遗传群体和基因信息在作物育种中的利用方法与集成工具研究

Most characters that breeders wish to improve are quantitative traits, among which are yield and yield components, end-use qualities, adaptation, and various biotic and abiotic resistances or tolerances. Along with the rapid development in molecular biology and biotechnology, more and more genes on these traits have been mapped and cloned. However, most genetic populations and identified gene information have not been efficiently used in plant breeding, especially when considering the large amount of time and efforts spent on developing the genetic populations and conducting the genetic studies. The challenge has been and still remains to convert the ever more plentiful supply of genetic information into an integrated set of markers useful for breeding, and how to integrate such markers into the most efficient breeding scheme. In this project, we will, (1) develop efficient algorithms for high-density genetic linkage map construction, gene by gene interactions, gene by environment interactions, and genotype to phenotypic predictions; (2) enhance the existing genetic analysis and breeding simulation tools, and develop the integrated and decision supported breeding tools; (3) use one CSSL and one RIL population in rice to demonstrate the strategies to integrate the genetic populations and the identified gene information from genetic study into conventional plant breeding. We aim to build a bridge leading from "genetic study" to "field breeding". This project is designed to take the challenges on the efficient use of genetic population and known gene information in conventional plant breeding.The integrated tools from this project will greatly assist the efficient application of genetic populations and known gene information, and greatly improve the efficiency and predictability of crop breeding.

作物育种中不断努力改良的产量、品质、抗性和适应性等性状的遗传研究已经进入基因和分子水平，但与遗传研究过程中花费的大量时间和经费相比，遗传群体和已发掘的基因信息还没有在育种中发挥应有的作用。本项目围绕遗传研究到育种利用之间方法和工具欠缺这一问题，拟开展高通量分子标记的遗传图谱构建算法、基因间以及基因与环境间互作分析方法、基因到表型预测模型和方法等方面的研究；完善已有的遗传分析软件和育种模拟工具，研制遗传群体与基因信息在育种中有效利用的集成工具；对一个水稻染色体片段置换系（CSSL）和重组近交家系（RIL）群体进行基因型和表型鉴定，利用研制出的集成工具开展系统的遗传分析和育种方法学研究，提出遗传研究中常用的双亲衍生群体在育种中的有效利用方法和途径。本项目旨在"遗传研究"和"田间育种"之间架起一座桥梁，帮助育种家把大量的遗传研究结果有效应用于育种实践、提高育种中的预见性和育种效率。

植物育种中不断努力改良的产量、品质、抗性和适应性等性状的遗传研究已经进入基因和分子水平，但与遗传研究过程中花费的大量时间和经费相比，遗传群体和已发掘的基因信息还没有在育种中发挥应有的作用。本项目围绕遗传研究到育种利用之间方法和工具欠缺这一问题，开展了高通量分子标记的遗传图谱构建算法、基因间以及基因与环境间互作分析方法、基因到表型预测模型和方法等方面的研究；完善了已有的遗传分析软件和育种模拟工具，研制遗传群体与基因信息在育种中有效利用的集成工具；对一个水稻染色体片段置换系（CSSL）和重组近交家系（RIL）群体进行基因型和表型鉴定，利用研制出的集成工具开展系统的遗传分析和育种方法学研究，提出遗传研究中常用的双亲衍生群体在育种中的有效利用方法和途径。这些研究成果，能够帮助育种家把大量的遗传研究结果有效应用于育种实践、提高育种中的预见性和育种效率。..集成软件QTL IciMapping是本项目的核心研究成果，是国际上首例能够同时进行连锁图谱构建和数量性状基因定位的遗传分析工具，本项目中提出的遗传图谱构建新算法和复杂性状基因定位新方法都反映在这个集成软件中。软件4.1版于2016年1月发布，具有以下九大功能：1、多环境表型数据方差分析的AOV功能；2、删除冗余标记的BIN功能；3、构建连锁图谱的MAP功能；4、整合连锁图谱的CMP功能；5、定位奇异分离座位的SDL功能；6、双亲衍生群体QTL作图的BIP功能；7、多环境表型鉴定数据QTL分析的MET功能；8、染色体片段置换系QTL作图的CSL功能；9、巢式关联分析群体QTL作图的NAM功能。另外还提供了两个附加工具：1、绘制已构建遗传连锁图谱的MapShow工具；2、两点重组率估计的2pointREC工具。利用QTL IciMapping软件集成的各种功能，研究工作者现在可以很方便地开展单环境/多环境表型鉴定数据的方差分析和遗传力估计、分析基因型鉴定数据的冗余性、利用分子标记构建遗传连锁图谱、鉴定奇异分离座位、通过一维扫描定位加性和显性QTL、通过二维扫描定位上位性互作QTL、以及开展QTL与环境互作分析等多方面的遗传研究。