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    热带作物比较基因组与系统生物学研究团队-王文泉
    2021年05月09日 01:00


一、研究定位与目标

以木薯为热带模式植物,采用现代基因组学、实验与系统生物学的先进方法、技术,通过全基因组序列解析、群体多组学分析,基因功能验证,挖掘热带作物高产、优质、营养高效、抗逆基因资源,跨物种比较揭示热带作物的特有生物学性状及其基因调控,建立物种演化路径;主导基因组与生物信息数据库技术平台,开展主要热带生物的基因组与群体遗传多样性研究,建立精细参考基因组,并通过泛基因组和重测序、简化重测序与表型组学技术,揭示物种重要生物学性状演化规律,为这些物种的基础研究、遗传改良和多样性保护提供理论基础和技术,创建高效、快速的分子育种体系及热带作物基因组数据库服务系统。

牵头组建热带作物基因组与系统生物学研究中心及河南省创新研究团队。


二、研究内容

(1)热带作物基因组精细图谱绘制与基因挖掘

绘制主要热带作物基因组精细图谱,阐明其适应性进化、遗传多样性的基本特征,建立其生物学精准研究的基础;在群体水平多组学解析木薯、大薯、荔枝、百香果、芒果、油梨、黄皮、益智等特色热带作物品质、抗性和产量性状的优异变异位点及其等位基因,获取重要基因资源,构建GS育种技术体系,支撑热带作物基础生物学和高效育种。

(2)热带作物高光效及生物积累分子机理

以木薯为热带模式植物,依托国家重点研发专项,开展木薯C3-C4中间型光合作用的光化学转化及其C4碳固定优势的分子机理,光合产物高效转运机理以及块根发育及淀粉高效积累的机理,解析主要的代谢途径和信号调控网络;根据已经建立的功能基因组相关技术(木薯、马铃薯、本氏烟草遗传转化体系,蛋白互作、酵母杂交及双分子荧光、精细转录组等),细胞学与单细胞组学等技术手段,系统比较阐明关键基因的功能,为基因编辑改良新品种建立理论基础。

(3)热带作物营养高效与耐贫瘠机理

以木薯为热带模式作物,在获得氮、钾效率差异显著种质材料基础上,通过水培与分根试验,设置不同营养供应水平,在相应氮钾营养胁迫过程中,运用转录组、蛋白组、代谢组方法,解析其基因表达调控网络,互作蛋白网络及代谢谱,发掘养分高效利用基因资源;进而通过对氮、钾吸收、运输关键基因的遗传转化突变体创建,生物学性状系统比较评价,阐明其氮和钾养分高效吸收利用的分子遗传机制。比较生物学评价和发现热带作物特有的营养高效与耐贫瘠的基因及其信号途径,创制作物养分高效与作物高产优质协同的新种质。

(4)热带作物基因组数据库及分子育种服务平台

整合热带作物基因组、转录组、蛋白组、代谢组和表型组数据,建立主要热带作物木薯、橡胶树、椰子、槟榔、杧果、菠萝、柱花草等十种以上基因组全息数据库,从参考基因组、物种群体变异、表达信息、蛋白信息到性状多层次的遗传结构,形成灵活的检索体系;利用掌握的超低成本群体基因型分析技术与表型组技术,开展精准基因型分析,获取主要育种目标性状的全基因组单倍型,耦合育种设计和选择标记系统,建立完整的GS育种服务平台,为热带作物遗传改良提供高效、快速的技术方案,取得国际领先的学术成果。

(5)承担教学任务

拟为生物学和农学专业研究生和本科生开设种质资源学、作物遗传育种、基因组学、专业Seminar等相关课程。


三、团队人员组成

团队负责人:王文泉

主要成员:夏志强,曾长英,邹枚伶

拟引进人员:陈飞,朱婷婷

团队成员简介:

王文泉,博士,陕西府谷人,海南大学杰出人才特聘教授,二级研究员,长期从事热带作物基因组学与遗传育种研究工作。2000年于中国农业大学获得植物营养遗传学博士学位,2000-2002年,中国农业科学院作物品种资源研究所作物学博士后,2002.08-2020.04在中国热带农业科学院热带生物技术研究所从事木薯生物学与遗传改良工作,2009-2010年,美国康奈尔大学BTI研究所高级研究学者,2020.05至今,海南大学“热带作物比较基因组与系统生物学”方向负责人。现担任科技部重点研发计划基础前沿项目“热带作物重要性状形成与调控”首席科学家(2018-2022),曾先后担任973项目“重要热带作物木薯品种改良的基础研究”总协调人,973前期、国家自然科学基金-CG联合基金重点(2项)、科技部国际合作重点专项(2项)等国家级项目主持人,国家木薯产业技术体系品种改良岗位专家(2008-2021)。组织完成木薯等重要热带作物基因组测序与进化解析,提出木薯淀粉高效积累、光合产物装载与卸载模型,建立基因组选择育种技术体系,取得系列学术成果。获得国家发明三等奖、海南省科技进步一等奖、神农中华农业科技二等奖各1项,国家发明专利2项;培育芝麻、木薯新品种5个,在Nature Communications, Nucleic Acids Research等期刊发表论文200余篇,主编《热带作物种质资源学》等专著5部,培养博士、硕士研究生72名。担任亚洲木薯育种联盟执行委员,全国作物生理与分子生物学会理事,农业科学与工程前沿(FASE)英文期刊编委,中国热带作物学会遗传育种专业委员会副主任,农业农村部热带作物生物学与遗传资源利用“学科群”综合实验室副主任。获评海南省“杰出人才”,海南省优秀科技工作者,中国热带农业科学院十佳科研创新团队排名第一。

夏志强,博士,副研究员,基因组与生物信息学平台负责人,海南名家青年项目获得者。多年从事基因组测序、组装与注释软件研究与利用,2017-2018年UCDavis访问学者,熟练掌握最新的二代和三代基因组测序技术,同时拥有光学物理图谱BioNano,HC测序与序列整合技术方法,独立发明了两代基因组简化重测序基因型分析技术:AFSM技术采用对甲基化敏感的两个酶切位点,通过随机酶切,加上靶标,混合测序,可以检测全基因组的SNP和甲基化位点,将大群体基因型分析中单个样本成本降低至200元;Hyper-Seq技术,进一步设计基因区偏置性的随机引物,不经过酶切直接PCR扩增、回收测序,降低了对DNA质量要求,将单个样本分析成本直降到100元左右,已申请中国和国际专利,适用于对大量育种群体及自然界物种群体等的超低成本基因型分析,应用前景十分广阔。目前完成木薯3个种、美洲狼尾草基因组精准图谱组装,主导柱花草、杨桃、麻疯树、芭蕉芋、无花果等基因组测序,在NC、NAR等重要学术期刊发表论文22篇。被评为海南名家青年项目人选,主持完成国家自然科学青年基金项目、在研国家重点研发计划项目子课题2个,作为主要学术骨干参与973、国家自然科学基金-CG联合基金等重要项目。

曾长英,女,博士,研究员,植物营养遗传方向负责人。海南名家青年项目获得者,国家重点研发专项基础前沿项目木薯营养高效与耐贫瘠专题负责人(2018-2022),多年从事木薯氮效率低温敏感及耐旱机理研究。2006年毕业于华中农业大学,获得植物营养遗传博士学位,2016-2017年加拿大圭尔夫大学访问学者,曾在夏威夷大学、圣路易斯华盛顿大学短期合作交流。主持国家自然科学青年基金、国家重点研发计划专题、海南省创新群体等项目,参与木薯973项目、国家木薯产业体系等项目。第九届海南省青年科技奖获得者,在NAR等学术期刊发表论文30余篇。

邹枚伶,女,博士,助理研究员,主要研究方向:热带作物分子育种。2009.07-2020.06中国热带农业科学院热带生物技术研究所从事木薯生物学与分子育种工作,2020.07-至今海南大学热带作物学院“热带作物比较基因组与系统生物学”团队成员。2015-2017年美国加州大学戴维斯分校UC Davis访问学者,主持完成国家级项目和省级项目各1项,主持完成生物所基本科研项目3项,作为主要学术骨干参与国家基金-CG联合基金重点项目(“木薯全基因组关联分析及分子设计育种模型”及“木薯产量与块根品质形成的基因网络及分子育种”)、国家重点研发专项等国家级项目6项,作为第一参与人参与完成国家自然科学基金“随机扩增单核苷酸及甲基化多态性基因型分析-AFSM”项目中技术开发工作。以第二完成人取得授权国家发明专利(专利号: 201410154134.9),还另申报了国家发明专利2项。荣获中华农业科技奖二等奖,海南省科技进步一等奖各1项。发表第一作者或通讯作者SCI学术论文6篇。


四、现有研究基础

1)木薯全基因组精细图与初级数据库

完成木薯野生祖先种和栽培种的全基因组精细图谱,构建20个栽培品种的泛基因组,为全球木薯生物学和遗传改良研究提供了迄今最完整的基因组序列和注释信息。初步构建了木薯基因组和群体遗传多样性数据库(www.cassava_genome.cn)。


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2)木薯光合作用、产物运输及淀粉高效积累途径

发现木薯高光耐受性及对C4碳固定途径依赖性的关键基因,证明光合产物蔗糖从叶源向韧皮部装载以依赖于蔗糖转运蛋白和Sweet蛋白的质外体运输为主,而向块根贮藏细胞的卸载主要是以依赖于胞间连丝PD的共质体途径为主。初步提出ABA介导的块根淀粉积累信号调节模式,并完成代谢途径主要成员的蛋白互作关系验证,获得关键基因的过表达与基因编辑突变体。



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3)木薯高密度单倍型图谱与基因组选择育种

发明AFSM和Hyper-Seq两代基因组简化重测序专利技术,实现高通量、超低成为生物大群体基因型分析提供优先解决方案。构建了木薯单个实验群体最高密度遗传图谱,包含4648个标记覆盖18个连锁群,并获取了12个环境下株型、产量与淀粉品质、耐寒性、耐旱性、抗产后生理性衰变PPD等性状300个以上显著性关联标记及基因位点。构建了包含500余个不同类型品系的单倍型图谱和演化树。



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4)木薯营养高效与耐贫瘠研究

采用改良的阿夫道宁–阿农营养液配方,以高低浓度NH4NO3水培、组培和分根培养等多形式筛选手段筛选骨干木薯种质,从中筛选获得低氮和高氮下均生长良好的双高材料6份,双低材料4份,低氮高效材料5份,高氮高效材料6份。同时利用随机扩增简化重测序单核苷酸与甲基化多态性(AFSM)方法对 158 份木薯种质(主要来自中国、南美洲、东南亚和非洲)进行简化基因组重测序,并且鉴定出 349,827 个SNP 和InDels。结合大田低氮和正常处理产量构成因子的表型共检测到 304 个显著关联位点,发现 30 个基因位点与低氮胁迫下的转录组差异表达基因重叠,其中7个与氮氮吸收、转运、同化相关,7个与氮信号局部感知和系统响应相关,4个与氮的循环利用相关,现正通过分根实验,转录组和代谢组和转基因等手段,发掘木薯氮利用关键基因,综合解析木薯氮高效利用和耐贫瘠机理。


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五、支撑项目

1.科技部重点研发专项基础前沿项目,“热带作物重要性状形成与调控”(2018YFD1000500),2018.07-2022.12, 3574万元,在研,王文泉主持。

2.国家自然科学基金NSFC-CG联合基金重点项目,木薯产量与块根品质形成的基因网络及分子设计育种(3181101517),2019-2023,160万元,在研,王文泉主持;

3.国家木薯产业技术体系常规与分子育种岗位(CARS-12 hnwwq,2008-2015年),品种改良岗位(2016-2021年)岗位专家,965万元,结题和在研,王文泉主持;

4.海南大学作物学双一流学科启动经费,热带作物基因组与系统生物学方向,(2020.07-2025.07), 1000万元,在研,王文泉,项目负责人;

5.海南大学作物学双一流学科启动经费,高通量全基因组检测体系构建,(2020.07-2025.07),100万元,在研,夏志强,项目负责人;

6.国家重点研发计划项目,热带作物高效育种技术与品种创制,2019.01-2022.12,在研,夏志强,专题负责人;

7.国家重点研发计划项目,热带作物种质资源精准评价与基因发掘,2019.01-2022.12,在研,夏志强,专题负责人;

8.国家自然科学基金地区项目:木薯薯MeNRT2.1响应氮信号及参与调控根系觅食行为的分子机理(32060714),2021-2024,35万,在研,曾长英,项目负责人;

9.国家重点研发子课题:木薯重要性状的形成与调控中专题4“木薯养分高效利用与耐贫瘠机理”(2018YFD1000500),2018-2022,236万,在研,曾长英专题负责人;

10.国家研发计划子课题:香蕉养分推荐方法与限量标准(2016YFD0200104),2016-2020,100万,结题,曾长英子课题负责人;

11.海南省高层次人才项目:木薯典型种质氮高效利用的生理和分子机制研究(2019RC042),2020-2022,10万,在研,曾长英,项目负责人;

12.海南大学作物学双一流学科启动经费,热带作物营养高效与耐贫瘠研究,(2019.07-2024.07), 100万元,在研,曾长英,项目负责人;

13.国家重大基础研究973项目“重要热带作物木薯品种改良的基础研究”总协调人,课题1:木薯淀粉高效累积途径及其关键基因(2010CB126601),2010-2014,560万元,已结题,王文泉主持;

14.国家自然科学基金NSFC-CG联合基金重点项目,木薯全基因组关联分析与分子设计育种模型(31261140363),2013-2017,239万元,结题,王文泉主持;


六、科技成果与专利

1、“芝麻基因雄性不育系MS86-1及杂交种豫芝9号”,1995年12月获得国家发明三等奖。

2、“木薯比较基因组及光合产物高效积累机理”,2015年,海南省科技进步1等奖。

3、“木薯全基因组测序及育种基础”,2016-2017年,神农中华农业科技二等奖。

4、“海南岛热带雨林主要经济立木彩色图鉴”,2010年,海南省科技进步二等奖。

5、“芝麻杂交制种技术”,2000年获得国家技术发明专利,专利证号:ZL94103410.0。

6、“基因组随机扩增序列SNP多态性及甲基化多态性的方法”,2015获得国家技术发明专利,专利号:ZL201410154134.9


七、著作

1、王文泉,刘国道主编,《热带作物种质资源学》,86万字,2008年,中国农业出版社

2、付国瑷,王文泉编著,《海南岛热带雨林主要经济立木彩色图鉴 》(上册),2008年,7万字,香港银河出版社

3、付国瑷,王文泉编著,《海南岛热带雨林主要经济立木彩色图鉴 》(第四册),2010年,8万字,香港银河出版社

4、符国瑷,王文泉主编,《海南热带雨林主要立木树皮彩色图鉴》(下册),2012年,10万字,人民日报出版社

5、符国瑷,王文泉主编,《海南特有高等植物彩色图鉴》(上册),2013年,11

万字,团结出版社。

6、符国瑷,王文泉主编,《海南特有高等植物彩色图鉴》(第二册),2015年,12万字,香港银河出版社。


八、代表性学术论文

Wenquan Wang*, Binxiao Feng*, Jingfa Xiao*,Zhiqiang Xia, Xincheng Zhou,---,Bin Liu#, Kaimian Li#, Ming Peng#.Cassava genome from a wild ancestor to cultivated varieties,Nat Commun. 2014 October 10; 5: 5110. online 2014 October10. doi: 10.1038/ncomms6110(IF 11.47)

Zhiqiang Xia*, Dongmei Huang*, Shengkui Zhang,Wenquan Wang, Funing Ma, Bin Wu, Yi Xu, Bingqiang Xu, Di Chen, Meiling Zou, Huanyu Xu, Xincheng Zhou, Rulin Zhan and Shun Song#,Chromosome-scale genome assembly provides insights into the evolution and flavor synthesis of passion fruit (Passiflora edulis Sims),Horticulture Research, 2021, 8:14, https://doi.org/10.1038/s41438-020-00455-1

Shengkui Zhang*,Zhiqiang Xia*, Wenqing Zhang, Can Li,Xiaohan Wang, Xianqin Lu, Xianyan Zhao, Haizhen Ma, Xincheng Zhou, Weixiong Zhang, Tingting Zhu, Pandao Liu, Guodao Liu, Hubiao Yang, Jacobo Arango, Michael Peters,Wenquan Wang**, Tao Xia**,Chromosome-Scale Genome Assembly Provides Insights into Speciation of Allotetraploid and Massive Biomass Accumulation of Elephant Grass (Pennisetum purpureumSchum.),BioRxiv online 2020, doi:https:// oi.org/10.1101/2020.02.28.970749

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Xia Z*, Liu K, Zhang S, Yu W,Zou M*, He L*,Wang W*.An ultra-high density map allowed for mapping QTL and candidate genes controlling dry latex yield in rubber tree.Industrial crops and products,2018, 120:351-356. (IF 4.19,一区)

Xia Z, Zhang S, Wen M, Lu C, Sun Y,Zou M*,Wang W*. Construction of an Ultra- high Density Genetic Linkage Map forJatropha curcasL. and Identification of QTL for Fruit Yield.Biotechnol Biofuels2018,11:3,1-10. https://doi.org/ 10.1186/s13068- 017-1004-9 (IF 5.497,一区)

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