USDA國家301計(jì)劃2019財(cái)年成果

美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)部（ARS）的國家計(jì)劃（NP）301-植物遺傳資源、基因組學(xué)和遺傳改良計(jì)劃，支持維護(hù)、保護(hù)、增強(qiáng)和擴(kuò)展美國遺傳資源和信息庫的研究，并不斷對植物基因、基因組以及生物和分子過程的結(jié)構(gòu)和功能的知識進(jìn)行儲(chǔ)備積累。通過創(chuàng)新的研究工具和方法，該國家計(jì)劃管理、整合并向不同的全球客戶提供大量的遺傳、分子、生物學(xué)和表型信息。最終目標(biāo)是提高美國農(nóng)作物的生產(chǎn)效率、產(chǎn)量、可持續(xù)性、恢復(fù)力、健康、產(chǎn)品質(zhì)量和價(jià)值。

ARS在2019財(cái)年報(bào)告中，根據(jù)對實(shí)現(xiàn)國家規(guī)劃目標(biāo)的影響和貢獻(xiàn)水平選擇了重要成果公布。

第一部分-作物遺傳改良

鑒定了玉米基因組中與耐熱性和易感性相關(guān)的關(guān)鍵部分。德克薩斯州盧伯克市的ARS科學(xué)家和愛荷華州立大學(xué)的合作者們在德克薩斯州進(jìn)行了田間試驗(yàn)，根據(jù)葉片和花的脅迫反應(yīng)，鑒定出具有超敏熱脅迫反應(yīng)的玉米品系。這些特征是玉米經(jīng)受熱脅迫時(shí)減產(chǎn)的原因。隨后的基因圖譜研究確定了控制這些反應(yīng)的特定區(qū)域，這些區(qū)域有可能被育種者用來提高玉米的耐熱性。

抗俄羅斯麥蚜蟲和青蟲的冬飼大麥品種“Fortress”。俄克拉何馬州斯蒂爾沃特的ARS的科學(xué)家們將一種俄羅斯抗蚜大麥與一種適應(yīng)南部平原的抗青蟲冬季飼料大麥雜交。經(jīng)過多年對蚜蟲抗性的篩選和反復(fù)雜交以及多年的田間評估，最終選擇了“堡壘”，這是美國第一個(gè)對俄羅斯小麥蚜蟲和青蟲都有抗性的大麥品種。

適于商業(yè)加工的草莓品種。馬里蘭州貝爾茨維爾的ARS研究人員獲得并發(fā)布了名為“Keepake”的草莓品種專利，這種春季草莓的果實(shí)在田間或冷藏后很少出現(xiàn)腐爛或生理退化的現(xiàn)象。其果實(shí)甜度高，風(fēng)味突出，果肉堅(jiān)實(shí)，適于商業(yè)加工。該品種預(yù)計(jì)對大西洋中部和東北部各州的種植者，特別是必須儲(chǔ)存收獲的水果以便運(yùn)往市場的運(yùn)營者，具有極大的價(jià)值。該品種已被送往9個(gè)美國和加拿大苗圃進(jìn)行繁殖，并許可銷售。

山核桃的基因組序列。德克薩斯州的ARS科學(xué)家與美國和中國大學(xué)的研究人員合作，開發(fā)了第一個(gè)山核桃參考基因組。這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是與中國山核桃參考基因組一起開發(fā)出新品種-“波尼”，并提供給公眾使用。

高產(chǎn)抗病甘蔗新品系。佛羅里達(dá)運(yùn)河點(diǎn)（Canal Point）ARS的研究人員公布了兩種具有抗病性的高產(chǎn)甘蔗新品種（CP12-1743用于淤泥土壤，CP11-1640用于砂土土壤）。新栽培品種將減輕褐色和橙色銹病和其他脅迫對佛羅里達(dá)蔗糖產(chǎn)量和利潤的負(fù)面影響。來自路易斯安那州的ARS科學(xué)家與美國甘蔗聯(lián)盟合作，和路易斯安那州立大學(xué)農(nóng)業(yè)中心共同開發(fā)并推出了一種名為“Ho12-615”的甘蔗新品種。新品種的發(fā)布為種植者提供了一種適應(yīng)性良好的品種。

小麥抗銹病種質(zhì)的發(fā)布。堪薩斯州曼哈頓的ARS科學(xué)家們正式發(fā)布了三個(gè)具有多基因抗病性的硬冬小麥品種?，F(xiàn)在，育種家可以在全球范圍內(nèi)利用這些品種作為雜交后代的親本，培育抗莖銹病的冬小麥品種。

花生抗葉斑病遺傳標(biāo)記的鑒定。為了鑒定與抗性基因相關(guān)的遺傳標(biāo)記，佐治亞州提夫頓的ARS研究人員確定了葉斑病的遺傳控制基因，并揭示了這些基因如何在花生的分離群體中進(jìn)行表達(dá)。他們鑒定了早期和晚期葉斑病的多重抗性基因，確定了它們的位置，測定了具有抗性的植物的遺傳標(biāo)記。此外，這些基因的遺傳標(biāo)記可以有效地鑒定抗性和易感病的育種品系，證實(shí)了在花生育種計(jì)劃中使用標(biāo)記輔助選擇來同時(shí)選擇早和晚葉斑病抗性以改善寄主植物抗性的有效性。

黑莓新品種“暮光”和“Halls Beauty”的發(fā)布。俄勒岡州Corvallis的ARS研究人員發(fā)布了“暮光”無刺黑莓，它具有極好的水果品質(zhì)，尤其是好于其他品種的硬度。“Halls Beauty”無刺拖尾黑莓最適合太平洋西北部，并為種植者提供了另一個(gè)種植選擇。它既可以機(jī)械采摘，也可以手工采摘。

高粱品系對甘蔗蚜蟲和青蟲的抗性研究。俄克拉荷馬州斯蒂爾沃特的ARS科學(xué)家通過評估大量高粱種質(zhì)資源，篩選了抗蚜蟲的種質(zhì)資源，隨后通過傳統(tǒng)育種導(dǎo)入這種遺傳抗性。已育成的2個(gè)品系：STARS 1801S對甘蔗蚜蟲和灰霉病均有遺傳抗性，STARS 1802S對甘蔗蚜蟲與黑穗病均有抗性。這些新的抗性資源已經(jīng)可供高粱群落使用，并且將直接有助于高粱的遺傳改良，可以成功地幫助高粱生產(chǎn)者保護(hù)其作物免受這種嚴(yán)重的蚜蟲害蟲侵害。

利用外來種質(zhì)資源拓寬棉花育種的遺傳基礎(chǔ)。南卡羅萊納州佛羅倫薩和德克薩斯州大學(xué)站的ARS科學(xué)家們評估了從國家植物種質(zhì)系統(tǒng)中獲得的外來陸地棉花品種在棉花育種中的潛力。這些外來棉花品種不像許多外來棉花品種那樣需要短日照才能開花，并且代表了棉花育種計(jì)劃中尚未開發(fā)的豐富多樣性?？茖W(xué)家們證明，利用這些外來的材料產(chǎn)生的后代具有廣泛的遺傳多樣性和良好的纖維品質(zhì)。

不同異域親本的改良大豆品種。ARS的研究人員在密西西比州的斯通維爾、伊利諾伊州的厄巴納和田納西州的杰克遜公布了一個(gè)新的、帶有遺傳多樣性的高產(chǎn)大豆種質(zhì)品系。LG03-4561-14 25%衍生自外來親本，是第一個(gè)在其系譜中含有PI445837的改良大豆種質(zhì)品系。LG03-4561-14已注冊在《植物注冊雜志》上，種子長期儲(chǔ)存在科羅拉多州柯林斯堡，并在伊利諾伊州厄巴納進(jìn)行維護(hù)和分配。該種質(zhì)是第一個(gè)來自于外來資源的成熟類群III號種質(zhì)資源（Maturity Group III germplasm），已在美國南部投入使用。德國和印度的大豆育種家已對該品種提出需求。該品種正在美國國內(nèi)用于多個(gè)公共大豆育種計(jì)劃。

第二部分-植物和微生物遺傳資源和信息管理

抗矮化病小麥育種的新工具。愛達(dá)荷州阿伯丁的ARS研究人員和來自愛達(dá)荷大學(xué)和猶他州立大學(xué)的合作者將基因組分析與重復(fù)的田間試驗(yàn)相結(jié)合，從阿伯丁ARS國家小谷粒收集中心的樣品中識別出對矮稈病具有抗性的樣品，然后，利用遺傳信息在基因組上定位抗性因子，并識別出與矮化病抗性相關(guān)的遺傳標(biāo)記。

為樹木育種提供一種更有效的遺傳數(shù)據(jù)分析方法。美國ARS在佛羅里達(dá)州邁阿密的研究人員，以及來自佛羅里達(dá)國際大學(xué)、佛羅里達(dá)大學(xué)和澳大利亞昆士蘭農(nóng)業(yè)和漁業(yè)部的合作者，開發(fā)了一種更有效的方法來分析芒果和鱷梨種質(zhì)和雜交品種的DNA基因型數(shù)據(jù)。該方法可以區(qū)分特定品種和所有其他品種，并識別自花授粉的個(gè)體和特定樹木的可能父本。確定自花傳粉的個(gè)體特別重要，它可以幫助發(fā)現(xiàn)有害的性狀，并將之從育種種群中消除。利用這種方法，育種者可以在苗期早期確定育種砧木的遺傳含量，優(yōu)化育種效率，加速遺傳增益。

導(dǎo)致大豆干旱期間冠層緩慢萎蔫基因的發(fā)現(xiàn)。馬里蘭州貝爾茨維爾的ARS研究人員與密蘇里大學(xué)、北卡羅來納大學(xué)和堪薩斯州立大學(xué)的同事一起破譯了兩種大豆在有限水分條件下提高產(chǎn)量的生理和遺傳機(jī)制，并驗(yàn)證了在干旱條件下保護(hù)大豆產(chǎn)量的主要遺傳因素。該研究通過基因克隆、編輯、基因轉(zhuǎn)移等途徑，為提高大豆的抗旱性提供了遺傳資源。

用于核桃研究和育種的強(qiáng)大的新基因組工具。加州大學(xué)戴維斯分校（Davis，California-DavisUniversity）的ARS研究人員和他們的加州大學(xué)戴維斯分校的同事應(yīng)用了一種新的基因組測序工具，生成了一個(gè)新的、更完整的基因組序列，用于英國核桃和一種野生核桃（一種潛在的重要核桃砧木）的種間雜交。他們在兩個(gè)核桃品種的親本基因組中鑒定、分類和定位了抗病基因，并研究了它們的染色體分布。這些信息為指導(dǎo)核桃育種提供了有價(jià)值的新工具。

為研究和育種確定最佳胡蘿卜種質(zhì)提供更有效的方法。利用大量胡蘿卜種質(zhì)樣品的基因組測序數(shù)據(jù)和園藝性狀數(shù)據(jù)，威斯康辛州麥迪遜的ARS研究人員和威斯康星大學(xué)的合作者測試了是否可以為特定的育種目的構(gòu)建自定義核心子集。值得注意的是，基因組測序數(shù)據(jù)并不能有效地設(shè)計(jì)出最優(yōu)子集。但增加核心子集的大小確實(shí)提高了預(yù)測有用樣本的準(zhǔn)確性，這表明，通過擴(kuò)大自定義子集的大小來代表整個(gè)基因庫集合中最重要的遺傳多樣性，可以改進(jìn)自定義子集的效用。這一發(fā)現(xiàn)表明，選擇這種定制子集的方法應(yīng)包括足夠大量的樣本，以充分代表整個(gè)集合中的遺傳多樣性。

具有獨(dú)特新基因的大豆近緣野生種。位于馬里蘭州貝爾茨維爾的ARS科學(xué)家定義了多年生大豆物種的遺傳多樣性和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)了一種多年生植物：Glycine canescens，它具有較高的遺傳多樣性，并確定來自澳大利亞西部干旱和溫暖地區(qū)的3個(gè)品系與來自澳大利亞中部和東部的其他8個(gè)品系在遺傳上是不同的。三個(gè)來自西澳的多年生品系可用作有價(jià)值的大豆基因的供體，幫助提高抗熱、抗旱和抵御害蟲的能力。

山羊草基因賦予小麥抗病性。位于北達(dá)科他州法戈的ARS研究人員對山羊草的品系進(jìn)行了研究，以確定哪些山羊草的染色體攜帶抗病基因，確定山羊草染色體與小麥染色體的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)與每個(gè)山羊草染色體相關(guān)的分子標(biāo)記。結(jié)果表明，葉銹病抗性與B染色體有關(guān)，白粉病抗性與D、E、F、G染色體有關(guān)，莖銹抗性與C、D染色體有關(guān)。這些疾病數(shù)據(jù)、分子標(biāo)記和染色體組將有助于將這些抗病基因轉(zhuǎn)移到小麥中。

第三部分-作物生物學(xué)和分子生物學(xué)過程

農(nóng)業(yè)微生物的創(chuàng)新應(yīng)用。西弗吉尼亞州科爾內(nèi)斯維爾的ARS科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種真菌菌株（Cladosporium spaerospermum TC09），這種真菌在實(shí)驗(yàn)室和溫室條件下能顯著促進(jìn)植物生長。例如，辣椒植株預(yù)先暴露在TC09中，提前20天種植在溫室中，其果實(shí)產(chǎn)量比未經(jīng)處理的對照植株高出213%?？傊?，Cladosporium spaerospermum TC09是一種強(qiáng)大的新工具，可以提高受保護(hù)的環(huán)境和田間環(huán)境中的作物生產(chǎn)力，商業(yè)合作伙伴正在對其進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用。

對Bt抗性根蟲的敏感性恢復(fù)。西方玉米根蟲已經(jīng)進(jìn)化出了對幾乎所有針對其緩解的管理策略（包括Bt玉米）的抗性。利用抗Bt和對Bt敏感的根蟲菌株，密蘇里州哥倫比亞的ARS研究人員評估了玉米根蟲被喂食Bt玉米或非Bt玉米后產(chǎn)生的核糖核酸（RNA），并鑒定了與抗性相關(guān)的基因。他們利用這些信息合成了一種稱為dsRNA的RNA，在這種RNA中，已經(jīng)識別出的抗性基因被“敲除”（中和），然后將這種dsRNA導(dǎo)入新的易感和耐藥的根蟲中。含有抗性基因的dsRNA恢復(fù)了抗性根蟲株對Bt的敏感性，而易感根蟲則保持了對Bt的完全敏感性。這是第一次在敲除抗性基因后恢復(fù)玉米根蟲對Bt的敏感性。

作物生物工程的創(chuàng)新。加州奧爾巴尼的ARS研究人員證明了利用重組酶技術(shù)（GAANTRY）通過核酸轉(zhuǎn)移在農(nóng)桿菌中進(jìn)行基因組裝，可以在馬鈴薯中高效裝配和導(dǎo)入多達(dá)10個(gè)基因。該系統(tǒng)被證明可以有效地產(chǎn)生高質(zhì)量的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯植株，這些植株攜帶所有引入的基因，并表現(xiàn)出所需的性狀。該技術(shù)已通過20份材料轉(zhuǎn)讓協(xié)議轉(zhuǎn)讓給工業(yè)和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室。該技術(shù)使得有效改善馬鈴薯及相關(guān)作物的復(fù)雜性狀成為可能。

第四部分-作物遺傳學(xué)、基因組學(xué)和遺傳改良的信息資源和工具

作物基因組序列是糧食安全的關(guān)鍵。2019年，ARS的科學(xué)家和大學(xué)合作者對花生、新大陸棉花、野生大豆、豇豆和李子的基因組序列進(jìn)行了測序、整理和發(fā)布，并發(fā)表在《自然遺傳學(xué)》、《基因組生物學(xué)與進(jìn)化》、《自然通訊》和《植物雜志》上。

大豆擬莖點(diǎn)種腐?。≒homopsis seed decay in soybean）苗期篩選新方法。密西西比州斯通維爾的ARS研究人員建立了一種在苗期快速篩選大豆抗擬莖點(diǎn)種腐病的苗期接種和評價(jià)方法。這種創(chuàng)新的扦插育苗接種方法的結(jié)果與用成熟種子進(jìn)行試驗(yàn)獲得的結(jié)果相當(dāng)。該研究可以在不必等待整個(gè)生長季節(jié)結(jié)束的情況下進(jìn)行種子測定。此外，這種方法可以使病原體在測試的大豆種子上的分布更加均勻，從而減少逃逸的機(jī)會(huì)。該方法已被美國和中國其他實(shí)驗(yàn)室的公共大豆育種家采用。

為改善黃豆的消費(fèi)特性而進(jìn)行的研究。黃豆的收集是由位于密歇根州東蘭辛的ARS研究人員與大學(xué)合作者共同完成的，包括306個(gè)不同來源的黃色種皮基因型。他們在296個(gè)基因型中鑒定了52622個(gè)與烹調(diào)時(shí)間相關(guān)的遺傳標(biāo)記。作為這項(xiàng)工作的結(jié)果，育種家將發(fā)現(xiàn)更容易使用基因組和標(biāo)記輔助育種來改善黃豆的消費(fèi)特性。

來源：美國農(nóng)業(yè)部