作物杂志, 2018, 34(6): 1-9 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2018.06.001

专题综述

美国植物种质资源保护与研究利用

黎裕, 王天宇

中国农业科学院作物科学研究所,100081,北京

Preservation and Researches on Plant Germplasm Resources in the U.S.A.

Li Yu, Wang Tianyu

Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

收稿日期: 2018-09-6   网络出版日期: 2018-12-15

基金资助: 中国农业科学院科技创新工程

Received: 2018-09-6   Online: 2018-12-15

作者简介 About authors

黎裕,研究员,从事玉米、高粱、谷子种质资源研究工作 。

摘要

美国不是作物起源中心,但却是世界上保存植物种质资源最多的国家。美国拥有较完善的植物种质资源保护体系,其法律法规、管理制度、种质资源交换与共享政策、资助体系等稳定而灵活,保存设施和信息网络建设稳步发展,在种质资源收集、鉴定评价、新基因发掘、种质创新等方面针对不同作物的需求均取得了很大成效,充分体现出种质资源的基础性和公益性特点。本文在全面评述美国植物种质资源保护与研究利用情况的基础上,对我国种质资源保护、研究和管理提出了建议。

关键词: 植物种质资源 ; 保护 ; 美国

Abstract

USA is the country which preserves the most plant germplasm resources in the world although it is not a center of origin of crop plants. Generally, USA has a good National Plant Germplasm System (NPGS), with a stable and flexible system of laws and regulations, management policies, germplasm exchange and beneficial sharing and funding system. In recent years, plant germplasm preservation facilities and information network have steadily improved, and a great progress has been made in the fields of germplasm collecting, characterization and evaluation, gene discovery and germplasm enhancement, reflecting the characteristics of basic and non-profit activities. This paper reviews the current situation of preservation and researches on plant germplasm resources in USA and renders advice to germplasm preservation, research and management in China.

Keywords: Plant germplasm resources ; Conservation ; USA

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本文引用格式

黎裕, 王天宇. 美国植物种质资源保护与研究利用[J]. 作物杂志, 2018, 34(6): 1-9 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2018.06.001

Li Yu, Wang Tianyu. Preservation and Researches on Plant Germplasm Resources in the U.S.A.[J]. Crops, 2018, 34(6): 1-9 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2018.06.001

美国不是作物起源中心,因此其在国内外的植物引种对其农业发展变得至关重要。美国的植物引种始于1862年,通过不断调整和演变,逐步形成了今天的国家植物种质资源系统(National Plant Germplasm System,NPGS)。NPGS的主要任务是,通过植物种质资源收集、保存、鉴定评价、数据库建设和种质分发,为植物育种和农业生产服务。近年来,随着全球城市化、气候变化、土地利用变化等威胁因素,遗传多样性加速降低,美国更加重视植物种质资源的保护和创新利用,NPGS在其中发挥了非常重要的作用。

1 与植物种质资源相关的法律法规

美国与植物种质资源管理有关的法律很多,植物种质资源的引进、收集、保存、评价、分发和保护都要遵守这些法律。例如,1912年植物检疫法(Plant Quarantine Act),1912年种子进口法(Seed Importation Act),1939年联邦种子法(Federal Seed Act),1970年植物品种保护法(Plant Variety Protection),1973年濒危物种法(Endangered Species Act),1990年非本土有害水生生物预防和控制法(Nonindigenous Aquatic Nuisance Prevention and Control Act)等。

1990年,美国国会将国家遗传资源计划(National Genetic Resources Program,NGRP)纳入国家公法,授权美国农业部实施NGRP,期望建立种质资源收集、鉴定、编目、保存和分发的规范运行体系。该法从机构组成、人员构成、网络建立与维护以及经费支持等方面进行了规定。植物种质资源作为该计划的主要组成部分,整个国家植物种质资源系统的管理体系都是在该法律的规定下进行运作的。

2 管理架构

国家遗传资源项目设立后,为了向NGRP主任和农业部部长提供遗传资源保护和利用重大问题的咨询和建议,1992年在华盛顿成立了国家遗传资源咨询委员会(NGRAC)。2012年,NGRAC划归国家农业研究、推广、教育和经济学咨询委员会(NAREEE)领导。NGRAC的成员构成包括9名有投票权的农业部部长指定成员、8名职权上的当然委员(包括NGRP主任与技术总师,以及能源部部长、国立卫生研究院院长、国家科技政策办公室主任、国立农业图书馆馆长、国家科学信托基金主任、农业部首席科学家或其指定代表),任期3年(可连任)。部长指定的成员中,三分之二是与NGRP相关的科学家(在植物、林木、动物、水产、昆虫、微生物方面均有代表),三分之一是与遗传资源相关的公众人物。

美国农业部和州农业试验站(SAES)共同组建了国家植物种质资源协调委员会(NPGCC),其职责是协调农业部农业研究局(USDA-ARS)、国家粮食和农业研究所(NIFA)和SAES在植物种质资源方面的政策和活动,推动NPGS在公众中更广泛的认知和理解。NPGCC由3名分别来自USDA-ARS、NIFA和SAES的成员以及来自相关方(如全国植物育种家协会和美国种子贸易协会)的代表组成。NPGCC也接受来自国家植物育种协调委员会(NBCC)的咨询意见。

同时,农业部也成立了一些关注特定地区植物种质资源的地区性技术咨询委员会(RTACs),包括位于爱荷华州的中北部地区委员会(NC7)、位于纽约州的东北部地区委员会(NE9)、位于乔治亚州的南部地区委员会(S9)和位于华盛顿州的西部地区委员会(W6)。它们与地区性植物引种站有密切关系,这4个地区的植物引种站不仅受到USDA-ARS资助,还得到跨州的地区性条件能力项目支持。例如,NPGS的马铃薯种质库也通过国家研究支撑项目(NRSP-6)得到USDA-ARS和SAES的双方资助。

作物种质资源委员会(CGC)是NPGS运行非常重要的咨询机构,其主要职能是确定特定作物种类的种质资源研发重点任务和技术范畴,评估植物种质资源考察和其他研究项目的可行性和完成情况;具体任务包括确定指定作物的入库保存种质资源的短板并提出种质交换和合作考察的建议书、确定鉴定评价的优先性状、帮助鉴定保存种质中的重复种质、帮助纠正保存种质的护照信息、为种质更新提供协助、帮助确立病原鉴定新技术、向国会和农业部以及相关人员提供指定作物的种质资源现状报告、评估构建和利用指定作物的核心种质的优势和不足等。每年的委员会年度会议为各作物种质资源的收集、保存、更新、鉴定评价、种质创新、深入研究等提供咨询,并提出项目建议书;同时,定期发布和更新其作物脆弱性声明(Crop Vulnerability Statements,CVS),重点对NPGS作物种质资源状况进行全面评估。委员会成员来自政府组织、非政府组织、USDA-ARS、大学和公司,有广泛的学科代表性和地区代表性。目前,共设立了42个作物种质资源委员会,几乎涵盖了美国所有重要作物,包括玉米、水稻、小麦、大麦、燕麦、高粱、马铃薯、甘薯、大豆、食用豆、豌豆、菜豆、豇豆、棉花、花生、十字花科作物、向日葵、甜菜、甘蔗、番茄、叶用蔬菜、葫芦、块根块茎作物、胡椒和辣椒、苹果、葡萄、山核桃、胡桃、柑橘、蔷薇科作物、梨属作物、小果作物、专用坚果作物、热带果树和坚果作物、苜蓿、三叶草、牧草和草坪草、烟草、草本观赏植物、木本景观植物、药用植物、新作物。详细信息可见http://www.ars-grin.gov/npgs/cgcweb.html

美国国家植物种质资源系统(NPGS)由USDA-ARS负责管理。其核心组成单位包括遗传资源保护国家中心(NCGRP,又名国家遗传资源保护实验室NLGRP)、国家种质资源实验室(NGRL)、若干保存种子的种质库和保存营养繁殖作物种质资源的种质圃。

NPGS的运转经费主要来源于国会指定拨款(不需每年申请),地区性条件能力项目(Regional Capacity Funded)也对其有经费支持。NPGS与公共部门和私有部门有密切合作关系,如很多NPGS种质库(圃)坐落在州立大学内,大学提供实验室、办公室、温室和大田设施以及技术支撑人员。私有部门则是NPGS保存的种质资源的主要用户,也是培育植物新品种的主要渠道。

3 种质资源保护情况

3.1 保存单位和种质资源保存数量

美国植物遗传资源系统的种质资源保存单位分几种类型。第一类是国家种质库,包括遗传资源保护国家中心,其中的国家种子保存实验室是种质资源长期保存机构,植物品种保护库保存全国拥有专利的品种;第二类是地区植物引种站,包括中北部、东北部和西部3个引种站,以前的南方地区植物引种站现已更名,主要负责该地区多种作物的种质资源保存及其他工作;第三类是无性繁殖作物种质圃,主要包括综合性的果树种质圃;第四类是其他特定作物种类的种质库(圃),保存有地方品种、野生种、遗传材料等。地区引种站以及各类作物的种质库或遗传材料保存中心负责特定作物或遗传材料的收集、引进、评价、保存、分发和创新,相当于我国的中期库或种质圃。此外,国家种质资源实验室负责作物种质资源的考察和引进,也负责全美国植物种质资源信息系统的建设和管理,其中的植物种质资源检疫项目也保存有少部分材料,待检疫合格后将送至指定种质库(圃)。

美国的19个主要保存单位见表1。其中,国家小粒禾谷类作物种质库保存数量最多,占全国保存总数的25%;西部地区植物引种站和植物遗传资源保护部(原南方地区植物引种站)次之,各占大约17%。截至2018年8月底,NPGS共保存了242个科2 543个属15 835个种593 614份材料,居世界第一位(https://www.ars-grin.gov/npgs/collections.html)。其中,3个地区植物引种站、植物遗传资源保护部、国家小粒禾谷类作物种质库、大豆种质库、棉花种质库等主要以种子形式在4℃和-18℃下保存种质资源,主要开展种质更新、编目、鉴定评价和分发工作。种质圃则保存和分发营养繁殖作物种质资源,主要以种植在田间、温室或在离体库中的形式保存,部分种质资源也以种子的形式加以保存和分发。据初步统计,来自美国国内的种质资源数量约占库存种质的28%。

表1   美国植物种质资源系统的种质库和种质圃保存情况(截至2018年8月)

Table 1  Status of germplasm preservation in NPGS (up to Aug. 2018)

基因库名称
Name of genebanks
依托单位和地点
Supporting unit and location
保存植物种类
Kind of plants preserved
保存份数
Number of
accessions
遗传资源保护国家中心
National Center for Genetic Resources Preservation
USDA-ARS,科罗拉多州Fort Collins多种作物11 741
植物品种保护库
Plant Variety Protection Voucher Collection
USDA-ARS遗传资源保护国家中心,科罗拉多州Fort Collins多种作物7 980
植物种质资源检疫项目
Plant Germplasm Quarantine Program
USDA-ARS,马里兰州Beltsville多种作物949
植物遗传资源保护部(原南部地区植物引种站)
Plant Genetic Resources Conservation Unit
USDA-ARS,乔治亚州Griffin高粱、甘薯、花生、豇豆、绿豆、甜瓜、辣椒、亚热带和热带食用豆作物、温季牧草等101 182
中北部地区植物引种站
North Central Regional PI Station
USDA-ARS,衣阿华州立大学Ames玉米、油用芸薹属植物、瓜类作物、草木樨、籽粒苋、向日葵、粟类作物、胡萝卜、亚麻54 785
东北部地区植物引种站
Northeast Regional PI Station
USDA-ARS植物遗传资源部,纽约州Geneva番茄、蔬菜类芸薹属作物、洋葱、苹果、葡萄、酸樱桃12 695
西部地区植物引种站
Western Regional PI Station
USDA-ARS,华盛顿州立大学Pullman,还在该州Prosser建立了国立温带豆科牧草遗传资源部菜豆、豌豆、蚕豆、鹰嘴豆、洋葱、莴苣、
苜蓿、甜菜、红花,还包括冷季和温带牧草、园艺作物、药用作物等
101 465

国家小粒禾谷类作物种质库
National Small Grains Collection
USDA-ARS,爱达荷州Aberdeen小麦、大麦、燕麦、水稻、黑麦、小黑麦地方品种及其野生近缘种,还包括小麦遗传材料、超过2000份的大麦非整倍体等遗传材料146 409
玉米遗传材料中心Maize Genetic Stock CenterUSDA-ARS植物生理和遗传研究部,伊利诺伊大学University of Illinois,Urbana玉米遗传材料8 127
水稻遗传材料中心Rice Genetic Stock CenterUSDA-ARS Dale Bumpers国家水稻研究中心,阿肯色州Stuttgart水稻遗传材料37 809
大豆种质库Soybean CollectionUSDA-ARS,伊利诺伊州Urbana大豆地方品种、野生种22 498
马铃薯种质资源引种站
Potato Germplasm Introduction Station
USDA-ARS,威斯康星州Sturgeon Bay马铃薯5 767
豌豆遗传材料库Pea Genetic Stock CollectionUSDA-ARS,华盛顿州立大学Pullman豌豆、冷季食用豆712
沙漠豆科植物项目Desert Legume Program亚利桑那大学The University of Arizona,Tucson沙漠豆科植物2 608
C.M. Rick番茄遗传资源中心
Tomato Genetic Resources Center
加州大学戴维斯分校University of California,Davis番茄地方品种、野生种、突变体、导入系材料等3 795
棉花种质库Cotton CollectionUSDA-ARS作物种质资源研究实验室,德克萨斯州College Station棉花地方品种、野生种9 798
烟草种质库
US Nicotiana Germplasm Collection
北卡罗莱纳州立大学Raleigh烟草地方品种、野生种,62个种2 226
国家种质圃Brownwood分圃
National Germplasm Repository-Brownwood
USDA-ARS,德克萨斯州Somerville美洲山核桃、山胡桃、栗4 066
国家种质圃Corvallis分圃
National Germplasm Repository-Corvallis
USDA-ARS,俄勒冈州Corvallis梨、草莓、木莓、黑莓、蓝莓等温带果树和坚果作物,以及啤酒花等专用作物12 571
国家种质圃Davis分圃
National Germplasm Repository-Davis
USDA-ARS,加州大学Davis分校University of California,Davis葡萄、核果类作物、胡桃、杏、橄榄、阿月浑子、无花果、柿、桑、猕猴桃、石榴等8 747
基因库名称
Name of genebanks
依托单位和地点
Supporting unit and location
保存植物种类
Kind of plants preserved
保存份数
Number of
accessions
国家种质圃Geneva分圃
National Germplasm Repository-Geneva
USDA-ARS,纽约州农业试验站Geneva苹果、葡萄、酸樱桃7 612
国家种质圃Hilo分圃
National Germplasm Repository-Hilo
USDA-ARS,夏威夷州Hilo昆士兰果、凤梨、番木瓜、荔枝、木菠萝、杨桃、番石榴、西番莲、红毛丹、面包树等热带果树和坚果作物851
国家种质圃Mayaguez分圃
National Germplasm Repository-Mayaguez
USDA-ARS热带农业研究站,波多黎各Mayaguez香蕉、可可、热带果树1 167
国家种质圃Miami分圃
National Germplasm Repository-Miami
USDA-ARS,佛罗里达Miami甘蔗、芒果和鳄梨等亚热带果树和坚果作物、观赏植物3 327
国家种质圃Riverside分圃
National Germplasm Repository-Riverside
USDA-ARS,加利福尼亚州Riverside柑橘及其他芸香科植物、海枣及相关种1 801
观赏植物种质资源中心
Ornamental Plant Germplasm Center
俄亥俄州立大学Columbus主要是秋海棠、金鸡菊、百合、草夹竹桃、金光菊、堇菜6个属的草本观赏植物,超过200个属5 456
国立干旱陆地植物遗传资源部
National Arid Land Plant Genetic Resources Unit
USDA-ARS,加利福尼亚州Parlier不仅包括非冬季大麦和小麦、野生向日葵、红花、榛子等,还包括一些新型经济作物(如仙人掌果、泡泡白花草、银胶菊、希蒙得木等),在干旱贫瘠土壤上潜在经济作物(Hesperaloe),以及干旱地区土壤保持作物
(Atriplex,Bassia and Yucca),13个属126个种
1 499
种子国家实验室(National Seed Laboratory)林木实验室乔治亚州Dry Branch林木7 628
国家植物园National Arboretum马里兰州Beltsville木本景观植物8 343

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在科罗拉多州Fort Collins建立的遗传资源保护国家中心(又名国家遗传资源保护实验室)的国家种子保存实验室是针对美国全国的植物种质资源长期保存单位(相当于我国的长期库和复份库),其种子来自各地区植物引种站和特定作物种质库(圃)。顽拗型种子保存在-18℃或超低温环境下;营养繁殖体用休眠芽或茎尖保存在液氮中。同时,应用标准的发芽检测方法定期监测保存种子的活力,在种子量不够或发芽率降低到约60%以下,则需要繁殖更新。截至2017年2月,NLGRP长期保存了NPGS的566 345份种质和非NPGS的324 507份种质,覆盖1 893个属9 279个种;此外,445 722份NPGS种质还得到了安全备份保存,其中无性繁殖作物种质资源的14%、种子繁殖作物种质资源的85%得到备份保存。此外,加拿大植物基因资源中心也把其约1 000份种质资源备份保存在美国遗传资源保护国家中心。

国家遗传资源保护实验室(NLGRP)的主要任务之一是开发各种技术方法以保障15 000多个栽培和野生种种质资源的安全保存。2019-2023年的计划目标:一是针对种子低温保存方式,修订现有保存标准,评估种子寿命变异情况,开发评测早期衰老效应的技术方法;二是针对超低温保存方式,提高干燥繁殖体超低温保存有效性和效率,提高水合繁殖体超低温保存和恢复的有效性,开发鉴定内生植物的有效方法;三是探索利用基因组数据进行植物种质资源管理的效率和有效性,包括数据采集和分析、样品鉴定和环境对基因组多样性的影响评估等;四是开发作物野生近缘种收集、保存和利用的新方法。

3.2 技术支撑部门

美国农业部在马里兰州Beltsville建有国家种质资源实验室(National Germplasm Resources Laboratory,NGRL),负责整个NPGS的检疫、信息系统、国际交换、植物学分类、考察收集的总体技术支撑。其中信息系统建设、种质资源交换与进出口检疫在植物种质资源系统运行中发挥着重要作用。此外,国家种质资源实验室还是全国42个分作物种质资源委员会的协调机构,负责年会组织和报告提交。

NGRP所有信息放在种质资源信息网络(GRIN)中,包括植物、动物、微生物种质资源信息。GRIN数据库由位于马里兰州Beltsville的数据库管理部(DBMU)管理。该部门的主要职责是对与种质资源有关的所有信息进行数据输入、处理、查询等,开发和维护用于种质资源信息采集与传播的自动化数据处理系统,通过提高准确的分类学、护照、地理、评价、编目和合作者信息,满足用户的多元化需求。同时,该部门还给NGRL和NGRP国家项目工作人员提供数据加工方面的技术支持。GRIN的其他功能还包括使NPGS成员单位相对独立的网站互联互通,为全世界用户提供方便快捷的资源信息查询功能,并且可通过GRIN提交申请并得到回复。近年来,该部门还负责与国外合作开发信息系统GRIN-Global,该系统采用.NET框架和Visual Studio开发工具,也利用商业和开源编程工具,使不同开发人员可在本地储存数据和开发应用软件,且不需支出许可费。国际组织BIOVERSITY将在全球伙伴国推广应用GRIN-Global系统,其语言拓展到阿拉伯语、法语、俄语和西班牙语。目前,GRIN-Global系统已被8个国际和国家基因库采用。

植物种质资源的进出口由位于马里兰州Beltsville的植物交换办公室(PEO)管理。该办公室的主要任务是科学确定美国种质资源需求重点,实施种质资源的国内外交换,组织参与国内外种质资源考察,提出作物及其野生近缘种的原生境保护项目。目前,植物交换办公室下设两个项目,一是植物考察项目,另一个是植物分类研究项目。植物考察项目负责组织协调全国力量开展国内外考察收集活动,具体工作包括制定和发布申报指南、为考察规划和执行提供指导、评估申报书、安排资助等,还负责就种质资源获取和利益共享等条款与国外机构谈判、与美国农业部动植物检疫局(APHIS)协调种质资源进口,跟踪考察项目结题(包括提交总结报告和种质资源)。植物分类研究项目由专业植物分类学家负责,具体工作包括对新收集的和已保存的种质资源开展植物学分类,并且跟踪评估最新的分类学文献,及时更新现有分类系统及命名,特别是研发作物野生近缘种分类体系,同时在GRIN系统中更新。

植物病害研究部(PDRU)也设在马里兰州Beltsville,主要针对侵染重要种质资源的病原开展生物学研究,包括病因学、检测和灭除技术等,为美国农业部植物检疫项目和植物种质资源的安全引进提供技术支撑。其任务还包括协调美国国土安全部海关和动植物检疫局,提供NPGS种质资源进出口检疫证书和合法货运。

4 种质资源考察与收集

美国是本土植物种质资源相对缺乏的国家,因此种质资源考察与收集显得十分重要。美国自1897年以来开始收集他国遗传资源,为此成立了国家生物资源调查局(NBS),负责搜集和监测世界各地的生物资源,共派出专业考察队赴世界各地收集遗传资源超过300余次。

种质资源管理者和CGC确定特定作物种质资源的收集空白后,USDA-ARS会给植物种质资源的国内外考察收集提供必要的资助。针对美国国内的植物考察,要求遵守所有联邦、州和地方法规。在美国之外开展考察收集活动时,要求遵守《NPGS外国植物考察行动守则》和所在国种质资源相关法规以及考察许可[1]。收集到的种质资源将与所在国分享,并通过植物检疫后,在指定作物种质资源保存单位进行保存和分发。

美国的植物种质资源考察收集成效十分显著,目前已拥有各类植物遗传资源59万份,其中约72%来自国外收集,使其从一个农作物遗传资源贫乏国家成为世界农作物遗传资源第一大国。以2016年为例,美国实施了12个资源考察和交换项目,在越南、西班牙、格鲁吉亚、美国等收集到胡萝卜、洋葱、小果树、猕猴桃、梣属、肯塔基咖啡、观赏植物,以及向日葵、苹果、菜豆和马铃薯的野生种等重要种质资源。

5 种质资源鉴定评价

5.1 核心种质

由于种质库(圃)中保存的种质资源数量巨大,难以把全部资源用于鉴定评价,因此Brown[2]建议以种质资源总数的10%左右(具有最小的重复性和绝大多数等位基因多样性)来构建核心种质。Sharma等[3]提出以种质资源总数的1%左右来构建微核心种质。

美国构建核心种质的情况因作物而异。根据GRIN-Global的数据,目前美国构建了45种作物的核心种质,甚至针对有些特定物种还构建有核心种质或微核心种质[4]。目前,核心种质的利用越来越多,如苹果和其他一些果树的核心种质分发到全国多个地点,在田间种植状态下进行鉴定评价和创新利用[5]

5.2 鉴定评价

5.2.1 重要性状鉴定评价 通过种质资源重要性状鉴定评价筛选出的优异种质资源在育种上得到利用的案例很多。例如,美国实施了拉丁美洲玉米项目(Latin American Maize Project,LAMP),与10个拉丁美洲国家合作,评价每个国家的玉米种质资源,并免费向所有用户提供信息;该项目中,公益性单位用户和私有化单位用户均有参与。此外,在玉米上还建立了针对具体性状如抗欧洲玉米螟的鉴定评价协作网,通过这种协作网向基础研究的科研人员或公司提供单一性状优良的种质资源。

俄罗斯麦蚜于1986年在美国首次发现后,迅速成为西部大平原的小麦主要害虫,通过大规模鉴定评价,发现收集于前苏联的小麦种质PI 372129(Turcikum 57)具有高水平抗性[6],然后用此种质很快培育出第一个抗蚜小麦品种Halt[7],后续还培育出系列抗蚜品种在生产上应用。2004年出现新的俄罗斯麦蚜新生物型后,又通过开展广泛鉴定,筛选出10份小麦种质具有抗性,它们大多来自中亚地区[8],这些材料也已被育种利用。

番茄晚疫病是一种严重病害,研究人员从1971年收集于秘鲁的番茄野生种Solanum pimpinellifo-lium的材料PI 365957中找到了该抗源,并把抗性基因Ph-3进行了作图,现在美国番茄公共项目中均用到了这份种质及其抗性分子标记[9]

5.2.2 基因型鉴定 基因型鉴定是充分认识和利用种质资源的重要基础。一般来说,基因型鉴定可分为针对单个基因或单个基因组区域的基因型鉴定和全基因组水平的基因型鉴定,前者是经典的等位基因多样性的发掘手段,后者则有助于系统认识遗传多样性与演化以及阐明基因型与表型之间的复杂关系。近年来,随着DNA测序技术的飞速发展,特别是成本的急剧降低和生物信息学方法的进步,种质资源的重测序已成为一项主流的全基因组基因型鉴定技术方法。即便针对那些基因组较大的物种,也可以用简化基因组测序或利用高密度的单核苷酸多态性(SNP)芯片的方法来开展全基因组水平的基因型鉴定[10]。最近开发出的针对重复序列的rAmpSeq[11]和针对低拷贝序列的AmpSeq[12]基因型鉴定技术对于海量种质资源的大规模基因型鉴定也有应用价值。

例如,美国中北部植物引种站与康奈尔大学合作,利用简化基因组测序技术(GBS)对保存的2 815份玉米自交系(包括来自全球育种项目的材料)进行了全基因组水平的基因型鉴定,发现一半以上的SNP均是稀有等位基因,这些自交系材料聚类清晰,3个主要亚群之间的分化程度处于中等水平,连锁不平衡衰退非常快,但其程度与种质群和基因组区域有关[13]

NPGS保存的大豆种质资源包括18 480份栽培大豆和1 168份野生大豆材料,来自84个国家。科学家们用SoySNP50K BeadChip对这些材料进行了全基因组水平的基因型鉴定,发现具有不同地理来源的大豆材料往往有不同的遗传背景;连锁不平衡和单倍型结构分析表明,从野生大豆到地方品种再到北美栽培品种的遗传多样性急剧降低[14]

6 种质创新

种质创新(germplasm enhancement)又称为前育种(prebreeding),是指针对那些不能在育种中直接利用的不适应资源,开展性状与基因鉴定,并将目标性状转到育种家能用的中间材料中[15]。本质上,种质创新就是提升种质资源可利用性的过程。一般来说,种质创新常常需要把野生种或不适应种质与适应品种进行杂交,然后通过回交或轮回选择,创制出“育种中好用,育种家想用”的新种质[16]

其典型案例是美国的玉米种质改良计划(Germplasm Enhancement of Maize,GEM)。该计划由全国各玉米育种单位自愿参加,但已成为科企合作的典范。首先选择合适的材料(主要是来自拉丁美洲玉米项目的热带核心地方品种),送交各合作者,要求与他们自己的优良自交系杂交。为了保证信息的安全性,合作者的代号及合作者的自交系的代号将严格保密。获得的杂交组合可用于特定性状分析、抗病性研究、产量测试等。杂交组合的种子只在合作者中间可以发放,但数据资料是完全公开的。此后,该杂交组合寄送另一个合作者,并要求利用其相同杂种优势群中的优良自交系作第二次杂交,以保持杂种优势潜力。这样,获得的组合(“三交”)在遗传上含有25%的原材料血缘,25%的第一个合作者的品系血缘,50%的第二个合作者的品系血缘。在产量测试后,选择好的杂交组合用于自交和综合种品系的培育。然后,这些综合种返回中期库保存,并向全国各育种单位分发其种子。该项目中,各合作者将不使用项目经费,而且必须承诺对玉米种质改良计划投入一定研究力量及物力,必须同意把他们自己的种质加入到全国种质改良计划中。近年来,GEM又开始用优良地方品种进行株系纯合,培育加倍单倍体(DH)系。迄今为止,GEM项目已发放300余个创新系、200余份DH系[17]

美国和加拿大大豆改良合作项目(the United States and Canadian Co-operative Soybean Improvement Project)也是一个范例。该项目于1977年启动。每年向20名公共部门育种家和20名私有部门育种家提供50份已初选出的优异种质,经在不同环境条件下进行农艺性状鉴定评价后,选出25份材料在第二个地点进行产量评价。第三年,把再次遴选出的6份材料在更多的地点进行产量鉴定。这样,每年获得的好材料进入种质创新阶段,创新出的种质再进入品系评价体系,但要求每份创新种质至少含有25%的外来血缘,并且有3个以上重复的田间数据。这些材料和鉴定评价数据对参加项目的合作者来说均是免费使用的。其他非项目合作者也可索取这些材料。迄今为止,美国10 000多份大豆材料几乎都进入了该项目进行共享利用。

作物野生近缘种是未来育种主要的优异等位基因来源,特别是在抗病虫、抗逆等方面有重要应用价值[18]。由于杂交困难和连锁累赘等原因,育种家往往不愿直接利用野生近缘种。为了提高野生近缘种的可利用性,作物信托基金(the Crop Trust,原全球作物多样性信托基金)启动了约20个前育种项目,开展重要育种性状鉴定和种质创新。比较成功的范例是在马铃薯、小麦上。例如,USDA-ARS科学家把二倍体的山羊草(Aegilops tauschii)与四倍体的圆锥小麦(Triticum turgidum)或T. dicoccoides杂交,通过胚拯救和染色体加倍,创制出具有高水平抗病虫特性、强大根系和抗逆性的六倍体合成小麦,后者与六倍体普通小麦没有生殖隔离,育种应用潜力巨大[19]

7 美国的植物遗传资源分发政策

美国植物种质资源名录设计比较全面,有些品种尽管不对外共享,但在名录中都可以查询到;有些资源正在注册或检疫过程中,在名录中也可以查询到。查询结果主要包括PI号、名称和标识符、知识产权情况、是否可以对外共享、历史渊源、系谱等。

美国植物遗传资源分发总体宽松。如可无限制地免费向国内用户提供种质资源,但要求返回使用的基本信息;可有限制地免费向国外用户提供,但必须签订“标准材料转移协议”(Standard Material Transfer Agreement,SMTA)。不同的植物种质资源保存单位针对不同种类的植物种质资源可能有不同的分发管理办法。

但美国植物遗传资源分发往往也带有一定的要求或条件,以位于太平洋盆地农业研究中心的热带植物遗传资源和病害研究部为例,要求在市场上买不到的情况下才提供少量材料,每次最多提供10份材料;只接受申请人每年最多1次申请(直接联系或在GRIN网上申请均可);美国以外的申请需要申请国农业部门有效的英文版进口许可,且在许可中不能要求进行化学处理,美国农业部植物检疫部门(USDA,APHIS)要求每份申请支付一定的检疫费用(但对科研单位可免费);如需快递则需要申请方支付费用;在利用其种质材料发表论文时需注明来源;研究或鉴定评价结果需返回信息,以便把信息加入GRIN中。

据统计,美国NPGS每年向国内外分发约25万份种质资源,包括种子、插枝、接穗枝、其他营养繁殖体、DNA、叶片、果实、花粉、离体培养物等[20]

8 种质资源国际合作

为了获得广泛来源的种质资源,美国开展了广泛的国际合作,特别是在种质资源考察收集方面。如2014-2018年,国家种质圃Corvallis分圃与越南合作,在越南收集木莓和黑莓等悬钩子属作物和草莓属等近缘植物、蓝莓等越橘属作物和树萝卜属等近缘植物、梨、山核桃、梨果树等。

2017年美国正式成为《粮食和农业植物遗传资源国际条约》(International Treaty on Plant Genetic Resources for Food and Agriculture,ITPGR)成员国。因此,美国将其基因库保存的大量种质资源置于条约的多边系统下,以方便种质资源使用,通过签订SMTA,确保公平公正的惠益分享。随着美国的加入,条约的缔约方已达143个。

为了支持全球植物种质资源的永久保存和基因库管理,国际非盈利组织作物信托基金(the Crop Trust)不仅给CGIAR系统国际农业研究中心的11个全球基因库提供经费支持,而且与“粮食和农业植物遗传资源国际条约”建立了密切合作关系。美国NPGS与作物信托基金合作,开发GRIN-Global植物基因库管理软件、参与DivSeek项目、保护作物野生近缘种、给Svalbard全球种子库提供材料、给Genesys在线系统提供数据、开发冷藏和超低温保存技术等[21]

9 借鉴与启示

9.1 完善我国农作物种质资源管理体系

我国高度重视种质资源保护与利用的立法工作,已陆续制定了包括《种子法》、《农作物种质资源管理办法》、《野生植物保护条例》等在内的一系列相关法律法规和规章制度。同时,在各级政府的大力支持下,我国创建了世界上唯一的长期库、复份库、中期库、种质圃、原生境保护点相配套的种质保存完整体系,长期库保存数量达到世界第二位。但是,我国的农作物种质资源管理较为松散,尚未形成完善的、统一的管理体系。

对照较为完善的美国植物种质资源管理体系,我国的种质资源管理应体系化和常规化。建议在我国成立类似美国国家种质资源实验室的国家农作物种质资源中心,负责统一协调全国的农作物种质资源工作,包括对种质资源考察收集、国际交换与检疫、信息系统维护与共享等提供总体技术支撑;重新激活与发挥国家农作物种质资源委员会的作用,按作物种类成立种质资源专家委员会,理顺管理部门、机构和各国家资源库(圃)依托单位的关系,形成全国农作物种质资源统一管理的体系;建立国家资源库(圃)认定、挂牌和考核机制,对国家资源库(圃)给予固定运行费支持;改变目前保种专项工作内容死板的做法,建议由各作物种质资源专家委员会提出建议书;强制国外引进种质向国家资源库(圃)交存;以中国农作物种质资源信息系统为基础,建立全国性的作物种质资源管理、研发和共享的大数据平台,构建联通各国家库(圃)、原生境保护点、鉴定评价中心等网点的全国性作物种质资源数据信息网络,开展作物遗传资源的信息化管理和共享利用。

9.2 强化种质创新

多年来,我国在农作物种质创新方面取得了重要成就,并且发展出了一系列更符合我国实际情况的创新模式。然而,近年来的种质创新再没有“野败”“矮孟牛”“繁六”“黄早四”时期的辉煌,其重要原因之一是现行科研管理体制和考核机制往往要求为期较短的时间内必须出突破性的新种质。

因此,必须强化种质创新是长期性、公益性、基础性工作的观念,在国家层面实施长期性的种质创新计划,其目标是在中长期内逐步产生能引领未来育种的种质创新成果。种质创新的主要途径是染色体工程、细胞工程、分子标记辅助选择、全基因组选择、基因编辑等高新技术与常规技术有机结合,广泛利用农作物地方品种、野生近缘种,以及过期的专利品种等,创制“育种中好用,育种家想用”的新种质,为新时期的农作物育种提供材料和技术支撑。

9.3 加强种质资源国际交流

我国是世界八大作物起源中心之一,但很多重要农作物的起源地并不在我国,其中包括小麦、玉米、马铃薯、甘薯、棉花、甘蔗等。因此,从国外引进种质资源对我国农作物育种和农业发展十分必要。事实上,我国每年从世界各地引进了大量作物种质资源,也向国外提供了许多种质资源。但由于国际环境的变化,目前国内外的种质资源引进越来越困难,共享交换将成为今后主要的渠道。

因此,建议积极参加相关条约或协定谈判以及规则制定,增加国际话语权,就是否加入《粮食和农业植物遗传资源国际条约》加快研究,并适时加入该条约,创造互惠互利、合作共赢的农作物种质资源交流的良好国际合作环境;建议种质资源分类管理,重点加强我国非原生农作物种质资源的国际交换;建设覆盖全国的引种基地和隔离检疫设施,规范农作物种质资源的国外引种。

The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。

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The narrow genetic base of cultivars coupled with low utilization of genetic resources are the major factors limiting grain legume production and productivity globally. Exploitation of new and diverse sources of variation is needed for the genetic enhancement of grain legumes. Wild relatives with enhanced levels of resistance/tolerance to multiple stresses provide important sources of genetic diversity for crop improvement. However, their exploitation for cultivar improvement is limited by cross-incompatibility barriers and linkage drags. Pre-breeding provides a unique opportunity, through the introgression of desirable genes from wild germplasm into genetic backgrounds readily used by the breeders with minimum linkage drag, to overcome this. Pre-breeding activities using promising landraces, wild relatives, and popular cultivars have been initiated at International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics (ICRISAT) to develop new gene pools in chickpea, pigeonpea, and groundnut with a high frequency of useful genes, wider adaptability, and a broad genetic base. The availability of molecular markers will greatly assist in reducing linkage drags and increasing the efficiency of introgression in pre-breeding programs.

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We estimate the minimum core size necessary to maximally represent a portion of the U.S. Department of Agriculture's National Plant Germplasm System apple (Malus) collection. We have identified a subset of Malus sieversii individuals that complements the previously published core subsets for two collection sites within Kazakhstan. We compared the size and composition of this complementary subse...

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Simple sequence repeats (SSRs) were used to assess genetic diversity and study genetic relatedness in a large collection of Malus germplasm. A total of 164 accessions from the Malus core collection, maintained at the University of Illinois, were genotyped using apple SSR markers. Each of the accessions was genotyped using a single robust SSR marker from each of the 17 different linkage groups in Malus . Data were subjected to principal component analysis, and a dendrogram was constructed to establish genetic relatedness. As expected, this diverse core collection showed high allelic diversity; moreover, this allelic diversity was higher than that previously reported. Cluster analysis revealed the presence of four distinct clusters of accessions in this collection.

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Abstract released cultivars, breeding and genetics programs have also focused attention on other resistance sources in The Russian wheat aphid (Diuraphis noxia (Mordvilko), RWA) efforts to broaden the resistance base. These efforts were used as susceptible checks while the germplasm line 94M370 (Dn7 resistance gene) was used as a resistant check. Evaluation of Porter, USDA-ARS, 2004, personal communication) has accessions showing at least a moderate level of resistance in unrepli- spread to other areas of Colorado (unpublished data, cated tests was repeated with three replications in a randomized com- 2004) and has been identified in collections from neigh- plete block design. Forty-four germplasm accessions were identified boringstates(e.g.,KansasandNebraska;J.Burd,USDA- as having high to moderate levels of resistance to Biotype 2 RWA. ARS, 2004, personal communication). The identifica- Most of these accessions originated from areas of the world where tion and rapid spread of this new biotype is of great RWA is endemic or were derived from germplasm accessions that concern because no Biotype 2 resistant cultivars or ger- originated from these areas. Ten accessions showed a level of resis- mplasm sources are currently available for resistance tance comparable with the 94M370 check. These accessions should breeding (Haley et al., 2004a), with the exception of the prove useful in future genetic studies and for breeding for resistance 94M370 germplasm accession that carries the Dn7 gene.

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Marker-assisted selection (MAS) is often employed in crop breeding programs to accelerate and enhance cultivar development, via selection during the juvenile phase and parental selection prior to crossing. Next-generation sequencing and its derivative technologies have been used for genome-wide molecular marker discovery. To bridge the gap between marker development and MAS implementation, this study developed a novel practical strategy with a semi-automated pipeline that incorporates trait-associated single nucleotide polymorphism marker discovery, low-cost genotyping through amplicon sequencing (AmpSeq) and decision making. The results document the development of a MAS package derived from genotyping-by-sequencing using three traits (flower sex, disease resistance and acylated anthocyanins) in grapevine breeding. The vast majority of sequence reads (8299%) were from the targeted regions. Across 380 individuals and up to 31 amplicons sequenced in each lane of MiSeq data, most amplicons (83 to 87%) had <10% missing data, and read depth had a median of 220–244×. Several strengths of the AmpSeq platform that make this approach of broad interest in diverse crop species include accuracy, flexibility, speed, high-throughput, low-cost and easily automated analysis.

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Genotyping by sequencing, a new low-cost, high-throughput sequencing technology was used to genotype 2,815 maize inbred accessions, preserved mostly at the National Plant Germplasm System in the USA. The collection includes inbred lines from breeding programs all over the world. The method produced 681,257 single-nucleotide polymorphism (SNP) markers distributed across the entire genome, with the ability to detect rare alleles at high confidence levels. More than half of the SNPs in the collection are rare. Although most rare alleles have been incorporated into public temperate breeding programs, only a modest amount of the available diversity is present in the commercial germplasm. Analysis of genetic distances shows population stratification, including a small number of large clusters centered on key lines. Nevertheless, an average fixation index of 0.06 indicates moderate differentiation between the three major maize subpopulations. Linkage disequilibrium (LD) decays very rapidly, but the extent of LD is highly dependent on the particular group of germplasm and region of the genome. The utility of these data for performing genome-wide association studies was tested with two simply inherited traits and one complex trait. We identified trait associations at SNPs very close to known candidate genes for kernel color, sweet corn, and flowering time; however, results suggest that more SNPs are needed to better explore the genetic architecture of complex traits. The genotypic information described here allows this publicly available panel to be exploited by researchers facing the challenges of sustainable agriculture through better knowledge of the nature of genetic diversity.

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Incorporation of genetic diversity into elite wheat (Triticum aestivum L., 2n = 6x = 42, AABBDD) cultivars has long been recognized as ameans of improving wheat productivity and securing global wheat supply. Synthetic hexaploid wheat (SHW) genotypes recreated from its two progenitor species, the tetraploid, Triticum turgidum (2n = 4x = 28, AABB) and its diploid wild relative, Aegilops tauschii (2n = 2x = 14, DD) are a useful resource of newgenes for hexaploidwheat improvement. These include many productivity traits such as abiotic (drought, heat, salinity/sodicity, and waterlogging) and biotic (rusts, septoria, barley yellow dwarf virus (BYDV), crownrot, tanspot, spot blotch, nematodes,powderymildew, and fusarium head blight) stress resistance/tolerances as well as novel grain quality traits. Numerous SHWs have been produced globally by various institutions including CIMMYT-Mexico, ICARDA-Syria, Department of Primary Industries (DPI), Victoria-Australia, IPK-Germany, Kyoto University-Japan, and USDAARS. This review examines the varied aspects in the utilization of synthetics for wheat improvement including the traits and genes identified, mapped, and transferred to common wheat. It has also been demonstrated that synthetic backcross-derived lines (SBLs, i.e., when SHW is crossed to adapted local bread varieties) show significant yield increases and thus, enhanced yield performance across a diverse range of environments, demonstrating their potential for improving wheat productivity worldwide. This is particularly evident in moisturelimited environments. The use of SBLs, advanced backcross QTL analysis, chromosome introgression lines, and whole genome association mapping is contributing to the elucidation of the genetic architecture of some of the traits. The contribution of transgressive segregation to enhanced phenotypes and the mechanisms including its genetic and physiological basis are yet to be elucidated. Understanding these would further enhance the utility of SBLs. Considerable progress has beenmade in the identification of useful quantitative trait loci (QTL) and genes, however the transfer of such rich genetic diversity into elite wheat cultivars is still quite limited. Gaps still exist in data cataloging; and access to such information could serve as an important community resource. Future production of new SHWshould extend to under-exploited AB genome tetraploids such as T. turgidum ssp. carthlicum, T. turgidum ssp. dicoccum, and T. turgidum ssp. dicoccoides and identifying gaps in the Ae. tauschii germplasm used for existing SHW. Identifying geographical areas where the progenitor species of the existing SHWwere collectedwould assist in guiding future collectionmissions.The recent advances in molecular technologies with whole genome sequencing becoming affordable will provide researchers with opportunities for more detailed analysis of traits and the deployment of more efficient strategies in the use of the unique exotic alleles derived from SHW for common wheat improvement. Thus, the contribution of SHWand the derived SBLs to wheat cropping systems worldwide is likely to grow in significance. However, these potential benefits are only realizable if phenotyping is equally extensive and effective. 漏 2013 Wiley-Blackwell. Published 2013 by John Wiley and Sons, Inc.

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