973 XXXXCB113900-G主要蔬菜重要品质性状形成的遗传机理与分子改良

1、项目名称：主要蔬菜重要品品质性状形成成的遗传机理理与分子改良良首席科学家：黄三文 中国农农业科学院蔬蔬菜花卉研究究所起止年限：2012.1-2016.8依托部门：农业部一、关键科学问问题及研究内内容（一）拟解决的的关键科学问问题围绕我国蔬菜产产业发展中对对优质品种的的迫切需求，从从已有的蔬菜菜基因组学研研究的基础出出发，针对决决定蔬菜商品品品质的产品器器官发生发育育和决定风味品质质的风味物质质合成积累的的遗传机理开开展深入研究究。科学问题1：蔬蔬菜商品和风风味品质性状形成的的遗传构成蔬菜产品器官的的形成和风味味物质的合成成与积累是由由多基因控制制的性状。哪哪些关键基因因控制了叶球球的形态建成成

2、，果实形态态的丰富变异异的遗传基础础是什么，风风味物质代谢谢的关键酶基基因是什么，解决控制这些品质性状形成遗传构成的问题是进一步研究其调控机制的基础。科学问题2：蔬蔬菜商品和风风味品质性状形成的的基因调控机制制产品器官形成和和风味物质代代谢的生物学学过程受到基基因网络及环环境因素的调调控。关键品品质功能基因因是如何表达达调控的，它它们之间又是是如何相互作作用的，温度度与光周期等等环境因素是是如何影响它它们的表达，解解决这些品质质性状形成调调控机制的问问题是培育优优质品种和生生产优质蔬菜菜产品的理论论基础与技术术支撑。通过对上述两个个关键科学问问题的深入研研究，探索在在全基因组序序列基础上阐阐明

3、优质关键键基因的结构构、功能和互互作效应及调调控机制，在在此基础上建建立现有主要要蔬菜品质改改良全基因组组分子设计的的理论和方法法体系，将提提升我国蔬菜菜品质育种的的水平，为推推动蔬菜产业业转型升级提提供科学依据据。（二）主要研究究内容为了保证在有限限方向进行重重点突破，本本项目针对生生产中存在的的白菜和甘蓝蓝未熟抽薹、结结球不紧实和和裂球问题、黄黄瓜和番茄的的畸形果和裂果问题，以以及黄瓜清香香味缺乏和苦苦味发生的问问题，集中力力量研究白菜菜和甘蓝叶球球形成、黄瓜瓜和番茄果实实形成，以及及黄瓜风味形形成的遗传构构成和基因调控机机制，并在此此基础上建立立这些蔬菜品质改良良的全基因组组分子设计体体

4、系。主要包包括以下三大大内容：蔬菜商品和风味味品质性状形成的遗遗传构成在白菜、甘蓝、黄黄瓜、番茄的的全基因组序序列基础上，利利用核心种质质资源和现有有主要亲本的的重测序数据据，构建这些些蔬菜的全基基因组遗传变变异图谱；继继而利用全基因组组关联分析（GGWAS）确确定白菜和甘蓝叶球的形形态建成、黄黄瓜和番茄果果实的形态建建成，以及黄黄瓜苦味和清清香味物质代代谢的关键遗遗传位点。在确定关键遗传传位点的基础础上，构建重重组自交系、近近等基因系等等分离群体，利利用图位克隆隆和候选基因因等方法分离离控制叶球、果果实形成和风风味物质代谢谢的关键基因因，并利用突突变体和转基基因方法鉴定定这些关键基基因的功能

5、。蔬菜商品和风味味品质性状形成的的基因表达与与调控机制在关键基因分离离和鉴定的基基础上，通过过功能基因组组学、分子生生物学、生理理生化的技术术手段，重点点研究蔬菜叶叶球、果实和和风味形成过过程中基因的的表达调控模模式、基因之之间的相互作作用，以及环环境因素对其其表达的影响响，探讨品质质性状形成的的基因调控途途径。主要蔬菜品质改改良的全基因因组分子设计计在全基因组遗传传变异图谱的的基础上，开开发背景选择择的SNP芯片用用于在回交育育种和系谱选选择时保留现现有主要亲本本的已有优异异遗传背景；在蔬菜品质性状形成的的遗传构成与与调控机制研究的的基础上，开开发前景选择择分子标记用于于快速导入新新基因来定

6、向向改良现有主主要亲本；并并将前景背背景选择的分分子改良技术术体系与国内内白菜、甘蓝、番茄茄和黄瓜育种种优势单位的的育种实践相相结合，选育育优质新品种种。二、预期目标（一）总体目标标通过本项目的实实施，阐明蔬蔬菜作物产品品器官形成和和风味物质代代谢的遗传构构成和调控机机制，开发形形成以高通量量背景选择和和前景选择相相结合的品质质改良全基因因组分子设计计技术平台，大大规模改良现现有主要亲本本，创制优质质新种质，培培育有自主知知识产权的优优质新品种，从从而实现提升升我国蔬菜育育种的自主创创新能力和核核心竞争力，保保障我国蔬菜菜产业转型升升级提供科学学支撑的总体体目标。（二）五年预期期目标（1）揭示

7、白菜菜、甘蓝、黄黄瓜及番茄遗遗传变异的主主要形式，建建立这些主要要蔬菜作物的的全基因组遗遗传变异图谱谱，每种蔬菜菜至少鉴定1100万个SSNP位点和和10万个SSV位点，为为解析多基因因控制性状的的遗传构成提提供基础工具具，也为分子子改良所需的的背景选择SSNP芯片的的设计提供技技术依据。（2）阐明白菜菜和甘蓝叶球球形成的遗传传构成和基因因调控机制，揭揭示小RNAA在叶球发育育中的重要地地位，分离和和鉴定344个控制叶球球形成的关键键基因，探明明这些关键基基因如何与诱诱发环境因素素互作来控制制未熟抽薹、裂裂球和结球不不紧实。（3）阐明黄瓜瓜和番茄果实实形成的遗传传构成和调控控机制，分离离和鉴定

8、34个控制果果实形成的关关键基因，探探明这些关键键基因如何与与诱发环境因因素互作来控控制裂果、畸畸形发育。（4）阐明黄瓜瓜黄瓜风味形成的遗遗传构成和代代谢调控机制制，分离和鉴鉴定34个个控制黄瓜葫葫芦素（苦味味物质）和壬壬二烯醛（清清香味物质）等等风味物质代代谢的关键基基因。（5）建立主要要蔬菜品质改改良全基因组组分子设计的的理论和技术术体系，包括括根据全基因因组遗传变异异图谱开发的的背景选择SSNP芯片和和根据上述商商品和风味品品质性状遗传传机理研究结结果开发的前前景选择分子子标记；系统改良现现有主要亲本本，培育有自自主知识产权权的优质新品品种。创制440份优质新新种质，培育育出5 8个优质

9、新新品种或组合合。（6）凝聚和培培养一支蔬菜菜基因组学、分分子遗传及育育种的创新团团队，培养一一批有国际影影响的中青年年学科带头人人和学术骨干干，培养600 800名研究生和和10 15名博士士后。丰富和和发展我国蔬蔬菜品质育种种的科学理论论与实践，提提升我国蔬菜菜育种界的源源头创新和集集成创新能力力。（7）发表核心心刊物论文1150篇以上上，SCI论论文80篇以以上，其中影影响因子高于于5的论文110篇以上；申请专利220 330项。三、研究方案（一）总体学术术思路和技术术途径本项目针对生产产中存在的蔬蔬菜商品品质质和风味品质质的突出问题题，选取全基基因组序列已已经测定、常常规育种基础础好的

10、大宗蔬蔬菜白菜、甘甘蓝、黄瓜和和番茄为研究究对象，从与与商品和风味味品质密切相相关的产品器器官形成和风风味物质代谢谢调控的生物物学过程入手手，深入蔬菜菜重要品质性性状形成的遗遗传构成和基基因调控机制制，建立品质质改良的全基基因组分子设设计的理论和和方法体系，创创制优质新材材料，培育优优质新品种，力力图实现“从基因组到到品种”的整体构想想。针对品质性状形形成遗传构成成的关键科学学问题（科学学问题1），在基因因组框架图的的基础上，利利用核心资源源和现有主要要亲本重测序序数据，构建建全基因组遗遗传变异图谱谱；结合对重重要品质性状状的详细调查查和分析，确确定控制叶球球形成、果实实形成和风味味形成的关键

11、键遗传位点；结合图位克克隆、候选基基因分析、突突变体分析和和转基因验证证等技术手段段，分离和鉴鉴定品质性状状形成的关键键基因，回答答哪些基因控控制了品质性性状形成的科科学问题。针对品质性状形形成基因调控控机制的关键键科学问题（科科学问题2），选择已已经详细鉴定定过表型的自自然和人工突突变体以及转转基因材料，对对叶球和果实实的不同发育育阶段以及不不同环境条件件下的转录组组（包括小RRNA）进行行分析，从全全基因组水平平确定与关键键基因共表达达或者反向表表达的基因集集，构建关键键基因的表达达网络；不少少已经发现的的形态建成基基因是转录因因子，项目将将确定参与叶叶球和果实形形成转录因子子的下游受控控

12、基因；通过过酵母双杂交交等技术手段段确定与关键键基因有蛋白白互作的基因因；通过突变变体的遗传分分析，确定关关键基因的上上下游基因，确确定其信号传传导途径；分分析风味形成成基因参与的的代谢网络；综合上述分分析手段，探探明叶球和果果实形成和风风味物质代谢谢的基因调控控机制。利用上述研究中中关键基因的的序列开发前前景选择分子子标记，为现现有主要亲本本的定向品质质改良提供选选择工具；利利用全基因组组遗传变异图图谱开发背景景选择SNPP芯片，用于于在育种中保保持现有主要要亲本的良好好遗传背景；并且将这套套全基因组分分子设计的技技术体系应用用在优质新品品种培育的实实践上，实现现“从基因组到到品种”的战略构

13、想想。上述研究将为蔬蔬菜品种改良良的国家支撑撑计划和“8863”等科科技计划的顺顺利实施提供供依据与支撑撑，为蔬菜学学学科体系的的发展提供新新理论、新技技术与新方法法。总体学术思路和和技术途径如如下图（图11）所示：图1. 总体学学术思路与主主要技术途径径（二）创新点与与特色（1）以国家重重大需求为导导向：本项目目以大面积种种植的白菜、甘甘蓝、番茄和和黄瓜为主要要研究对象，针针对生产中亟亟待解决的未未熟抽薹、裂裂球裂果、风风味不佳等商商品和风味品品质问题，紧紧密围绕产品品器官形成和和风味物质代代谢的遗传构构成和基因调调控机制的关关键科学问题题，进行深入入的研究。这这些均属推动动优质蔬菜品品种国

14、产化、实实现产业转型型升级中亟待待解决的重大大科学问题，体体现了国家的的重大需求。（2）以多基因因控制品质性性状的遗传构构成为科学突突破口：蔬菜菜的商品和风风味品质性状状是由多基因因控制的，其其遗传构成的的问题是蔬菜菜学科多年来来没有得到有有效解决的难难题。人类复复杂疾病的研研究表明，基基因组序列是是解析复杂性性状遗传的必必须工具。在在本项目研究究的四种蔬菜菜中，黄瓜、白白菜和甘蓝的的基因组框架架图都是由项项目申请单位位主导完成的的，并且也基基本完成了核核心资源的重重测序工作，这这使得本项目目团队在研究究蔬菜品质性性状遗传构成成上取得了先先机，有可能能实现重大突突破。（3）以叶球形形态建成的基

15、基因调控机制制为理论突破破口：以往对对植物的研究究大多以拟南南芥和水稻等等模式植物为为实验材料，蔬蔬菜作物产品品器官的形态态和生理特性性与模式植物物有很大区别别，其遗传基基础和基因表表达调控的机机制有其自身身的特点。前前期研究发现现一批新的与与白菜叶球形形态建成有关关的miRNNA和功能基基因，本项目目将在基因组组框架图的基基础上，对mmiRNA的的靶标位点和和已知功能基基因的表达调调控网络进行行新颖细致的的分析，提出出叶球发育遗遗传调控的新新理论。（4）以假说和和数据联合驱驱动为科学方方法论：生物物学研究主要要依赖假说驱驱动的科学方方法论，即根根据已有的知知识建立工作作假说、设计计实验加以验

16、验证。测序技技术的飞速发发展导致海量量基因组（包包括基因组、转转录组、甲基基化等）数据据的产生，数数据驱动的科科学方法论（通通过生物信息息学寻找基因因组数据自身身的规律）将将发挥更大的的辅助作用。两两种方法论的的互补将导致致大量的科学学发现，这一一点在现代物物理学研究中中已经得到验验证。在本项项目中将采用用假说和数据据联合驱动的的科学方法论论，研究内容容1主要通过基基因组数据和和表型数据进进行关联分析析，属于数据据驱动；研究究内容2主要通过对对叶球和果实实形成以及风风味物质代谢谢的已有知识识进行总结和和归纳，提供供新的工作假假说，进行验验证，属于假假说驱动。两两种方法论穿穿插交织在整整个研究过

17、程程中，将会得得到新的科学学发现。（5）以“从基基因组到品种种”为产业突破破口：DNAA测序成本的的快速降低为为农业基因组组学的研究和和应用带来历历史性的机遇遇，如何利用用基因组学的的方法手段加加快育种进程程是目前农业业科研界面临临的共同难题题。本项目在在主要蔬菜全全基因组测序序已经完成的的基础上，将将前沿的基因因组学及生物物信息学与蔬蔬菜育种实践践紧密联系起起来，利用白白菜、黄瓜和和番茄等蔬菜菜生命世代短短（34个月）和国国内遗传育种种基础较好的的优势，开发发品质改良的的全基因组分分子设计技术术体系，培育育优质新品种种, 为产业转转型升级提供供科学和技术术支撑。（三）取得重大大突破的可行行性

18、分析（1）研究目标标明确，立论论依据充分围绕国家重大需需求和学科前前沿，瞄准蔬蔬菜品质育种种必须解决的的两大基础科科学问题，开开展本项研究究。借鉴了国国内外大田作作物和模式生生物研究多基基因控制性状状的最新成果果和进展，具具有可靠的立立论依据。（2）研究材料料完备，方法法成熟先进项目申请单位是是国家蔬菜种种质资源中期期库的依托单单位，拥有近近一万份白菜菜、甘蓝、黄黄瓜和番茄种种质资源，前前期已经对资资源进行初步步的品质性状状调查，从中中发掘和培育育出一批具备备优异品质性性状的种质资资源，并已构构建了各种分分离群体（包包括近等基因因系、重组自自交系群体等等），黄瓜和和番茄的突变变体群体也基基本完

19、成，为为后续遗传分分析和基因鉴鉴定带来了很很大的便利。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）研究基础础坚实，队伍伍精干合理项目团队先后组组织完成了黄黄瓜、白菜和和甘蓝基因组组测序，并参参与了番茄基基因组测序，基基本确立了我我国在蔬菜基基因组学领域域的暂时领先先地位。基因因组学的优势势为我国在蔬蔬菜分子遗传传学的发展打打下了很好的的基础，先后后构建了多张张蔬菜分子标标记连锁遗传传图谱，其中中黄瓜图谱是是葫芦科首张张遗传细胞胞遗传整合图图谱，包含近近1000个SSR标记。项项目团队已经经分离鉴定或或精细定位了了多个蔬菜产产品器官形成成和风

20、味代谢谢的关键基因因。实现了不不同学科的交交叉和融合，集集中了中国农农业科学院、中中国科学院、上上海交大、中中国农大、南南京农大等相相关重点科研研院校在本领领域的优秀人人才，组成了了精干、高效效、务实的研研究团队，为为本项目的顺顺利完成提供供了人才保障障。团队配置置体现了“从基因组到到品种”整体构想的的需要，既有有从事基因组组学和分子生生物学的中青青年科技骨干干，也有具备备多年田间实实践经验的育育种专家。（4）支撑体系系强大，国际际合作密切依托国家蔬菜改改良中心和44个密切相关关的国家重点点实验室及多多个部门重点点开放实验室室，拥有较好好的研究条件件和设备，为为本项研究提提供了坚实的的物质基础

21、。“十一五”期间，项目主持单位主办了多次葫芦科和十字花科基因组国际研讨会，在蔬菜基因组学领域具有广泛的国际影响。例如，2008年11月举办的“国际葫芦科基因组学和生物学会议”吸引了美国康奈尔大学、威斯康星大学、西班牙农科院、日本蔬菜茶叶研究所、澳大利亚多态性芯片技术中心等多家知名大学和科研机构参加。这些学术活动一方面能及时获取国外最新学术思路、技术和资源，另一方面为国际合作奠定基础，获得一批有重要理论和应用价值的成果。2013年项目申请单位（中国农业科学院和中国科学院遗传与发育生物学研究所）将举办“国际茄科基因组大会”，估计将有200多名国际同行和300多名国内同行参加。这种密切的国际合作为本

22、项目的研究提供了国际视野，也提升了我国科学研究在国际的影响力。（四）课题设置置基于项目拟达到到的总体目标标，以“蔬菜商品和和风味品质性性状形成的遗遗传构成和基基因调控机制制”的关键科学学问题为切入入点，共设置置6个研究课题题。课题1 蔬菜菜品质性状全全基因组关联联分析蔬菜品质性状是是多基因控制制性状，而全全基因组关联联分析（GWWAS）是研研究多基因性性状的有力手手段。全基因因组遗传变异异图谱，是GGWAS的必必需“蓝图”。本课题重重点开展以下下研究：1 主要研究究内容种质资源品质性性状的观察分分析：对白菜菜、甘蓝、黄黄瓜和番茄种种质资源的品品质性状，包包括白菜和甘甘蓝的结球习习性和紧实度度、

23、未熟抽薹薹和裂球率，黄黄瓜瓜把长度度、畸形果率率，番茄果实实形状、大小小、畸形果率率、裂果率，黄黄瓜果实苦味味和清香味等等风味物质的的化学成份等等，进行观察察测定。全基因组遗传变变异图谱构建建：在白菜、甘甘蓝、黄瓜、番番茄的全基因因组序列基础础上，利用不不同种质资源源的重测序数数据，定位所所有SNP位点和和结构变异位位点（Strructurral vaariatiion, SSV），确定定全基因组范范围内的连锁锁不平衡区块块。全基因组关联分分析： 在性状调查查和全基因组组变异图谱的的基础上，通通过关联分析析，确定白菜菜、甘蓝叶球球的形态建成成、黄瓜和番番茄果实的形形态建成，以以及黄瓜苦味味和清

24、香味物物质代谢的关关键遗传位点点。2. 研究目标标创建白菜、甘蓝蓝、黄瓜和番番茄的全基因因组遗传变异异图谱，包含含至少1000万个SNP标记和和5万个SV标记，确确定控制叶球球、果实形成成、风味物质质代谢的关键键遗传位点，为为关键基因的的分离和鉴定定提供候选基基因。课题承担单位：中国农业科科学院蔬菜花花卉研究所 北京师范大大学 浙江大学课题负责人：黄黄三文研究员员学术骨干：林魁魁，曹家树，张张忠华， 程峰经费比例：188.6%课题2 蔬菜菜品质性状形形成关键基因因的分离与鉴鉴定关键基因的克隆隆是研究其互互作、调控机机制的前提。在确定关键遗传位点的基础上，针对性状表现选择用于精细遗传作图的重组自

25、交系、近等基因系等分离群体，通过图位克隆和候选基因等方法分离控制白菜和甘蓝叶球、黄瓜和番茄果实形成，以及黄瓜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。1 主要研究究内容白菜和甘蓝叶球球形成的关键键基因分离和和鉴定：利用用白菜类蔬菜菜和甘蓝类蔬蔬菜亚种间丰丰富的形态变变异，在大白白菜和甘蓝基基因组框架图图的基础上，对对其它亚种进进行重测序，结结合图位克隆隆和转基因鉴鉴定，克隆甘甘蓝和白菜叶叶球形态建成成的关键基因因；利用拟南南芥已知的开开花控制基因因作为候选基基因的目标，克克隆甘蓝和白白菜控制抽薹薹开花的关键键基因。黄瓜果实形态性性状关键基因因的分离与鉴鉴定：利用多

26、多种遗传群体体材料，构建建饱和度高的的遗传连锁图图，对黄瓜果果实外观品质质形成有关的的农艺性状，包包括黄瓜瓜把长短、畸形形果率、果皮皮光泽和薄厚厚、种子腔直直径、果肉厚厚度等，进行行精细定位，结结合课题1的基因组关关联分析以及及突变体分析析和转基因验验证，克隆包包括主要瓜把把长度主效QQTL（Gb6.11)在内的关键键基因。番茄果实形成的的关键基因分分离和鉴定：通过图位克克隆技术分离离控制番茄果果实大小的RRG基因、控控制果实形状状的PST基因，以以及从课题11 得到的主主效QTL。利用用转基因互补补实验、过量量表达和RNNAi基因表表达抑制等技技术手段来鉴鉴定这些基因因在果实生长长中的功能，

27、重点分析其在在引起畸形果果、裂果等不不正常果中的的作用。黄瓜风味形成关关键基因的分分离与鉴定：通过图位克克隆技术分离离黄瓜苦味形形成的关键基基因Bi和Bt；在课题题1关联分析的的结果，通过过图位克隆和和候选基因相相结合的方法法，鉴定黄瓜瓜清香味形成成中壬二烯醛醛代谢的关键键酶基因。2. 研究目标标通过图位克隆、候候选基因法、突突变体分析和和转基因验证证，分离和鉴鉴定56个控制叶球球和果实形态态的关键基因因以及34个控制黄瓜瓜风味品质的的关键基因，为为后续基因调调控网络研究究打下基础。课题承担单位：上海交通大大学 西南大学 中国科学院院遗传与发育育生物学研究究所 中国农业大大学 扬州大学课题负责

28、人：蔡蔡润教授学术骨干：王小小佳，杨文才才，陈学好，王王保经费比例：166.0%课题3 大白菜菜和甘蓝叶球球形成的基因因表达调控机机制大白菜和甘蓝叶叶球的形态建建成取决于一一系列基因的的时空表达和和调控作用。针对生产中出现的未熟抽薹、结球不紧实、裂球等问题，本课题将研究叶球形态建成相关基因的生物学功能，探讨这些关键基因如何调节叶卷曲和叶球形成的遗传机制，以及诱发环境因素如何调控这些关键基因的表达。重点开展以下研究： 主要研究内容白菜和甘蓝叶球球形成的转录录组分析：选选择已经详细细鉴定过表型型的白菜和甘甘蓝自然和人人工突变体以以及转基因材材料，对叶球球的不同发育育阶段以及不不同环境条件件下的转录

29、组组（包括小RRNA）进行行分析，从全全基因组水平平确定与关键键基因共表达达或者反向表表达的基因集集，构建关键键基因的表达达网络，研究究其时空表达达模式以及基基因间的相互互作用，阐明明温度和光周周期等环境条条件调控叶球球商品性状的的分子机制。白菜叶球形成相相关基因对结结球性状的调调控作用：根根据突变体和和转基因植株株的形态表现现，研究目的的基因对叶球球发生时间、成成熟速度、紧紧实度、形状状、大小和整整齐度等商品品品质的调节节作用。比较较叶球形成相相关基因在不不结球、结球球不紧实和易易裂球基因型型与正常植株株上表达水平平上的差异，分分析不结球、结结球不紧实和和易裂球的原原因。白菜叶球形态发发生和

30、发育过过程中miRRNA介导的的基因调控：在基因调控控的不同层次次上，研究mmiRNA基基因表达的激激活或失活、miRNA合成途径改变、miRNA靶基因的突变等对白菜叶球形态的影响，阐明基因沉默对白菜叶卷曲的调控作用。白菜和甘蓝未熟熟抽薹的基因因调控机制：比较易抽薹薹与耐抽薹自自交系叶球形形成相关基因因在表达水平平上的差异，分分析未熟抽薹薹和不结球的的原因。构建建白菜控制抽抽薹关键基因因的近等基因因系，通过关关键基因的不不同组合，研研究关键基因因之间互做在在抽薹调控中中的作用。2. 预期研究究目标阐明大白菜和甘甘蓝叶球大小小和形状等商商品品质形成成的遗传机理理，揭示小RRNA在叶球球形态建成中

31、中的作用机制制，探明造成成不结球、裂裂球和未熟抽抽薹的分子机机制，为遗传传上改良叶球球形成及其商商品品质提供供科学依据。课题承担单位：中国科学院院上海生命科科学研究院植植物生理生态态研究所 南京农业大大学课题负责人：何何玉科研究员员学术骨干：侯喜喜林，倪迪安安，孙传宝，李李英经费比例：177.3%课题4黄瓜、番番茄果实形成成的的分子遗遗传与调控机机制果实形成是由复复杂的分子遗遗传调控网络络决定的，且且受各类植物物激素精细调调控及环境的的影响，深刻刻解析果实形形成的分子遗遗传基础和调调控机制是实实现分子设计计育种的关键键。针对生产中中出现的果实实畸形发育（包包括黄瓜瓜把把过长）和裂裂果等问题，本

32、课题以黄瓜和番茄为研究对象，系统研究单性结实、果实大小与形状和外观品质等果实形成的重要性状的分子遗传与调控机制，重点开展如下研究：主要研究内容黄瓜和番茄果实实形成的转录录组分析：选选择已经详细细鉴定过表型型的黄瓜和番番茄自然和人人工突变体以以及转基因材材料，对果实实的不同发育育阶段以及不不同环境条件件下的转录组组（包括小RRNA）进行行分析，从全全基因组水平平确定与关键键基因共表达达或者反向表表达的基因集集，构建关键键基因的表达达网络。黄瓜果实形成中中单性结实果果实发育的分分子遗传基础础：生产中黄黄瓜雌性系的的应用越来越越广泛，要求求品种有很好好的单性结实实能力才能避避免畸形果的的发生。以重重

33、组自交系、杂杂交F2:33为材料构建黄黄瓜单性结实实的遗传图谱谱并进行QTTL精细定位位。通过转录录组和代谢组组学间的关联联分析发掘控控制单性结实实黄瓜果实发发育的关键基基因；分析这这些基因的时时空表达情况况和体外生化化特征，确定定控制黄瓜单单性结实果实实发育的关键键基因。完成成相关基因的的克隆和功能能研究，阐明明黄瓜单性结结实的分子遗遗传与调控机机制。黄瓜果实重要商商品性状的分分子遗传与调调控机制：利利用重组自交交系、杂交FF2、回交BC11、近等基因因系等群体材材料鉴定控制制黄瓜果瘤大大小和果实形形状的主效QQTL位点或或关键基因，克克隆相关候选选基因，分析析这些基因的的时空表达特特性。并

34、结合合双突变体的的构建、酵母母双杂交等手手段，解析果果形调控关键键基因之间在在遗传、体外外生化功能方方面的互作关关系。分析这这些基因的时时空表达特征征；阐明这些些重要功能基基因的作用模模式及调控机机制。利用新新泰密刺黄瓜瓜（长瓜把）与与印度野生黄黄瓜（无瓜把把）的重组自自交系群体，以以及华北类型型黄瓜II225A03337（长瓜把把）和美国类类型黄瓜CGGN208998（短瓜把把）的杂交群群体，精细定定位和克隆调调控瓜把长度度的主效和微微效基因。在在不同环境条条件下（如低低温，弱光），对对所获得的瓜瓜把长度主效效基因的时空空表达特性进进行分析。并并通过突变库库（TILLLING）的的筛选，研究

35、究分析环境因因素对瓜把长长度主效基因因突变体的表表现型、RNNA和蛋白水水平的影响，探探索瓜把长度度主效基因与与环境因素之之间的的分子子影响机制。番茄畸形果和裂裂果形成的基基因调控机制制：通过数量量遗传学、分分子遗传学的的方法手段来来鉴定和分离离控制番茄果果实大小和形形状的新功能能基因或QTTL位点RG和PST，重点点分析引起畸畸形果、裂果果等不正常果果形成的突变变位点，解析析其分子遗传传基础及基因因的时空表达达特征；借助助转基因方法法对所获得的的调控基因进进行植物体内内功能确证，阐阐明RG和PST控制果果实大小和形形状的细胞学学基础；通过过细胞生物学学、生物化学学和组学等技技术手段来解解析重

36、要果实实生长发育调调控基因RGG和PST的调控控网络。研究目标阐明黄瓜单性结结实性状、果果瘤大小、果实形状和和番茄果实大大小、形状的分子子遗传和调控控机制，获得得调控黄瓜单单性结实形成成、果瘤大小小、果实形状和和番茄果实大大小、形状的重要要功能基因，并并明确它们的的生物学功能能；获得调控控番茄果实生生长发育的重重要转录因子子，构建番茄茄果实生长发发育的基因调调控网络，探探明相关转录录因子调控番番茄果实形成成的机理；揭揭示小RNAA在果实形态态建成中的作作用机制。课题承担单位：南京农业大大学 中国科学院院上海生命科科学研究院植植物生理生态态研究所 中国农业大大学 上海交交通大学课题负责人：陈陈劲

37、枫教授学术骨干：肖晗晗，张小兰，娄娄群峰，潘俊俊松经费比例：166.0%课题5黄瓜风味味性状形成的的分子遗传与与代谢调控机机制蔬菜风味品质是是复杂次生代代谢物的综合合体现，代谢谢网络中涉及及众多的控制制以及转录因因子的调节，而而且种类繁多多的次生代谢谢物与植物抗抗病性也关系系密切。针对对生产中黄瓜瓜清香味淡且且偶有苦味发发生的问题，本项目以黄瓜风味物质的化学物质定性与定量分析为起始点，针对黄瓜清香味和苦味物质等风味品质性状形成的分子遗传及代谢调控，重点开展如下研究。1 主要研究究内容风味性状评价体体系和化学数数据库建立：利用以质谱谱为基础的代代谢组学分析析平台对不同同黄瓜种质资资源、不同的分离

38、离群体和近等等基因系，在在不同的生长长条件下和不不同的发育阶阶段的风味物物质或其前体体进行定性和和定量的分析析；建立风味味评价的标准准体系及其与与次生代谢物物之间的关联联信息；研究究将积累代谢谢物的高分辨辨质谱、同位位素模式，多多级质谱及含含量分布等方方面的信息，构构建和完善黄黄瓜特异的化化合物数据库库。黄瓜清香味物质质形成关键基基因的功能分分析：通过不不同亲本间的的转录组学和和代谢组学间间的关联分析析发掘控制黄黄瓜风味物质质合成的关键键基因；分析析这些基因的的时空表达和和体外生化特特征，确定参参与清香味风风味物质形成成及转运的关关键基因；利利用所获得结结构基因的启启动子序列和和酵母单杂交交等

39、生化手段段，结合基因因-代谢物相关关性信息确定定参与相关代代谢途径的调调控基因；通通过转基因的的方法对所获获得的调控基基因的体内功功能进行确证证，解析它们们与清香风味味物质合成的的关系。 黄瓜苦苦味物质葫芦芦素合成和转转运关键基因因的功能分析析：克隆相关关候选基因，分分析基因表达达的时空特异异性，在酵母母等体外表达达系统中验证证其生化功能能，并在酵母母体系中重组组葫芦素的代代谢合成途径径；确定葫芦芦素合成代谢谢途径的调控控和转运基因，通通过分析相关关突变体验证证其体内功能能。 野生种种抗病砧木嫁嫁接对黄瓜果果实风味品质质性状的影响响及分子调控控机制：研究葫芦科科野生种抗病病砧木对黄瓜瓜果实次生

40、代代谢物质合成成、转运及积积累过程的影影响效应，克克隆、验证相关候选基因，探讨果实风味品质性状与抗病病性表达或信信号调控的相互关系，以及病理理感应、传递或抗病分分子的调控机理。2研究目标阐明黄瓜苦味、清清香味生成的的关键步骤和和调控机理，获获得与葫芦素素形成和转运运相关的关键键结构和调控控基因，明确确其生物学功功能。获得调调控代谢途径径的转录因子子，并在转录录组学和代谢谢组学水平系系统阐明这些些转录因子在在整个代谢网网络中的位置置和作用，探探明抗病砧木木嫁接对接穗穗风味品质的的影响机制。课题承担单位：中国科学院院遗传与发育育生物学研究究所、中国农农业科学院蔬蔬菜花卉研究究所、首都师师范大学课题

41、负责人：王王国栋研究员员学术骨干：谢丙丙炎、李乐攻攻、金治平经费比例：133.5%课题6 主要要蔬菜品质改改良的全基因因组分子设计计充分利用上述各各研究课题的的成果，开发发可用于对蔬蔬菜商品品质质和风味品质质进行综合改改良的分子标标记辅助选择择工具和育种种程序，是实实现本项目基基础研究成果果转化为实用用技术的关键键。本课题以以白菜、甘蓝蓝、黄瓜和番番茄为对象，进进行分子育种种工具与技术术的开发。重重点开展如下下研究：1主要研究内内容高密度分子标记记检测与背景景选择标记系系统研发：根根据白菜、甘甘蓝、黄瓜和和番茄等蔬菜菜作物重测序序数据库和功功能基因组分分析信息，筛筛选一批稳定定可靠的分子子标记

42、，使用用Illummina芯片片系统或其它它先进标记检检测系统开发发一套稳定、高高效的高密度度分子标记检检测体系。以以此为基础，通通过对核心育育种材料的分分析，筛选出出多态性丰富富、检测稳定定、在基因组组中分布均匀匀的SNP、InDell或SSR等标记记，用于追踪踪优良亲本背背景。前景选择标记系系统开发：针针对白菜/甘蓝、黄瓜瓜和番茄等蔬蔬菜作物，应应用高密度分分子标记检测测方法，进行行重要品种资资源和特定遗遗传群体分析析，筛选出适适于如下三个个方面性状筛筛选的前景选选择标记：11）白菜/甘蓝耐抽薹薹性、富含有有益硫甙、早早熟性和根肿肿病抗性；22）黄瓜果实实刺瘤的有无无、果皮的薄薄厚、果把长

43、长短、种子腔腔直径、苦涩涩、清香味、抗抗霜霉病、抗抗白粉病选择择的前景标记记；3）番茄果实实大小、皮薄薄厚、固形物物多少。品质改良全基因因组分子育种种策略研究：根据白菜、甘甘蓝、黄瓜和和番茄等蔬菜菜品质性状在在自交、回交交、杂交和复复交等不同分分离群体中分分离规律。建建立通过分子子标记进行前前景和背景选选择高效聚合合分散在不同同亲本材料中中的大量目标标基因的育种种策略与技术术方案。优质新材料创制制和优质新品品种培育：在在实际育种过过程根据全基基因组分子设设计，针对白白菜、甘蓝、黄黄瓜和番茄商商品品质和风风味品质进行行综合改良，获获得一批耐抽抽薹和抗裂球球的、高产抗抗病的白菜和和甘蓝新材料料和新

44、品种，获获得一批果形形好、清香味味浓、无苦味味的、高产抗抗病的黄瓜新新材料和新品品种，获得一一批抗裂果、畸畸形果率低、高高产抗病的番番茄新材料和和新品种。2预期研究目目标构建高效的前景景与背景筛选选系统，建立立品质改良的的全基因组分分子设计理论论和方法体系系；对现有主主要亲本的品品质性状缺陷陷进行改良，创创制40份优质新新材料，培育育出58个优质新品品种或组合。课题承担单位：中国农业科科学院蔬菜花花卉研究所 北京市农林林科学院蔬菜菜研究中心课题负责人：王王晓武研究员员学术骨干：方智智远院士，杜杜永臣，孙日日飞，顾兴芳芳，张凤兰经费比例：188.6%（五）课题间相相互关系本项目的各项研研究是在研

45、究究对象白菜菜、甘蓝、黄黄瓜和番茄基基因组框架图图已经构建完完成的基础上上进行，将充充分利用基因因组资源对两两个科学问题题（遗传构成成和调控机制制）进行深入入研究，并构构建品质性状状分子改良的的技术基础（图图2）。由于蔬蔬菜作物不同同品质性状的的遗传构成研研究具有共性性，设置全基基因组关联分分析（课题11）和关键基基因分离鉴定定（课题2）两个课题题，关联分析析所确定的关关键遗传位点点是关键基因因克隆的基础础；在基因调调控机制的研研究上，叶球球形成属于营营养器官的发发育过程（课课题3），果实形形成属于生殖殖器官的发育育过程（课题题4），而风味味形成属于次次生代谢过程程（课题5），各俱特特色，因此

46、各各设定一个课课题深入研究究；两个科学学问题的研究究之间也有很很多信息的交交互。承接前前5个课题的科科学发现，开开发前景选择择和背景选择择技术平台，建建立品质改良良的全基因组组分子设计的的理论和方法法体系，预期期将产出新育育种技术、新新育种材料和和新优质品种种（组合）。图2. 课题设设置及其关系系四、年度计划研究内容预期目标第一年种质资源品质性性状调查和测测定，构建品品质性状表型型数据库。筛选种质资源材材料和亲本材材料，准备重重测序。白菜和甘蓝叶球球形成不同时时期的基因表表达谱分析；甘蓝叶球形形成相关基因因的筛选；白白菜和甘蓝抽抽薹开花关键键基因的克隆隆与MIKCC结构域等生生物信息学分分析。

47、分离与大白菜叶叶球形态发生生和未熟抽薹薹有关的基因因和表观遗传传因子。生长素和细胞分分裂素等内源源激素对叶卷卷曲和叶球形形态发生进程程的影响。大白菜中过表达达或沉默几个个重要的miiRNA或靶靶基因。大白菜叶卷曲和和叶球形成的的纯合突变体体基因芯片分分析和转录组组分析。 利用黄瓜遗传群群体，对黄瓜瓜瓜把长短和和果肉厚度进进行精细定位位。在黄瓜上对 HHAN，CLV1， CLV33，YODA，ANT进行同同源克隆；利利用RT-PPCR和RNA原位杂杂交等技术，分分析果形相关关基因的时空空表达特性。通过比较初步确确定黄瓜果瘤瘤Tu候选基因因，开发共分分离标记，并并进行Tu候选基因因的功能分析析。黄

48、瓜单性结实遗遗传群体构建建及遗传规律律分析。黄瓜苦味形成基基因的精细定定位。克隆黄黄瓜LOX，ADH，HPL等清香香味物质合成成相关基因。构建分离群体，对对番茄黄果形形成基因r进行精细定定位，对紫果果形成基因（未未知基因）和和高番茄红素素含量基因（未未知基因）进进行初步定位位。在番茄上精细定定位番茄RGG和PST基因，确确定PST候选基基因及其突变变位点；完善善RG和PST基因的的NILs构建建。对具有不同代表表性的黄瓜品品种进行全面面的化学物质质分析；克隆隆和分析黄瓜瓜苦味物质葫葫芦素形成关关键结构基因因和转录因子子序列。高密度分子标记记检测与背景景选择标记系系统研发：根根据白菜、甘甘蓝、黄

49、瓜和和番茄等蔬菜菜作物重测序序数据库和功功能基因组分分析信息，筛筛选出多态性性丰富、在基基因组中分布布均匀的SNNP、InDell或SSR等标记记。前景选择标记系系统开发：11）白菜耐抽抽薹性；2）甘蓝叶球球颜色；3）黄瓜果实实苦味和果实实光泽；4）番茄果实实大小。构建完成白菜、甘甘蓝、黄瓜和和番茄的种质质资源品质性性状表型数据据库。进一步的重测序序准备工作完完成。获取叶球形成和和展开不同时时期甘蓝基因因表达谱；分分析差异表达达基因，筛选选出叶球形成成相关基因。获获得白菜和甘甘蓝抽薹关键键基因序列及及其结构域等等生物信息。筛选10个以上上控制叶卷曲曲和叶球形成成相关基因的的候选基因，确确定不结

50、球、裂裂球、未熟抽抽薹的纯合基基因型，建立立2-3个基因因芯片和转录录组分析的数数据库。初步完成黄瓜的的瓜把长短和和果肉厚度等等性状的精细细定位。得到黄瓜瓜形调调控关键基因因的关联分析析、分离与鉴鉴定的初步结结果。筛选获取黄瓜TTu候选基因因，共分离标标记验证。明确黄瓜单性结结实性状的遗遗传特征.完成黄瓜苦味形形成基因的精精细定位。获获得黄瓜清香香味物质代谢谢途径中的关关键基因序列列。完成对番茄r基基因精细定位位及控制紫果果、提高番茄茄红素含量基基因的初步定定位工作。确定番茄rg位位点的精确染染色体区域；获得pstt候选基因及及其突变位点点。摸索建立适合黄黄瓜化学物质质分析的方法法体系，初步步

51、完成黄瓜特特异化合物数数据库的建立立（包括定性性定量的信息息），获得33-5个黄瓜瓜苦味物质葫葫芦素形成关关键结构基因因并进行体外外生化分析。高密度分子标记记检测与背景景选择标记系系统研发：针针对白菜、甘甘蓝、黄瓜和和番茄，每种种作物筛选不不少于15336个SNP、InDell或SRR标记，标标记分布均匀匀。前景选择标记系系统开发：11）白菜：开开发3个耐抽薹主主效关键基因因选择标记；2）甘蓝：开开发叶球颜色色的选择标记记，遗传距离离小于5cMM；3）黄瓜：开开发果实无苦苦味和有光泽泽选择标记，遗遗传距离小于于5cM；4）番茄：开开发番茄果实实大小，与目目标基因连锁锁距离小于22cM。第二年完

52、成筛选材料的的重测序，挖挖掘SNP和SV等遗传变变异位点，连连锁不平衡分分析确定连锁锁遗传区域，并并构建全基因因组遗传变异异图谱。利用表型数据和和遗传变异图图谱进行全基基因组关联分分析，确定控控制品质性状状的关键遗传传位点和候选选基因。甘蓝和白菜叶球球形成相关基基因的克隆及及其与叶球形形成相关性分分析；控制抽抽薹开花关键键基因的相互互作用原核验验证。分离大白菜中与与叶球形成相相关的miRRNA，并进进行过表达或或沉默研究。黄瓜瓜把长短和和果肉厚度的的精细定位，结结合课题1的基因组关关联分析，筛筛选和预测目目标基因的候候选基因。分析黄瓜瓜形调调控关键基因因的时空表达达特性，对这这2-4个关键键基

53、因进行TTILLINNG突变体库库的筛选，构构建这2-44个关键基因因的过量表达达和RNAii诱导缺失突突变的载体。黄瓜果瘤Tu候候选基因的转转基因功能验验证。黄瓜单性结实性性状的主效QQTL定位，并并进行黄瓜单单性结实果实实发育的转录录组学研究。黄瓜苦味形成基基因的候选基基因分析，进进一步缩小黄黄瓜清香味物物质合成基因因的候选区域域。对番茄紫果形成成基因和高番番茄红素含量量基因进行精精细定位，确确定候选基因因区域。精细定位番茄RRG位点，确确定其候选基基因及其突变变位点。构建番茄NILLs，转基因因功能验证PPST候选基基因。继续克隆和分析析黄瓜苦味物物质和清香味味物质形成关关键结构基因因和

54、转录因子子序列，对上上一年度克隆隆的关键基因因在不同黄瓜瓜品种进行时时空表达分析析和化学表型型相关分析，进进一步完善黄黄瓜特异化合合物数据库地地建设。建立SNP（或或InDell）标记芯片片检测、高通通量电泳检测测等高效标记记分析系统，筛筛选一批稳定定可靠的分子子标记。前景选择标记系系统继续开发发：1）白菜耐抽抽薹性、高胡胡萝卜素含量量；2）甘蓝叶球球颜色、中心心柱长；3）黄瓜果实实光泽；4）番茄果实实硬度、固形形物含量。构建全基因组遗遗传变异图谱谱，SNP和SV标记数目目分别大于1100万和5万个。为每个性状确定定3-5个关键键遗传位点，并并为每个位点点确定30个以下候候选基因。检测结球、不

55、结结球和结球不不紧实甘蓝突突变体内基因因表达情况，分分析基因表达达的差异，结结合上述分析析确定叶球形形成关键基因因的目标基因因。获得抽薹薹开花关键因因子的原核表表达蛋白相互互作用体系。鉴定35个控控制叶球商品品品质的关键键基因，搞清清楚2-3个调控控叶球发育相相关基因的生生物学功能，揭揭示不结球、未未熟抽薹的遗遗传基础。精细定位黄瓜瓜瓜把长短和果果肉厚度QTTL。完成黄瓜Tu候候选基因的表表达模式分析析，初步完成成其遗传转化化。解析黄瓜瓜形调调控关键基因因的时空表达达特性, 挑选出2-44个对黄瓜瓜瓜形起关键调调控作用的候候选基因。对对候选的关键键基因进行TTILLINNG突变体库库的筛选;构

56、建关于候候选关键基因因的过量表达达和RNAii诱导缺失突突变的载体。明确黄瓜单性结结实性状的QQTL位点数数，实现初步步定位。获得得果实发育过过程中相关的的转录组信息息。确定黄瓜苦味形形成基因的候候选基因。精精细定位黄瓜瓜芳香物质合合成的基因。获得番茄r基因因的序列及其其可变剪切序序列；完成对对控制紫果、提提高番茄红素素含量的基因因精细定位工工作。获得番茄RG候候选基因及其其突变位点；获得RG和PST的NILs。获得10-155个黄瓜苦味味物质和清香香味物质形成成关键结构基基因并进行体体外生化分析析，15-220个关键结结构基因的表表达谱，300-40个黄黄瓜品种的化化合物代谢谱谱，完善代谢谢

57、化合物信息息库。高密度分子标记记检测与背景景选择标记系系统研发：针针对白菜、甘甘蓝、黄瓜和和番茄，每种种作物筛选不不少于7688个SNP、InDell或SRR标记。并并达到适于高高通量背景选选择的预期指指标。前景选择标记系系统开发：11）白菜：开开发2个耐抽薹主主效关键基因因选择标记，开开发富含胡萝萝卜素选择标标记；2）甘蓝：开开发叶球颜色色的选择标记记，遗传距离离小于2cMM，开发中心心柱长选择标标记；3）黄瓜：开开发果实光泽泽紧密连锁标标记，遗传距距离小于2ccM；4）番茄：开开发果实硬度度相关基因分分子标记，要要求通过分子子标记选择可可使果实硬度度提高1倍以上；开开发高固形物物含量选择分

58、分子标记，要要求通过分子子标记选择可可使固形物含含量提高200%以上。第三年继续完善全基因因组遗传变异异图谱。表型、遗传变异异等数据的数数据库整合。白菜和甘蓝叶球球形成相关目目标基因反义义转化载体的的构建及甘蓝蓝遗传转化；转化植株的的筛选；抽薹薹开花关键因因子相互作用用的酵母双杂杂验证。鉴定和筛选与叶叶卷曲和叶球球形成有关的的基因。叶球相关基因与与环境因素互互作的分子基基础。miRNA和靶靶基因在叶卷卷曲和叶球形形成中的作用用。筛选和预测黄瓜瓜瓜把长短和和果肉厚度性性状关键基因因的候选基因因，开发共分分离标记。黄瓜Tu候选基基因的遗传转转化验证；并并利用TuYFP融合表表达转化株进进行Tu的功

59、能分分析：通过激激光共聚焦显显微镜分析TTu在细胞中中行使功能的的位置，以及及在黄瓜植株株各部位的表表达情况。利用转基因技术术，把黄瓜上上的这2-44个基因分别别转入拟南芥芥的突变体，对对他们在果实实形态方面的的功能进行互互补测试。分分离纯化候选选关键基因的的TILLIING突变体体培育候选关关键基因的过过量表达和RRNAi诱导导缺失突变的的转基因黄瓜瓜。黄瓜单性结实性性状的主效QQTL的精细细定位研究；进一步分析析黄瓜单性结结实果实发育育的转录组学学信息。构建EMS突变变体文库，转转化验证黄瓜瓜苦味形成基基因的候选基基因。利用图图位克隆结合合候选基因分分析，确定控控制黄瓜清香香味物质含量量最

60、有可能的的候选基因；通过RACCE方法获得得该基因的全全长，结合父父母本候选基基因的差异序序列，设计候候选基因特异异的分子标记记（如STSS、CAPs等）。筛选番茄紫果基基因和高番茄茄红素基因所所在的BACC克隆，对其其序列进行分分析。对r基因不同转转录本进行过过表达和RNNA干扰分析析转基因功能验证证番茄RG候选基因因；利用NIILs解析RG和PST基因的的表达特征、基基因作用模式式。测定番茄茄坐果和果实实形成关键时时期的转录组组（mRNAA-seq或或芯片）。利用前两年建立立的化学分析析平台研究野野生种抗病砧砧木对黄瓜果果实次生代谢谢物质合成、转转运及积累过过程的影响效效应，克隆、验验证相