USDA国家301计划2019财年成果

美国农业部农业研究服务部（ARS）的国家计划（NP）301-植物遗传资源、基因组学和遗传改良计划，支持维护、保护、增强和扩展美国遗传资源和信息库的研究，并不断对植物基因、基因组以及生物和分子过程的结构和功能的知识进行储备积累。通过创新的研究工具和方法，该国家计划管理、整合并向不同的全球客户提供大量的遗传、分子、生物学和表型信息。最终目标是提高美国农作物的生产效率、产量、可持续性、恢复力、健康、产品质量和价值。

ARS在2019财年报告中，根据对实现国家规划目标的影响和贡献水平选择了重要成果公布。

第一部分-作物遗传改良

鉴定了玉米基因组中与耐热性和易感性相关的关键部分。德克萨斯州卢伯克市的ARS科学家和爱荷华州立大学的合作者们在德克萨斯州进行了田间试验，根据叶片和花的胁迫反应，鉴定出具有超敏热胁迫反应的玉米品系。这些特征是玉米经受热胁迫时减产的原因。随后的基因图谱研究确定了控制这些反应的特定区域，这些区域有可能被育种者用来提高玉米的耐热性。

抗俄罗斯麦蚜虫和青虫的冬饲大麦品种“Fortress”。俄克拉何马州斯蒂尔沃特的ARS的科学家们将一种俄罗斯抗蚜大麦与一种适应南部平原的抗青虫冬季饲料大麦杂交。经过多年对蚜虫抗性的筛选和反复杂交以及多年的田间评估，最终选择了“堡垒”，这是美国第一个对俄罗斯小麦蚜虫和青虫都有抗性的大麦品种。

适于商业加工的草莓品种。马里兰州贝尔茨维尔的ARS研究人员获得并发布了名为“Keepake”的草莓品种专利，这种春季草莓的果实在田间或冷藏后很少出现腐烂或生理退化的现象。其果实甜度高，风味突出，果肉坚实，适于商业加工。该品种预计对大西洋中部和东北部各州的种植者，特别是必须储存收获的水果以便运往市场的运营者，具有极大的价值。该品种已被送往9个美国和加拿大苗圃进行繁殖，并许可销售。

山核桃的基因组序列。德克萨斯州的ARS科学家与美国和中国大学的研究人员合作，开发了第一个山核桃参考基因组。这项工作的重点是与中国山核桃参考基因组一起开发出新品种-“波尼”，并提供给公众使用。

高產抗病甘蔗新品系。佛罗里达运河点（Canal Point）ARS的研究人员公布了两种具有抗病性的高产甘蔗新品种（CP12-1743用于淤泥土壤，CP11-1640用于砂土土壤）。新栽培品种将减轻褐色和橙色锈病和其他胁迫对佛罗里达蔗糖产量和利润的负面影响。来自路易斯安那州的ARS科学家与美国甘蔗联盟合作，和路易斯安那州立大学农业中心共同开发并推出了一种名为“Ho12-615”的甘蔗新品种。新品种的发布为种植者提供了一种适应性良好的品种。

小麦抗锈病种质的发布。堪萨斯州曼哈顿的ARS科学家们正式发布了三个具有多基因抗病性的硬冬小麦品种。现在，育种家可以在全球范围内利用这些品种作为杂交后代的亲本，培育抗茎锈病的冬小麦品种。

花生抗叶斑病遗传标记的鉴定。为了鉴定与抗性基因相关的遗传标记，佐治亚州提夫顿的ARS研究人员确定了叶斑病的遗传控制基因，并揭示了这些基因如何在花生的分离群体中进行表达。他们鉴定了早期和晚期叶斑病的多重抗性基因，确定了它们的位置，测定了具有抗性的植物的遗传标记。此外，这些基因的遗传标记可以有效地鉴定抗性和易感病的育种品系，证实了在花生育种计划中使用标记辅助选择来同时选择早和晚叶斑病抗性以改善寄主植物抗性的有效性。

黑莓新品种“暮光”和“Halls Beauty”的发布。俄勒冈州Corvallis的ARS研究人员发布了“暮光”无刺黑莓，它具有极好的水果品质，尤其是好于其他品种的硬度。“Halls Beauty”无刺拖尾黑莓最适合太平洋西北部，并为种植者提供了另一个种植选择。它既可以机械采摘，也可以手工采摘。

高粱品系对甘蔗蚜虫和青虫的抗性研究。俄克拉荷马州斯蒂尔沃特的ARS科学家通过评估大量高粱种质资源，筛选了抗蚜虫的种质资源，随后通过传统育种导入这种遗传抗性。已育成的2个品系：STARS 1801S对甘蔗蚜虫和灰霉病均有遗传抗性，STARS 1802S对甘蔗蚜虫与黑穗病均有抗性。这些新的抗性资源已经可供高粱群落使用，并且将直接有助于高粱的遗传改良，可以成功地帮助高粱生产者保护其作物免受这种严重的蚜虫害虫侵害。

利用外来种质资源拓宽棉花育种的遗传基础。南卡罗莱纳州佛罗伦萨和德克萨斯州大学站的ARS科学家们评估了从国家植物种质系统中获得的外来陆地棉花品种在棉花育种中的潜力。这些外来棉花品种不像许多外来棉花品种那样需要短日照才能开花，并且代表了棉花育种计划中尚未开发的丰富多样性。科学家们证明，利用这些外来的材料产生的后代具有广泛的遗传多样性和良好的纤维品质。

不同异域亲本的改良大豆品种。ARS的研究人员在密西西比州的斯通维尔、伊利诺伊州的厄巴纳和田纳西州的杰克逊公布了一个新的、带有遗传多样性的高产大豆种质品系。LG03-4561-14 25%衍生自外来亲本，是第一个在其系谱中含有PI445837的改良大豆种质品系。LG03-4561-14已注册在《植物注册杂志》上，种子长期储存在科罗拉多州柯林斯堡，并在伊利诺伊州厄巴纳进行维护和分配。该种质是第一个来自于外来资源的成熟类群III号种质资源（Maturity Group III germplasm），已在美国南部投入使用。德国和印度的大豆育种家已对该品种提出需求。该品种正在美国国内用于多个公共大豆育种计划。

第二部分-植物和微生物遗传资源和信息管理

抗矮化病小麦育种的新工具。爱达荷州阿伯丁的ARS研究人员和来自爱达荷大学和犹他州立大学的合作者将基因组分析与重复的田间试验相结合，从阿伯丁ARS国家小谷粒收集中心的样品中识别出对矮秆病具有抗性的样品，然后，利用遗传信息在基因组上定位抗性因子，并识别出与矮化病抗性相关的遗传标记。

为树木育种提供一种更有效的遗传数据分析方法。美国ARS在佛罗里达州迈阿密的研究人员，以及来自佛罗里达国际大学、佛罗里达大学和澳大利亚昆士兰农业和渔业部的合作者，开发了一种更有效的方法来分析芒果和鳄梨种质和杂交品种的DNA基因型数据。该方法可以区分特定品种和所有其他品种，并识别自花授粉的个体和特定树木的可能父本。确定自花传粉的个体特别重要，它可以帮助发现有害的性状，并将之从育种种群中消除。利用这种方法，育种者可以在苗期早期确定育种砧木的遗传含量，优化育种效率，加速遗传增益。

导致大豆干旱期间冠层缓慢萎蔫基因的发现。马里兰州贝尔茨维尔的ARS研究人员与密苏里大学、北卡罗来纳大学和堪萨斯州立大学的同事一起破译了两种大豆在有限水分条件下提高产量的生理和遗传机制，并验证了在干旱条件下保护大豆产量的主要遗传因素。该研究通过基因克隆、编辑、基因转移等途径，为提高大豆的抗旱性提供了遗传资源。

用于核桃研究和育种的强大的新基因组工具。加州大学戴维斯分校（Davis，California-DavisUniversity）的ARS研究人员和他们的加州大学戴维斯分校的同事应用了一种新的基因组测序工具，生成了一个新的、更完整的基因组序列，用于英国核桃和一种野生核桃（一种潜在的重要核桃砧木）的种间杂交。他们在两个核桃品种的亲本基因组中鉴定、分类和定位了抗病基因，并研究了它们的染色体分布。这些信息为指导核桃育种提供了有价值的新工具。

为研究和育种确定最佳胡萝卜种质提供更有效的方法。利用大量胡萝卜种质样品的基因组测序数据和园艺性状数据，威斯康辛州麦迪逊的ARS研究人员和威斯康星大学的合作者测试了是否可以为特定的育种目的构建自定义核心子集。值得注意的是，基因组测序数据并不能有效地设计出最优子集。但增加核心子集的大小确实提高了预测有用样本的准确性，这表明，通过扩大自定义子集的大小来代表整个基因库集合中最重要的遗传多样性，可以改进自定义子集的效用。这一发现表明，选择这种定制子集的方法应包括足够大量的样本，以充分代表整个集合中的遗传多样性。

具有独特新基因的大豆近缘野生种。位于马里兰州贝尔茨维尔的ARS科学家定义了多年生大豆物种的遗传多样性和系统发育關系。他们发现了一种多年生植物：Glycine canescens，它具有较高的遗传多样性，并确定来自澳大利亚西部干旱和温暖地区的3个品系与来自澳大利亚中部和东部的其他8个品系在遗传上是不同的。三个来自西澳的多年生品系可用作有价值的大豆基因的供体，帮助提高抗热、抗旱和抵御害虫的能力。

山羊草基因赋予小麦抗病性。位于北达科他州法戈的ARS研究人员对山羊草的品系进行了研究，以确定哪些山羊草的染色体携带抗病基因，确定山羊草染色体与小麦染色体的关系，并发现与每个山羊草染色体相关的分子标记。结果表明，叶锈病抗性与B染色体有关，白粉病抗性与D、E、F、G染色体有关，茎锈抗性与C、D染色体有关。这些疾病数据、分子标记和染色体组将有助于将这些抗病基因转移到小麦中。

第三部分-作物生物学和分子生物学过程

农业微生物的创新应用。西弗吉尼亚州科尔内斯维尔的ARS科学家发现一种真菌菌株（Cladosporium spaerospermum TC09），这种真菌在实验室和温室条件下能显著促进植物生长。例如，辣椒植株预先暴露在TC09中，提前20天种植在温室中，其果实产量比未经处理的对照植株高出213%。总之，Cladosporium spaerospermum TC09是一种强大的新工具，可以提高受保护的环境和田间环境中的作物生产力，商业合作伙伴正在对其进行开发应用。

对Bt抗性根虫的敏感性恢复。西方玉米根虫已经进化出了对几乎所有针对其缓解的管理策略（包括Bt玉米）的抗性。利用抗Bt和对Bt敏感的根虫菌株，密苏里州哥伦比亚的ARS研究人员评估了玉米根虫被喂食Bt玉米或非Bt玉米后产生的核糖核酸（RNA），并鉴定了与抗性相关的基因。他们利用这些信息合成了一种称为dsRNA的RNA，在这种RNA中，已经识别出的抗性基因被“敲除”（中和），然后将这种dsRNA导入新的易感和耐药的根虫中。含有抗性基因的dsRNA恢复了抗性根虫株对Bt的敏感性，而易感根虫则保持了对Bt的完全敏感性。这是第一次在敲除抗性基因后恢复玉米根虫对Bt的敏感性。

作物生物工程的创新。加州奥尔巴尼的ARS研究人员证明了利用重组酶技术（GAANTRY）通过核酸转移在农杆菌中进行基因组装，可以在马铃薯中高效装配和导入多达10个基因。该系统被证明可以有效地产生高质量的转基因马铃薯植株，这些植株携带所有引入的基因，并表现出所需的性状。该技术已通过20份材料转让协议转让给工业和大学实验室。该技术使得有效改善马铃薯及相关作物的复杂性状成为可能。

第四部分-作物遗传学、基因组学和遗传改良的信息资源和工具

作物基因组序列是粮食安全的关键。2019年，ARS的科学家和大学合作者对花生、新大陆棉花、野生大豆、豇豆和李子的基因组序列进行了测序、整理和发布，并发表在《自然遗传学》、《基因组生物学与进化》、《自然通讯》和《植物杂志》上。

大豆拟茎点种腐病（Phomopsis seed decay in soybean）苗期筛选新方法。密西西比州斯通维尔的ARS研究人员建立了一种在苗期快速筛选大豆抗拟茎点种腐病的苗期接种和评价方法。这种创新的扦插育苗接种方法的结果与用成熟种子进行试验获得的结果相当。该研究可以在不必等待整个生长季节结束的情况下进行种子测定。此外，这种方法可以使病原体在测试的大豆种子上的分布更加均匀，从而减少逃逸的机会。该方法已被美国和中国其他实验室的公共大豆育种家采用。

为改善黄豆的消费特性而进行的研究。黄豆的收集是由位于密歇根州东兰辛的ARS研究人员与大学合作者共同完成的，包括306个不同来源的黄色种皮基因型。他们在296个基因型中鉴定了52622个与烹调时间相关的遗传标记。作为这项工作的结果，育种家将发现更容易使用基因组和标记辅助育种来改善黄豆的消费特性。

来源：美国农业部