王涛 中国农业大学 副校长

生物技术发展方向

《科学》杂志公布2014年度十大科学突破之一：基因密码家族迎接“新成员”

不像是传统的A-T、G-C配对，在美国加州实验室里有这么一种细菌，能复制第三种人造的碱基对X-Y，X-Y本身并不编码任何东西，但是它们却能够与其他ATGC四种碱基组合，从而组合编码出远比20种天然氨基酸多样的氨基酸类型。如此丰富的氨基酸种类，在牧草方面，培育品质优良、适口性更好的牧草一直我们的追求，那么我们能否将这一技术运用其中，更好地提升牧草的品质呢？这值得我们思考。

《科学》杂志公布2015年度十大科学突破之一：基因“剪刀”-CRISPR技术

作为2015年科学十大突破的榜首，CRISPR已经成为分子研究领域的一个奇迹，CRISPR技术极大地推动了科学领域的发展，通过“基因驱动”消灭害虫或是携带的疾病的梦想终成现实。目前CRISPR已经发展到能对DNA、RNA水平进行编辑，从而实现了对基因的敲除以及过表达等多种功能。

通过基因编辑，靶向作物和害虫，在DNA水平上阻断害虫对农作物的侵害，大大提高了农业生产力。CRISPR因其操作的简便性、技术的可靠性与高效性终将改变我们的生活。

《科学》杂志公布2016年度十大科学突破之一：人工设计蛋白成为可能

2016年，计算生物学家设计了一种可以准确预测设计蛋白如何折叠的计算机软件，这让科学家设计蛋白成为可能。在动物方面，设计蛋白能极大推进疫苗的生产，安全有效地对药物进行靶向运输；而用植物作为生物反应器来表达人工设计的蛋白，抗病抗虫更加精准。

牧草基因组结构研究进展

百脉根基因组研究

百脉根是豆科模式生物之一，是首个测序的豆科植物，序列注释推测有30799个蛋白编码基因，这些基因通过GO进行注释分类。Goslim分析展示了典型的“Molecular function”类和“Biological process”类。

通过将百脉根基因组和其他物种比较，发现百脉根两个较远的区域都与其他物种的单一位点有同线性。当把这些区域描绘在染色体上，显示出了大量的片段重复，很可能是由于全基因组加倍（WGD）事件。在之后的研究中证明确实在5800万年前发生了全基因组加倍。

截型苜蓿A17基因组研究

1.截型苜蓿（Medicago truncatula）和紫花苜蓿（Medicago sativa）亲缘关系近，基因组测序获得了大约94%的基因。该研究对豆科蝶形花亚科的演化提出了新的见解，包括豌豆、大豆和所有豆类的农作物。

2.豆科植物能够和根瘤菌共生固氮，这种特性部分归因于5800万年前的整个基因组的加倍。

3.共生细菌和真菌的相互作用的能力起源于一种古老的机制，该机制产生于整个基因组加倍之后，从而产生了现在苜蓿和其他豆科植物都受益的复杂关系。

截型苜蓿R108基因组研究

1、R108是距离A17较远的一个生态型，本研究通过使用第三代测序拼接技术(PacBio, Dovetail and BioNano)得到了高质量的截型苜蓿R108的基因组。

2、本研究检测R108装配结果，通过对4号和8号染色体的断点和易位点的分析，找到了22.7Mb在A17中不存在的序列。

A17（左）与R108（右）的4号和8号染色体重排示意图，绿色片段表示A17的4号染色体，蓝色片段表示A17的8号染色体，红色片段表示在A17中不存在的部分。断点1（br1）表示一个104bp的区域，包含100bp的gap，断点2（br2）表示一个7665bp的区域，包含7663bp的gap，断点3（br3）表示一个277bp的区域，包含100bp的gap。

禾本科牧草黑麦草基因组研究

1、本研究报导了禾本科牧草黑麦草的基因组序列，黑麦草是一种重要的多年生经济牧草，在温带地区广泛栽培。基因组序列为今后育种提供了资源，推动牧草新品种的出现。

2、黑麦草自交不亲和，通过结合转录组数据找到了亲和与不亲和花粉授粉在柱头上的转录本变化，揭示自交不亲和可能与花粉过敏原相关。

不亲和授粉与亲和授粉在转录组上表现出较大差异，其中许多高表达基因与花粉过敏原的识别相关。

柳枝稷基因组学研究进展

柳枝稷（Panicum virgatum L.）是一种多年生牧草，原产于北美，被看作能源植物的模式植物。有83091个基因，纤维素比例高，是一种高品质的牧草，其性状并不复杂，但为何有8万多个基因？

CRISPR技术进展

最早发现于1987年，一日本学者发现简单的回文序列。2013年，2篇基于前人的基础研究以及合成生物学思想的CRISPR/Cas9系统的相关文章同期发表在《Science》上，此后CRISPR/Cas系统迅速成为研究热点，并以其简便、高效的特点成为基因定向编辑工具的不二选择。

利用CRISPR/Cas9技术在柳枝稷对TB1基因进行编辑，能够实现增加分蘖，提高生物量。

杜邦先锋公司已将CRISPR-Cas技术运用到商业化育种中，开发出新的优质糯玉米品种，并计划5年内推向全美种植。

牧草转基因育种

紫花苜蓿的遗传转化，采用传统的将外植体切出伤口的方法仅能够使农杆菌侵染外植体的伤口部位，而采用超声波辅助农杆菌介导的遗传转化，能够使农杆菌的侵染贯穿整个外植体，大大提高遗传转化效率。

敲除SPL8基因提高紫花苜蓿生物量

与野生型紫花苜蓿相比，MsSPL8 OE植株分蘖与侧芽数目减少，而spl8突变体分蘖与侧芽数目显著增多，即生物量显著增加，第一次收割增加43%,第二次收割生增加86%，并且spl8突变体在的抗盐与抗旱能力显著提升。

异源表达 LjmiR156提高紫花苜蓿生物量

异源表达LjmiR156a 增加了紫花苜蓿茎的分枝，提高了生物量，淀粉含量显著提高。

过表达MsmiR156提高紫花苜蓿根的再生能力与根瘤数目

将紫花苜蓿MicroRNA156 (miR156)过表达载体遗传转化黄花苜蓿，与野生型材料相比较，MsmiR156OE 植株根的再生能力显著提高，根瘤数目与固氮能力显著上升。

过表达玉米的SPS基因，增加紫花苜蓿的生物量以及根瘤数

过表达玉米的SPS基因，显著提高了转基因紫花苜蓿的生物量，以及根瘤数。

构建抗除草剂抗旱抗盐植株

将Bar与CsLEA共转紫花苜蓿，获得的转基因植株与野生型紫花苜蓿相比，抗旱抗盐能力都显著提高。

构建抵抗重金属与有机污染物转基因植株

与野生型紫花苜蓿相比较，CYP2E1 与GST共转获得的转基因植株具有更强的抵抗重金属镉的能力，生长状态更好。

本实验室苜蓿抗逆结瘤机理研究

改变苜蓿异黄酮代谢流：构建了4套表达载体并转化苜蓿，结果表明，过表达CHS、CHI、IFS 3个基因的组合最好，可以协同提高苜蓿叶片异黄酮和单宁含量，改善苜蓿品质，有效预防动物胀气病。（PBJ，2015）

柳枝稷高效遗传转化体系趋于完善

应用一：调节柳枝稷细胞壁木质素含量

1、调控木质素合成通路基因；2、调控木质素合成相关转录因子。

应用二：提高柳枝稷生物量

1、提高植株分蘖数；2、增加植株高度。

应用三：提高柳枝稷抗逆性

牧草育种方向

一、主要牧草基因组结构、功能、特征；

二、重要抗逆、品质、产量关键基因挖掘与重要性状形成的分子机制解析；

三、新一代设计育种技术创新（蛋白质分子设计、CRISPR技术、转基因技术、分子标记辅助育种技术等）；

四、牧草细胞遗传学：高密度遗传连锁图谱的构建。