早在1999年,傅廷栋院士在甘肃等地开展试验推广,利用冬前两三个月空闲种植饲用油菜,成本低,效益好,不影响粮食生产,还增加农民收入。2003年,该成果通过农业部专家鉴定。近两年,这一成果开始在我省应用。目前,我省发展饲用油菜面积近10万亩,青贮玉米30万亩、青贮小麦10万亩,缓解了畜牧业青饲料短缺问题。傅廷栋院士介绍,研究成果表明,油菜作青贮饲料,干物质蛋白含量高达20%,可让羊提前两三个月出栏,牛增重明显。不过,南北方气候差异巨大,北方的研究成果在南方应用,还需要哪些改进,种植模式如何搭配,栽培密度如何适应机械化生产,如何在非牧区大面积推广?饲用油菜在我省的研究才刚刚起步,还需要科技人员齐心协力共同攻关。

4CCTV7《科技苑》栏目播出傅廷栋院士专题片

62218:30CCTV7《科技苑》栏目播出实验室荣誉主任傅廷栋院士的专题片《种油菜不为榨油为哪般》,节目以专题片形式介绍华中农业大学饲料油菜团队开展饲料油菜科学研究与推广的故事,时长30分钟。

5、傅廷栋团队发现控制油菜核不育关键基因

824日,植物科学领域研究类顶级期刊《THE PLANT CELL》在线发表了实验室油菜杂种优势利用课题组傅廷栋院士团队题为“Altered Transcription and Neofunctionalizationof Duplicated Genes Rescue the Harmful Effects of a Chimeric Gene in Brassicanapus”的研究论文,该研究发现了控制油菜细胞核雄性系统7365ABC的关键的不育基因Bnms4b为新形成的嵌合基因,同时解析了其两个恢复基因BnMs3Bnms4a的遗传机制,这对阐明该雄性不育分子机理和促进新型智能核不育的应用具有重要意义。涂金星教授为该论文通讯作者,夏胜前博士后为论文第一作者。

6、油菜团队举办青年学者发展务虚会

介绍与会专家

青年学者葛贤宏作报告

827日至28日,由实验室举办的青年学者发展务虚会在作物遗传改良国家重点实验室6楼报告厅举行。本次会议邀请了中科院遗传发育所李云海研究员、华南农业大学刘耀光教授、扬州大学王幼平教授、西南大学李加纳教授、中科院武汉植物园韩月彭研究员等5名学者担任点评专家。油菜团队的全体成员及研究生等50余人参加了此次会议。傅廷栋院士、植科院党委书记朱正宁、作物遗传改良国家重点实验室常务副主任袁德军出席开幕式并致辞。会议由周永明教授主持。务虚会上,油菜团队的张椿雨教授、郭亮教授、洪登峰副教授、葛贤宏副教授、易斌副教授5名青年学者分别报告了各自的研究进展、未来工作规划以及在实际工作中遇到的困难。专家们分别给予点评并提出了建议。傅廷栋院士在总结发言中代表油菜团队感谢与会专家提出的意见,表示油菜团队将认真学习、消化各方建议,进一步凝练油菜团队和青年学者的研究方向,促进青年学者的成长,提升团队产出重大成果的能力。