重要热带作物木薯遗传改良的基础研究

No.2010CB126600

      

 
 

木薯(Manihot esculenta Crantz)是大戟科块根作物,具备热带作物典型的高光效、高淀粉产量、抗旱、耐瘠薄等特性,是全球第六大粮食作物,提供6亿人口赖以生存的主粮,也是我国重要的工业和生物能源原料。全球种植面积1700万公顷,我国现有50万公顷,总产量1000万吨。根据国家绿色能源发展战略和保障粮食安全需要,在未来5-10年,预计木薯种植面积将扩大到100万公顷,年总产量4000万吨,能够满足生产工业淀粉(300万吨),燃料乙醇(400-500万吨)的原料需求,木薯产业的总产值将达到500亿元人民币,也将成为粮食安全的重要保障。 木薯乃至其他热带作物重要经济性状的基础理论研究薄弱,基因型高度杂合,传统的木薯育种手段存在着选择效率低和育种周期长等问题,因此利用分子生物学手段阐明木薯淀粉高效累积与抗逆的分子基础,挖掘关键基因资源,实现从随机的表型选择到“分子设计育种”,培育高产、高淀粉、抗逆性强适合于市场需求的木薯新品种,对于木薯产业的可持续发展,和我国热带农业基础科学研究的原始创新,均具有重大的理论和实践意义。

木薯是热带典型的高产、抗逆作物,具有突出的高光效、高淀粉产量、抗旱、耐瘠薄等生物学特性,位列全球第六大粮食作物,是我国工业淀粉和燃料乙醇的主要原料之一,也是应对粮食灾变危机的重要选择。我国现有种植面积50余万公顷,产量1000万吨,年进口量超过总产量,已经形成年200万吨淀粉和变性淀粉,100万吨燃料乙醇的加工能力,原料供应已经成为产业发展的瓶颈。我国热带、亚热带地区适宜发展木薯生产的面积在100万公顷以上,通过改良木薯的抗逆性和适应性,将木薯种植区向北推移,木薯种植区域将进一步扩大到100万公顷,提高单产水平,年总产量达到4000万吨,则在保证现有淀粉市场需求后,年可生产400-500万吨燃料乙醇,满足我国车用燃料乙醇总需求量的1/3,木薯生产与加工产业可形成超过500亿元人民币产值,促进解决热带经济落后地区的三农问题。按照国家走出去战略,在拥有大量闲置土地的东南亚和非洲大陆建立能源木薯生产基地,充分发挥木薯的高产、抗逆特性,为长远解决我国的能源需求问题提供选择,为全球粮食安全提供保障。

木薯块根淀粉累积涉及碳水化合物生产的“源-流-库”关系调节,从光合作用效率,糖运输,到块根淀粉储藏能力,都受环境因素如干旱、土壤养分供应等影响。从能量富集过程性考虑,虽然有关植物糖代谢的基本生化过程已经十分清楚,系列相关基因得到克隆,但是在木薯等热带高效作物中必然存在一些特殊的基因及其调节机制。建立在全基因组测序基础上,利用模式生物中已经发现的基因,揭示木薯淀粉高效积累与抗逆的主要代谢途径与关键基因调节机制,将为木薯遗传改良和高效生产利用奠定理论基础。通过比较基因组学手段,将项目所产生的成果进一步拓展到麻疯树等大戟科近缘作物,既能够促进相关产业基础理论的建立,又能够总结、提升大戟科作物的共性高效抗逆机制,进而形成热带作物高产、抗逆的重要理论基础。 项目所获取的大量基因资源和高通量分子标记,将直接形成木薯转基因育种和分子标记辅助育种的技术体系,用传统育种整合细胞-分子育种方法,快速、高效培育适合于产业发展需求的木薯新品种,支撑木薯产业健康发展。

项目通过对木薯典型材料在形态、生理代谢和基因转录水平的系统比较分析,阐明木薯淀粉高效累积的主要代谢途径,及抗旱、耐贫瘠的分子机理,发掘关键基因构建基因调控网络,建立综合育种技术体系,培养木薯基础研究领域的创新研究团队。其原始创新的理论和技术成果,将在国际相同领域处于领先水平。 该项目完成后,将强化我国木薯、麻疯树等大戟科重要经济作物的基础理论研究,创建功能基因组学研究平台,提供基因资源和高效遗传改良方法,逐步构筑热带经济作物重要产量形成及抗逆的分子基础,有力支持我国热带农业科技创新体系建设。

 

 
 
 
课题编号 课题名称 课题第一承担单位
2010CB126601 木薯淀粉高效累积途径及其关键基因 中国热带农业科学院热带生物技术研究所
2010CB126602 木薯抗旱和耐贫瘠的调控机理 中国热带农业科学院热带生物技术研究所
2010CB126603 木薯近缘作物光合产物积累与抗逆途径的比较 中国科学院华南植物园
2010CB126604 木薯基因组注释与信息整合 中国科学院北京基因组研究所
2010CB126605 木薯重要基因的功能验证与分析 中国科学院上海生命科学研究院
2010CB126606 木薯分子育种技术集成与种质创新 中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所

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