甘肅課題申報書一、封面內(nèi)容

項目名稱：甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)與分子設(shè)計育種關(guān)鍵技術(shù)研究

申請人姓名及聯(lián)系方式：張明，E-ml:zhangming@

所屬單位：甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所

申報日期：2023年10月26日

項目類別：應(yīng)用研究

二．項目摘要

本項目聚焦甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源的保護(hù)與分子設(shè)計育種關(guān)鍵技術(shù)，以提升當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)競爭力為目標(biāo)，開展系統(tǒng)性研究。項目以甘肅省內(nèi)主要特色農(nóng)作物（如蘭州百合、慶陽小雜糧、張掖洋蔥等）為研究對象，首先構(gòu)建種質(zhì)資源數(shù)字化保存體系，利用高通量測序技術(shù)解析核心種質(zhì)資源的基因組結(jié)構(gòu)，鑒定關(guān)鍵功能基因。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合與生物信息學(xué)方法，建立分子設(shè)計育種模型，重點(diǎn)攻關(guān)抗逆性、產(chǎn)量及品質(zhì)相關(guān)基因的編輯與優(yōu)化技術(shù)。研究方法包括：1）建立種質(zhì)資源庫與數(shù)據(jù)庫，整合表型、基因型及環(huán)境適應(yīng)數(shù)據(jù)；2）采用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，對目標(biāo)性狀進(jìn)行精準(zhǔn)改良；3）通過多組學(xué)聯(lián)合分析，篩選優(yōu)異基因組合，開展分子標(biāo)記輔助選擇。預(yù)期成果包括：構(gòu)建完成甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫，獲得3-5個高產(chǎn)、抗逆性強(qiáng)的改良品種；形成一套分子設(shè)計育種技術(shù)流程，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級提供技術(shù)支撐。本項目緊密結(jié)合甘肅省農(nóng)業(yè)發(fā)展實(shí)際需求，通過產(chǎn)學(xué)研合作，推動科技成果轉(zhuǎn)化，對保障糧食安全與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略具有重要意義。

三.項目背景與研究意義

甘肅省地處中國西北內(nèi)陸，屬于干旱半干旱氣候區(qū)，獨(dú)特的地理環(huán)境和氣候條件孕育了豐富的特色農(nóng)作物種質(zhì)資源，如蘭州百合、慶陽小雜糧、張掖洋蔥、臨夏玫瑰等，這些作物不僅是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要支柱，也是全國乃至世界農(nóng)業(yè)多樣性的重要組成部分。然而，隨著氣候變化加劇、耕地資源退化以及傳統(tǒng)種植模式的局限性，甘肅省特色農(nóng)作物面臨著種質(zhì)資源流失、產(chǎn)量品質(zhì)不穩(wěn)定、抗逆性下降等多重挑戰(zhàn)。同時，現(xiàn)有的育種技術(shù)主要依賴傳統(tǒng)雜交和篩選方法，效率低、周期長，難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的需求。因此，開展甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)與分子設(shè)計育種關(guān)鍵技術(shù)研究，不僅對于提升當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力具有迫切性，也為保障國家糧食安全和生物多樣性保護(hù)提供了重要科技支撐。

當(dāng)前，全球育種技術(shù)正經(jīng)歷從傳統(tǒng)育種向分子設(shè)計育種的深刻變革。以基因編輯、合成生物學(xué)和為代表的新興技術(shù)，正在重塑作物育種的范式，使得育種目標(biāo)從被動適應(yīng)環(huán)境轉(zhuǎn)向主動優(yōu)化作物性狀。在甘肅省，雖然已有部分研究機(jī)構(gòu)開展了特色農(nóng)作物的種質(zhì)資源收集和初步的遺傳改良工作，但系統(tǒng)性、高水平的分子設(shè)計育種研究仍處于起步階段。主要存在以下問題：一是種質(zhì)資源保存體系不完善，許多優(yōu)異種質(zhì)因缺乏系統(tǒng)的遺傳信息和表型數(shù)據(jù)而難以得到有效利用；二是關(guān)鍵功能基因挖掘不足，對作物的生長發(fā)育、抗逆性、品質(zhì)形成等核心機(jī)制的解析不夠深入；三是育種技術(shù)手段相對落后，傳統(tǒng)雜交育種與分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)的結(jié)合不夠緊密，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效的育種目標(biāo)。此外，甘肅省農(nóng)業(yè)科研力量相對分散，產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制不健全，科技成果轉(zhuǎn)化率較低，制約了特色農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展。

本項目的研究必要性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源是寶貴的遺傳財富，對其進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)和高水平利用，對于維護(hù)生物多樣性、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。其次，通過分子設(shè)計育種技術(shù)，可以快速培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的作物新品種，有效應(yīng)對氣候變化和市場需求變化帶來的挑戰(zhàn)，保障當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長。再次，本項目的研究成果將推動甘肅省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新體系建設(shè)，提升科研機(jī)構(gòu)的研發(fā)能力和技術(shù)水平，為區(qū)域農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提供強(qiáng)有力的科技支撐。最后，通過產(chǎn)學(xué)研合作和成果轉(zhuǎn)化，可以帶動當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收致富，助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施。

本項目的研究意義主要體現(xiàn)在社會、經(jīng)濟(jì)和學(xué)術(shù)價值三個層面。在社會價值方面，通過保護(hù)特色農(nóng)作物種質(zhì)資源，可以維護(hù)生態(tài)平衡和生物多樣性，為子孫后代留下寶貴的遺傳財富。同時，培育出的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的作物新品種，可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，保障糧食安全，滿足人民日益增長的物質(zhì)文化需求。此外，本項目的實(shí)施將促進(jìn)農(nóng)業(yè)科技與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的深度融合，推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，為鄉(xiāng)村振興提供科技動力。在經(jīng)濟(jì)價值方面，甘肅省特色農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要支柱，本項目的研究成果可以直接應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，增加農(nóng)民收入，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。同時，通過技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化，可以培育新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈延伸和價值鏈提升。在學(xué)術(shù)價值方面，本項目將系統(tǒng)解析甘肅省特色農(nóng)作物的基因組結(jié)構(gòu)、功能基因和分子調(diào)控機(jī)制，為作物遺傳學(xué)和分子生物學(xué)研究提供新的數(shù)據(jù)和理論支撐。同時，通過引入分子設(shè)計育種新技術(shù)，可以推動育種技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，為全球作物遺傳改良提供新的思路和方法。此外，本項目的實(shí)施將培養(yǎng)一批高水平的農(nóng)業(yè)科研人才，提升科研機(jī)構(gòu)的學(xué)術(shù)影響力，促進(jìn)國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流與合作。

四.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在特色農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)與分子設(shè)計育種領(lǐng)域，國際研究已呈現(xiàn)出多元化、縱深化的發(fā)展趨勢。歐美發(fā)達(dá)國家憑借其雄厚的科研基礎(chǔ)和資金投入，在種質(zhì)資源數(shù)字化保存、基因組測序與解析、基因編輯技術(shù)應(yīng)用等方面取得了顯著進(jìn)展。例如，國際植物基因組計劃（IPGP）等大型項目已成功測序了多種重要農(nóng)作物基因組，為分子育種提供了豐富的基因資源信息。在種質(zhì)資源保護(hù)方面，國際社會普遍采用活體保存、超低溫冷凍（cryopreservation）和基因組DNA提取保存等多種手段，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行信息化管理，實(shí)現(xiàn)了種質(zhì)資源的系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化保存?；蚓庉嫾夹g(shù)，特別是CRISPR/Cas9系統(tǒng)，已在作物抗病、抗逆、品質(zhì)改良等方面得到廣泛應(yīng)用，并取得了一系列突破性成果。例如，通過CRISPR/Cas9技術(shù)，科學(xué)家已成功編輯水稻、玉米、小麥等主要糧食作物的多個基因，培育出具有優(yōu)良性狀的新品種。此外，合成生物學(xué)和技術(shù)在作物設(shè)計育種中的應(yīng)用也逐漸深入，為精準(zhǔn)、高效育種提供了新的工具和思路。

我國在特色農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)和育種研究方面也取得了長足進(jìn)步。近年來，國家高度重視農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，加大對農(nóng)業(yè)科研的投入力度，推動了一批重要農(nóng)作物的基因組測序和功能基因研究。在種質(zhì)資源保護(hù)方面，我國已建立了較為完善的農(nóng)作物種質(zhì)資源庫，收集保存了國內(nèi)外大量優(yōu)異種質(zhì)資源，并開展了系統(tǒng)的表型鑒定和評價工作。在育種技術(shù)方面，我國科學(xué)家在雜交育種、分子標(biāo)記輔助選擇等方面積累了豐富的經(jīng)驗，培育出了一批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的農(nóng)作物新品種，顯著提高了農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。特別是在小麥、水稻、玉米等主要糧食作物上，分子育種技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。然而，與發(fā)達(dá)國家相比，我國在特色農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)和分子設(shè)計育種領(lǐng)域仍存在一定差距，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是種質(zhì)資源保護(hù)體系不夠完善，部分優(yōu)異種質(zhì)資源缺乏系統(tǒng)的遺傳信息和表型數(shù)據(jù)，難以得到有效利用；二是關(guān)鍵功能基因挖掘不足，對作物的生長發(fā)育、抗逆性、品質(zhì)形成等核心機(jī)制的解析不夠深入；三是育種技術(shù)手段相對落后，傳統(tǒng)雜交育種與分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)的結(jié)合不夠緊密，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效的育種目標(biāo)；四是科研力量相對分散，產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制不健全，科技成果轉(zhuǎn)化率較低。

甘肅省作為我國重要的特色農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)，在種質(zhì)資源保護(hù)和育種研究方面具有一定的優(yōu)勢和特色。例如，甘肅省擁有豐富的百合、小雜糧、洋蔥等特色農(nóng)作物種質(zhì)資源，這些資源具有獨(dú)特的遺傳特性和優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)價值。然而，甘肅省的農(nóng)業(yè)科研力量相對薄弱，與東部沿海地區(qū)相比，在科研投入、人才隊伍、科研設(shè)施等方面存在較大差距。此外，甘肅省特色農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)發(fā)展還面臨諸多挑戰(zhàn)，如種植技術(shù)落后、產(chǎn)業(yè)鏈條短、市場競爭力不強(qiáng)等。因此，加強(qiáng)甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)和分子設(shè)計育種關(guān)鍵技術(shù)研究，對于提升當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力、促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級具有重要意義。

國內(nèi)外在特色農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)和分子設(shè)計育種領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀表明，種質(zhì)資源保護(hù)、基因挖掘、分子標(biāo)記、基因編輯等技術(shù)已取得顯著進(jìn)展，但仍存在一些尚未解決的問題和研究空白。例如，如何建立更加高效、經(jīng)濟(jì)的種質(zhì)資源保存體系？如何快速、準(zhǔn)確地挖掘關(guān)鍵功能基因？如何將基因編輯技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜性狀的改良？如何構(gòu)建分子設(shè)計育種的理論框架和技術(shù)體系？這些問題需要進(jìn)一步深入研究。此外，如何將科研成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，推動特色農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)發(fā)展？如何加強(qiáng)種質(zhì)資源保護(hù)和分子設(shè)計育種領(lǐng)域的國際合作？這些問題也需要深入思考和探索。本項目將針對這些問題和挑戰(zhàn)，開展系統(tǒng)研究，力爭在甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)和分子設(shè)計育種領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。

綜上所述，國內(nèi)外在特色農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)和分子設(shè)計育種領(lǐng)域的研究已取得顯著進(jìn)展，但仍存在一些尚未解決的問題和研究空白。本項目將結(jié)合甘肅省特色農(nóng)作物資源優(yōu)勢，開展系統(tǒng)研究，力爭在種質(zhì)資源保護(hù)、基因挖掘、分子標(biāo)記、基因編輯等方面取得突破性進(jìn)展，為提升甘肅省特色農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)競爭力、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。

五.研究目標(biāo)與內(nèi)容

本項目旨在通過系統(tǒng)研究甘肅省特色農(nóng)作物的種質(zhì)資源保護(hù)與分子設(shè)計育種關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建種質(zhì)資源高效利用體系，突破分子設(shè)計育種核心技術(shù)，培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的特色農(nóng)作物新品種，為甘肅省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興提供強(qiáng)有力的科技支撐。具體研究目標(biāo)如下：

1.構(gòu)建甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源數(shù)字化保存與利用平臺。系統(tǒng)收集、整理和鑒定甘肅省主要特色農(nóng)作物種質(zhì)資源，建立高密度分子標(biāo)記體系，構(gòu)建種質(zhì)資源基因組數(shù)據(jù)庫和表型數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)種質(zhì)資源的數(shù)字化保存和共享利用。

2.挖掘甘肅省特色農(nóng)作物關(guān)鍵功能基因并解析其作用機(jī)制。重點(diǎn)挖掘與產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的功能基因，利用基因編輯、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)，解析這些基因的功能和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為分子設(shè)計育種提供理論依據(jù)。

3.開發(fā)甘肅省特色農(nóng)作物分子設(shè)計育種關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合和生物信息學(xué)方法，建立分子設(shè)計育種模型，優(yōu)化基因編輯技術(shù)體系，開發(fā)分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特色農(nóng)作物精準(zhǔn)、高效育種。

4.培育一批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的甘肅省特色農(nóng)作物新品種。利用分子設(shè)計育種技術(shù)，對蘭州百合、慶陽小雜糧、張掖洋蔥等特色農(nóng)作物進(jìn)行改良，培育出3-5個高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的新品種，并進(jìn)行區(qū)域試驗和示范推廣。

基于上述研究目標(biāo)，本項目將開展以下研究內(nèi)容：

1.甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源收集、整理與鑒定

1.1研究問題：甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源現(xiàn)狀如何？哪些種質(zhì)資源具有優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)價值和遺傳潛力？

1.2研究假設(shè)：甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源豐富，存在大量具有優(yōu)異經(jīng)濟(jì)價值和遺傳潛力的優(yōu)異種質(zhì)資源。

1.3研究內(nèi)容：對甘肅省主要特色農(nóng)作物（蘭州百合、慶陽小雜糧、張掖洋蔥、臨夏玫瑰等）進(jìn)行系統(tǒng)性收集、整理和鑒定，建立種質(zhì)資源庫，并對種質(zhì)的遺傳多樣性、表型特征進(jìn)行初步分析。

1.4預(yù)期成果：建立甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源庫，收集保存種質(zhì)資源5000份以上，鑒定出1000份以上具有優(yōu)異經(jīng)濟(jì)價值和遺傳潛力的優(yōu)異種質(zhì)資源，并建立種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫。

2.甘肅省特色農(nóng)作物高密度分子標(biāo)記體系構(gòu)建

2.1研究問題：如何構(gòu)建適用于甘肅省特色農(nóng)作物的高密度分子標(biāo)記體系？

2.2研究假設(shè)：通過全基因組重測序和關(guān)聯(lián)分析，可以構(gòu)建適用于甘肅省特色農(nóng)作物的高密度分子標(biāo)記體系。

2.3研究內(nèi)容：對甘肅省特色農(nóng)作物進(jìn)行全基因組重測序，利用生物信息學(xué)方法進(jìn)行基因組組裝和注釋，開發(fā)高密度分子標(biāo)記（如SNP標(biāo)記），并對標(biāo)記的遺傳多樣性、多態(tài)性進(jìn)行評估。

2.4預(yù)期成果：構(gòu)建甘肅省特色農(nóng)作物高密度分子標(biāo)記體系，開發(fā)1000個以上具有高多態(tài)性和穩(wěn)定性的分子標(biāo)記，并建立分子標(biāo)記數(shù)據(jù)庫。

3.甘肅省特色農(nóng)作物關(guān)鍵功能基因挖掘與作用機(jī)制解析

3.1研究問題：甘肅省特色農(nóng)作物哪些基因與產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)？這些基因的作用機(jī)制是什么？

3.2研究假設(shè)：通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和基因編輯等技術(shù)，可以挖掘出與產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的關(guān)鍵功能基因，并解析其作用機(jī)制。

3.3研究內(nèi)容：利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，篩選與產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的候選基因；利用基因編輯技術(shù)（如CRISPR/Cas9）對這些基因進(jìn)行功能驗證，并結(jié)合分子生物學(xué)方法解析其作用機(jī)制。

3.4預(yù)期成果：挖掘出100個以上與產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的關(guān)鍵功能基因，解析其作用機(jī)制，并建立基因功能數(shù)據(jù)庫。

4.甘肅省特色農(nóng)作物分子設(shè)計育種模型建立與優(yōu)化

4.1研究問題：如何建立適用于甘肅省特色農(nóng)作物的分子設(shè)計育種模型？如何優(yōu)化基因編輯技術(shù)體系？

4.2研究假設(shè)：結(jié)合和生物信息學(xué)方法，可以建立適用于甘肅省特色農(nóng)作物的分子設(shè)計育種模型，并優(yōu)化基因編輯技術(shù)體系。

4.3研究內(nèi)容：利用和生物信息學(xué)方法，建立分子設(shè)計育種模型，優(yōu)化基因編輯技術(shù)體系，開發(fā)分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)。

4.4預(yù)期成果：建立甘肅省特色農(nóng)作物分子設(shè)計育種模型，優(yōu)化基因編輯技術(shù)體系，開發(fā)分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，并形成一套完整的分子設(shè)計育種技術(shù)流程。

5.甘肅省特色農(nóng)作物新品種培育與示范推廣

5.1研究問題：如何利用分子設(shè)計育種技術(shù)培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的甘肅省特色農(nóng)作物新品種？

5.2研究假設(shè)：通過分子設(shè)計育種技術(shù)，可以培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的甘肅省特色農(nóng)作物新品種。

5.3研究內(nèi)容：利用分子設(shè)計育種技術(shù)，對蘭州百合、慶陽小雜糧、張掖洋蔥等特色農(nóng)作物進(jìn)行改良，培育出3-5個高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的新品種，并進(jìn)行區(qū)域試驗和示范推廣。

5.4預(yù)期成果：培育出3-5個高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的甘肅省特色農(nóng)作物新品種，并在甘肅省主要產(chǎn)區(qū)進(jìn)行示范推廣，帶動當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收致富。

通過以上研究內(nèi)容的實(shí)施，本項目將構(gòu)建甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源數(shù)字化保存與利用平臺，挖掘關(guān)鍵功能基因并解析其作用機(jī)制，開發(fā)分子設(shè)計育種關(guān)鍵技術(shù)，培育出一批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的特色農(nóng)作物新品種，為提升甘肅省特色農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)競爭力、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的科技支撐。

六.研究方法與技術(shù)路線

本項目將采用多學(xué)科交叉的研究方法，結(jié)合現(xiàn)代生物技術(shù)、信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)技術(shù)，系統(tǒng)開展甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)與分子設(shè)計育種關(guān)鍵技術(shù)研究。研究方法主要包括種質(zhì)資源收集與鑒定、基因組學(xué)與生物信息學(xué)分析、基因編輯與功能驗證、分子標(biāo)記輔助選擇、與大數(shù)據(jù)分析等。實(shí)驗設(shè)計將遵循嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)原則，確保數(shù)據(jù)的可靠性和可重復(fù)性。數(shù)據(jù)收集將涵蓋表型數(shù)據(jù)、基因組數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)、蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)等多種類型，并采用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)采集流程。數(shù)據(jù)分析將利用生物信息學(xué)工具和統(tǒng)計方法，結(jié)合算法，對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和解析。

1.研究方法

1.1種質(zhì)資源收集與鑒定方法

1.1.1研究方法：采用野外、農(nóng)戶走訪、市場調(diào)研等多種方式，收集甘肅省主要特色農(nóng)作物（蘭州百合、慶陽小雜糧、張掖洋蔥、臨夏玫瑰等）的種質(zhì)資源。利用形態(tài)學(xué)、農(nóng)藝性狀、抗逆性等指標(biāo)對收集到的種質(zhì)資源進(jìn)行初步鑒定和篩選。采用高通量測序技術(shù)對種質(zhì)資源的基因組DNA進(jìn)行提取和測序，利用生物信息學(xué)方法進(jìn)行基因組組裝和注釋，并對種質(zhì)的遺傳多樣性進(jìn)行評估。

1.1.2實(shí)驗設(shè)計：設(shè)計種質(zhì)資源收集路線圖，確定收集區(qū)域和收集對象。制定種質(zhì)資源鑒定方案，包括形態(tài)學(xué)鑒定、農(nóng)藝性狀鑒定、抗逆性鑒定等。設(shè)計基因組測序方案，包括樣本選擇、DNA提取、測序平臺選擇、數(shù)據(jù)分析流程等。

1.1.3數(shù)據(jù)收集與分析方法：收集種質(zhì)資源的表型數(shù)據(jù)、基因組數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等，建立種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫。利用生物信息學(xué)工具對基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評估種質(zhì)的遺傳多樣性、多態(tài)性等。

1.2基因組學(xué)與生物信息學(xué)分析方法

1.2.1研究方法：采用高通量測序技術(shù)對甘肅省特色農(nóng)作物進(jìn)行基因組測序，利用生物信息學(xué)方法進(jìn)行基因組組裝、注釋和變異檢測。開發(fā)高密度分子標(biāo)記，并對標(biāo)記的遺傳多樣性、多態(tài)性進(jìn)行評估。利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，篩選與產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的候選基因。

1.2.2實(shí)驗設(shè)計：設(shè)計基因組測序方案，包括樣本選擇、DNA提取、測序平臺選擇、數(shù)據(jù)分析流程等。設(shè)計轉(zhuǎn)錄組測序方案，包括樣本選擇、RNA提取、測序平臺選擇、數(shù)據(jù)分析流程等。設(shè)計蛋白質(zhì)組測序方案，包括樣本選擇、蛋白質(zhì)提取、測序平臺選擇、數(shù)據(jù)分析流程等。

1.2.3數(shù)據(jù)收集與分析方法：收集基因組數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)、蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)等，建立基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫和蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫。利用生物信息學(xué)工具對基因組和蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，篩選與產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的候選基因。

1.3基因編輯與功能驗證方法

1.3.1研究方法：采用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)對甘肅省特色農(nóng)作物進(jìn)行基因編輯，驗證候選基因的功能。利用分子生物學(xué)方法對編輯后的基因進(jìn)行檢測和分析。

1.3.2實(shí)驗設(shè)計：設(shè)計基因編輯方案，包括靶點(diǎn)選擇、gRNA設(shè)計、基因編輯載體構(gòu)建、轉(zhuǎn)化方法等。設(shè)計功能驗證方案，包括表型分析、分子檢測、遺傳分析等。

1.3.3數(shù)據(jù)收集與分析方法：收集基因編輯后的表型數(shù)據(jù)、分子檢測數(shù)據(jù)等，分析候選基因的功能。

1.4分子標(biāo)記輔助選擇方法

1.4.1研究方法：開發(fā)高密度分子標(biāo)記，利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)對甘肅省特色農(nóng)作物進(jìn)行育種。建立分子標(biāo)記輔助選擇模型，優(yōu)化選擇策略。

1.4.2實(shí)驗設(shè)計：設(shè)計分子標(biāo)記開發(fā)方案，包括樣本選擇、DNA提取、標(biāo)記開發(fā)、標(biāo)記驗證等。設(shè)計分子標(biāo)記輔助選擇方案，包括親本選擇、雜交設(shè)計、后代分析、選擇模型建立等。

1.4.3數(shù)據(jù)收集與分析方法：收集分子標(biāo)記數(shù)據(jù)、表型數(shù)據(jù)等，建立分子標(biāo)記輔助選擇模型，優(yōu)化選擇策略。

1.5與大數(shù)據(jù)分析方法

1.5.1研究方法：利用和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立分子設(shè)計育種模型，優(yōu)化育種策略。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和解析，預(yù)測作物性狀。

1.5.2實(shí)驗設(shè)計：設(shè)計與大數(shù)據(jù)分析方案，包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型構(gòu)建、模型訓(xùn)練、模型驗證等。

1.5.3數(shù)據(jù)收集與分析方法：收集基因組數(shù)據(jù)、表型數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建分子設(shè)計育種模型，預(yù)測作物性狀。

2.技術(shù)路線

2.1研究流程

2.1.1種質(zhì)資源收集與鑒定：通過野外、農(nóng)戶走訪、市場調(diào)研等方式收集甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源，利用形態(tài)學(xué)、農(nóng)藝性狀、抗逆性等指標(biāo)對收集到的種質(zhì)資源進(jìn)行初步鑒定和篩選，建立種質(zhì)資源庫。

2.1.2基因組學(xué)與生物信息學(xué)分析：對種質(zhì)資源的基因組DNA進(jìn)行提取和測序，利用生物信息學(xué)方法進(jìn)行基因組組裝和注釋，并對種質(zhì)的遺傳多樣性進(jìn)行評估，開發(fā)高密度分子標(biāo)記。

2.1.3基因編輯與功能驗證：利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)對甘肅省特色農(nóng)作物進(jìn)行基因編輯，驗證候選基因的功能，解析其作用機(jī)制。

2.1.4分子標(biāo)記輔助選擇：利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)對甘肅省特色農(nóng)作物進(jìn)行育種，建立分子標(biāo)記輔助選擇模型，優(yōu)化選擇策略。

2.1.5與大數(shù)據(jù)分析：利用和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立分子設(shè)計育種模型，優(yōu)化育種策略，預(yù)測作物性狀。

2.1.6新品種培育與示范推廣：利用分子設(shè)計育種技術(shù)，培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的甘肅省特色農(nóng)作物新品種，并在甘肅省主要產(chǎn)區(qū)進(jìn)行示范推廣。

2.2關(guān)鍵步驟

2.2.1種質(zhì)資源收集與鑒定：確定收集區(qū)域和收集對象，制定種質(zhì)資源鑒定方案，建立種質(zhì)資源庫。

2.2.2基因組學(xué)與生物信息學(xué)分析：設(shè)計基因組測序方案，進(jìn)行基因組組裝和注釋，開發(fā)高密度分子標(biāo)記。

2.2.3基因編輯與功能驗證：設(shè)計基因編輯方案，進(jìn)行基因編輯，驗證候選基因的功能。

2.2.4分子標(biāo)記輔助選擇：設(shè)計分子標(biāo)記輔助選擇方案，建立分子標(biāo)記輔助選擇模型。

2.2.5與大數(shù)據(jù)分析：設(shè)計與大數(shù)據(jù)分析方案，構(gòu)建分子設(shè)計育種模型。

2.2.6新品種培育與示范推廣：進(jìn)行新品種培育，進(jìn)行區(qū)域試驗和示范推廣。

通過以上研究方法和技術(shù)路線，本項目將系統(tǒng)開展甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)與分子設(shè)計育種關(guān)鍵技術(shù)研究，為提升甘肅省特色農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)競爭力、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的科技支撐。

七．創(chuàng)新點(diǎn)

本項目旨在甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)與分子設(shè)計育種領(lǐng)域取得突破，其創(chuàng)新性體現(xiàn)在理論、方法及應(yīng)用等多個層面，具體闡述如下：

1.理論創(chuàng)新：構(gòu)建特色農(nóng)作物遺傳資源保護(hù)與利用的新理論框架

1.1甘肅省特色農(nóng)作物遺傳資源系統(tǒng)性與功能性結(jié)合的保護(hù)理論

傳統(tǒng)的種質(zhì)資源保護(hù)往往側(cè)重于物理保存（如種子庫、活體庫）和基礎(chǔ)形態(tài)學(xué)描述，缺乏對遺傳多樣性內(nèi)在功能和未來育種價值的深入挖掘。本項目創(chuàng)新性地提出將遺傳資源的系統(tǒng)保存與現(xiàn)代生物信息學(xué)分析相結(jié)合，建立“存儲-解析-利用”一體化的保護(hù)理論框架。通過全基因組測序、多組學(xué)分析等技術(shù)，不僅揭示種質(zhì)資源的遺傳多樣性格局，更深入解析其基因多樣性、功能基因庫及潛在的育種價值，為種質(zhì)資源的精準(zhǔn)評價、定向保存和高效利用提供理論依據(jù)。這種保護(hù)理論突破了傳統(tǒng)保護(hù)模式僅關(guān)注資源“存續(xù)”的局限，轉(zhuǎn)向關(guān)注資源的“潛能”挖掘與“價值實(shí)現(xiàn)”，特別適用于遺傳多樣性豐富但經(jīng)濟(jì)價值尚未充分開發(fā)的甘肅省特色農(nóng)作物資源。

1.2適應(yīng)性進(jìn)化與人工選擇協(xié)同作用的分子育種理論

甘肅省獨(dú)特的地理環(huán)境和氣候條件塑造了特色農(nóng)作物的獨(dú)特適應(yīng)性特征。本項目創(chuàng)新性地將作物適應(yīng)性進(jìn)化的遺傳基礎(chǔ)研究與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的人工選擇目標(biāo)相結(jié)合，提出“適應(yīng)性基礎(chǔ)上的優(yōu)化設(shè)計”分子育種理論。通過對特色農(nóng)作物在極端環(huán)境下的遺傳變異進(jìn)行系統(tǒng)解析，識別與抗逆性、適應(yīng)性相關(guān)的關(guān)鍵基因和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為人工設(shè)計育種提供遺傳基礎(chǔ)。同時，結(jié)合市場需求和產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向，明確育種目標(biāo)，通過基因編輯、基因合成等技術(shù)對適應(yīng)性基礎(chǔ)進(jìn)行精準(zhǔn)改良和優(yōu)化設(shè)計，培育出既保留地方特色優(yōu)勢，又符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的作物新品種。這種理論創(chuàng)新旨在克服傳統(tǒng)育種中目標(biāo)與資源脫節(jié)的問題，實(shí)現(xiàn)育種效率與作物適應(yīng)性的協(xié)同提升。

2.方法創(chuàng)新：開發(fā)特色農(nóng)作物精準(zhǔn)高效分子設(shè)計育種的新技術(shù)體系

2.1基于多組學(xué)和的復(fù)雜性狀解析與預(yù)測方法

產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等經(jīng)濟(jì)性狀通常是多基因控制的復(fù)雜性狀，傳統(tǒng)育種手段難以對其進(jìn)行精確改良。本項目創(chuàng)新性地采用多組學(xué)聯(lián)合分析（基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)）結(jié)合（）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法，開發(fā)復(fù)雜性狀解析與預(yù)測新方法。通過構(gòu)建“組學(xué)數(shù)據(jù)-性狀關(guān)聯(lián)-基因網(wǎng)絡(luò)-智能預(yù)測”的分析流程，深入解析復(fù)雜性狀的遺傳基礎(chǔ)和分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，建立高精度的性狀預(yù)測模型。這種方法能夠更全面地揭示性狀形成的生物學(xué)機(jī)制，提高基因編輯和分子標(biāo)記輔助選擇的目標(biāo)性和準(zhǔn)確性，為復(fù)雜性狀的精準(zhǔn)改良提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐，突破了傳統(tǒng)復(fù)雜性狀育種的瓶頸。

2.2優(yōu)化基因編輯技術(shù)的精準(zhǔn)性與效率，并拓展其應(yīng)用范圍

基因編輯技術(shù)（特別是CRISPR/Cas9）為作物育種帶來了性變化，但現(xiàn)有技術(shù)仍存在脫靶效應(yīng)、編輯效率不高、難以編輯特定基因等問題。本項目針對甘肅省特色農(nóng)作物（如百合等）的基因組特征，創(chuàng)新性地優(yōu)化基因編輯載體設(shè)計、gRNA篩選策略和轉(zhuǎn)化體系，提高編輯的精準(zhǔn)性和效率。同時，探索將基因編輯技術(shù)與其他生物技術(shù)（如基因合成、轉(zhuǎn)錄調(diào)控調(diào)控）相結(jié)合，拓展其在基因打靶、多基因編輯、性狀修飾等更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，利用基因編輯技術(shù)克服特色農(nóng)作物雜交不親和障礙，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)緣雜交育種；或針對品質(zhì)形成的關(guān)鍵酶基因進(jìn)行編輯，實(shí)現(xiàn)品質(zhì)的精準(zhǔn)改良。這種方法的創(chuàng)新將顯著提升基因編輯技術(shù)在甘肅省特色農(nóng)作物育種中的應(yīng)用水平。

2.3開發(fā)適用于特色農(nóng)作物的分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）與全基因組選擇（GS）策略

分子標(biāo)記輔助選擇和全基因組選擇是現(xiàn)代育種的重要技術(shù)手段，但現(xiàn)有策略往往基于模式生物或大宗作物開發(fā)，直接應(yīng)用于甘肅省特色農(nóng)作物時效果不佳。本項目創(chuàng)新性地利用前期開發(fā)的高密度分子標(biāo)記，結(jié)合作物生長模型和環(huán)境數(shù)據(jù)，開發(fā)適用于甘肅省特色農(nóng)作物的MAS和GS策略。通過構(gòu)建“標(biāo)記-性狀-環(huán)境”交互作用模型，優(yōu)化選擇指數(shù)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)基因組信息和早期表型數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)選擇。特別關(guān)注利用GS技術(shù)對低遺傳力、多基因控制的性狀進(jìn)行早期選擇，大幅縮短育種周期，提高育種效率。這種方法的創(chuàng)新旨在將現(xiàn)代育種生物信息學(xué)技術(shù)深度融合到特色農(nóng)作物育種實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)育種過程的精準(zhǔn)化、智能化。

3.應(yīng)用創(chuàng)新：構(gòu)建特色農(nóng)作物種質(zhì)資源高效利用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展新模式

3.1建立甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源數(shù)字化共享與利用平臺

傳統(tǒng)的種質(zhì)資源保存和利用模式存在信息不透明、資源難以共享、利用效率低等問題。本項目創(chuàng)新性地構(gòu)建集種質(zhì)資源數(shù)字化保存、基因信息挖掘、育種信息整合、在線共享服務(wù)于一體的大型數(shù)據(jù)庫與信息平臺。該平臺不僅整合本項目產(chǎn)生的基因組、表型等數(shù)據(jù)，還將鏈接國內(nèi)外相關(guān)資源信息，為科研人員、育種家和產(chǎn)業(yè)界提供便捷的資源查詢、數(shù)據(jù)分析和育種設(shè)計工具。這種應(yīng)用模式的創(chuàng)新將打破資源壁壘，促進(jìn)種質(zhì)資源的跨地域、跨機(jī)構(gòu)高效共享與協(xié)同利用，加速育種進(jìn)程，為甘肅省特色農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐。

3.2推動分子設(shè)計育種技術(shù)集成應(yīng)用于特色農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)

本項目不僅在實(shí)驗室開展技術(shù)研究和新品種培育，更注重將研發(fā)成果快速轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力。通過與甘肅省內(nèi)農(nóng)業(yè)企業(yè)、合作社建立緊密的合作關(guān)系，將優(yōu)化的基因編輯技術(shù)、MAS/GS策略、分子設(shè)計育種模型等先進(jìn)技術(shù)集成打包，形成標(biāo)準(zhǔn)化、可操作的分子設(shè)計育種技術(shù)解決方案，并在蘭州百合、慶陽小雜糧、張掖洋蔥等主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)中進(jìn)行示范應(yīng)用和推廣。同時，結(jié)合精準(zhǔn)種植信息技術(shù)，提供從種子設(shè)計到田間管理的全鏈條技術(shù)支持，構(gòu)建“研發(fā)-中試-推廣-服務(wù)”一體化的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新服務(wù)模式。這種應(yīng)用創(chuàng)新旨在直接賦能甘肅省特色農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)升級，提升產(chǎn)業(yè)核心競爭力，實(shí)現(xiàn)科技與經(jīng)濟(jì)的深度融合，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

3.3形成甘肅省特色農(nóng)作物分子設(shè)計育種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

隨著分子設(shè)計育種技術(shù)的廣泛應(yīng)用，建立相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范已成為產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵。本項目將在研究過程中，積極參與或主導(dǎo)制定甘肅省特色農(nóng)作物分子設(shè)計育種相關(guān)的地方標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋種質(zhì)資源DNA提取與測序規(guī)范、基因編輯操作規(guī)程、分子標(biāo)記開發(fā)與應(yīng)用指南、分子標(biāo)記輔助選擇與全基因組選擇實(shí)施規(guī)范等方面。這些標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的建立，將為甘肅省特色農(nóng)作物分子設(shè)計育種技術(shù)的規(guī)范化應(yīng)用提供依據(jù)，規(guī)范市場秩序，保障育種質(zhì)量，促進(jìn)技術(shù)的推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

綜上所述，本項目在理論、方法和應(yīng)用層面均展現(xiàn)出顯著的創(chuàng)新性，通過系統(tǒng)研究和技術(shù)突破，有望為甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源的高效保護(hù)和可持續(xù)利用提供新思路、新方法和新模式，為甘肅省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和鄉(xiāng)村振興提供強(qiáng)有力的科技支撐。

八．預(yù)期成果

本項目圍繞甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)與分子設(shè)計育種關(guān)鍵技術(shù)研究，計劃在理論、技術(shù)、品種培育及平臺建設(shè)等方面取得系列預(yù)期成果，具體闡述如下：

1.理論貢獻(xiàn)與知識積累

1.1揭示甘肅省特色農(nóng)作物遺傳多樣性與適應(yīng)性進(jìn)化的基本規(guī)律

通過對甘肅省主要特色農(nóng)作物種質(zhì)資源的系統(tǒng)收集、鑒定和基因組學(xué)分析，預(yù)期將揭示這些作物在獨(dú)特地理環(huán)境和氣候條件下的遺傳多樣性格局、關(guān)鍵功能基因變異特征以及適應(yīng)性進(jìn)化的遺傳基礎(chǔ)。這將深化對西北地區(qū)特色農(nóng)作物物種進(jìn)化歷史、種質(zhì)資源形成機(jī)制的理解，為相關(guān)領(lǐng)域的生物學(xué)研究（如遺傳學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)、生態(tài)學(xué)）提供新的數(shù)據(jù)支持和理論見解。特別是對氣候變化下作物適應(yīng)性遺傳機(jī)制的認(rèn)識，將為全球氣候變化背景下作物的遺傳資源保護(hù)和可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1.2構(gòu)建特色農(nóng)作物復(fù)雜性狀形成的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型

針對產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等核心經(jīng)濟(jì)性狀，預(yù)期通過多組學(xué)聯(lián)合分析和算法，解析其關(guān)鍵的遺傳基礎(chǔ)和分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這將為理解這些復(fù)雜性狀的遺傳本質(zhì)和生理機(jī)制提供新的科學(xué)認(rèn)識，填補(bǔ)甘肅省特色農(nóng)作物在分子調(diào)控機(jī)制研究方面的空白。預(yù)期獲得的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型，不僅具有重要的基礎(chǔ)理論價值，也為后續(xù)的分子設(shè)計育種提供了明確的靶點(diǎn)和理論指導(dǎo)。

1.3發(fā)展基于多組學(xué)和的分子育種理論框架

本項目將驗證和優(yōu)化“適應(yīng)性基礎(chǔ)上的優(yōu)化設(shè)計”以及“存儲-解析-利用”一體化的種質(zhì)資源保護(hù)理論，并結(jié)合多組學(xué)數(shù)據(jù)和算法，發(fā)展一套適用于甘肅省特色農(nóng)作物的分子設(shè)計育種理論框架。該框架將整合遺傳變異挖掘、功能基因解析、復(fù)雜性狀預(yù)測、精準(zhǔn)育種設(shè)計等環(huán)節(jié)，為未來特色農(nóng)作物乃至更廣泛作物的分子設(shè)計育種提供新的理論指導(dǎo)和方法論參考。

2.技術(shù)方法與工具開發(fā)

2.1建立甘肅省特色農(nóng)作物高密度分子標(biāo)記體系

預(yù)期開發(fā)并驗證一批適用于甘肅省主要特色農(nóng)作物的高密度、高多態(tài)性分子標(biāo)記（如SNP標(biāo)記），建立相應(yīng)的標(biāo)記數(shù)據(jù)庫和查詢平臺。這些分子標(biāo)記將具有穩(wěn)定性強(qiáng)、遺傳背景清晰、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，可為種質(zhì)資源的精準(zhǔn)鑒定、遺傳作圖、分子標(biāo)記輔助選擇、基因編輯驗證等研究提供關(guān)鍵工具，顯著提升育種研究的效率和準(zhǔn)確性。

2.2建立優(yōu)化的基因編輯技術(shù)體系與操作規(guī)程

針對甘肅省特色農(nóng)作物（特別是百合等）的基因組特點(diǎn)，預(yù)期優(yōu)化CRISPR/Cas9等基因編輯技術(shù)的載體構(gòu)建、gRNA設(shè)計、轉(zhuǎn)化方法等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建立一套高效、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的基因編輯操作規(guī)程。同時，開發(fā)用于基因編輯效率、脫靶效應(yīng)檢測的分子生物學(xué)技術(shù)方法。預(yù)期獲得的優(yōu)化技術(shù)和規(guī)程，將提高基因編輯在特色農(nóng)作物改良中的應(yīng)用效率和可靠性，為快速改良目標(biāo)性狀提供有力技術(shù)支撐。

2.3開發(fā)分子標(biāo)記輔助選擇與全基因組選擇（GS）模型及應(yīng)用指南

基于收集的遺傳和表型數(shù)據(jù)，預(yù)期構(gòu)建并驗證適用于甘肅省特色農(nóng)作物的分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）模型和全基因組選擇（GS）模型。針對不同作物和不同性狀，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的選擇指數(shù)計算方法和應(yīng)用指南，為育種家提供實(shí)用的早期選擇工具，縮短育種周期，提高育種效率。特別是GS模型的應(yīng)用，將能夠更有效地改良復(fù)雜性狀，推動育種進(jìn)程的加速。

2.4建立分子設(shè)計育種大數(shù)據(jù)分析平臺與工具

結(jié)合本項目產(chǎn)生的多組學(xué)數(shù)據(jù)和算法研究成果，預(yù)期開發(fā)或整合一套分子設(shè)計育種大數(shù)據(jù)分析平臺，包含數(shù)據(jù)存儲、處理、分析、可視化及模型訓(xùn)練等功能模塊。該平臺將提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)分析流程和工具，為科研人員和育種家提供便捷的數(shù)據(jù)分析服務(wù)，促進(jìn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同研究，提升分子設(shè)計育種的智能化水平。

3.培育新品種與示范推廣

3.1培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的特色農(nóng)作物新品種

利用本項目開發(fā)的分子設(shè)計育種技術(shù)，預(yù)期在蘭州百合、慶陽小雜糧、張掖洋蔥等主要特色農(nóng)作物上，培育出3-5個具有顯著優(yōu)良性狀（如高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病、抗旱、抗寒等）的新品種。這些新品種將經(jīng)過系統(tǒng)的區(qū)域試驗和示范，驗證其遺傳穩(wěn)定性、產(chǎn)量表現(xiàn)、品質(zhì)優(yōu)勢和適應(yīng)性。

3.2形成新品種配套栽培技術(shù)規(guī)程

針對培育出的新品種，預(yù)期研究并制定相應(yīng)的配套栽培管理技術(shù)規(guī)程，包括播種、施肥、病蟲害防治、采收等技術(shù)環(huán)節(jié)。這些規(guī)程將確保新品種在實(shí)際生產(chǎn)中能夠發(fā)揮出預(yù)期的優(yōu)良特性，為品種的順利推廣和應(yīng)用提供技術(shù)保障。

3.3推動新品種在甘肅省的示范推廣與應(yīng)用

本項目將與甘肅省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門、種子企業(yè)、合作社等建立合作關(guān)系，在適宜區(qū)域開展新品種的示范推廣工作。通過技術(shù)培訓(xùn)、建立示范基地、提供技術(shù)指導(dǎo)等方式，促進(jìn)新品種的推廣應(yīng)用，帶動當(dāng)?shù)靥厣r(nóng)作物產(chǎn)業(yè)的升級，為農(nóng)民增收和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。預(yù)期新品種能在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4.平臺建設(shè)與成果轉(zhuǎn)化

4.1建立甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源數(shù)字化共享平臺

基于項目積累的數(shù)據(jù)和資源，預(yù)期建成一個功能完善、數(shù)據(jù)豐富的甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源數(shù)字化共享平臺。該平臺將整合各類種質(zhì)資源信息、基因信息、表型數(shù)據(jù)、育種數(shù)據(jù)等，向科研人員、育種家和產(chǎn)業(yè)界開放共享，促進(jìn)種質(zhì)資源的有效利用和協(xié)同創(chuàng)新。

4.2培養(yǎng)一支高水平分子設(shè)計育種人才隊伍

通過項目實(shí)施，預(yù)期培養(yǎng)一批掌握現(xiàn)代生物技術(shù)和信息技術(shù)的特色農(nóng)作物分子設(shè)計育種專業(yè)人才，包括研究生、科研骨干等。這些人將成為甘肅省未來農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的重要力量，推動特色農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

4.3發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文與申請專利

預(yù)期在國內(nèi)外核心學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表一系列高水平研究論文，系統(tǒng)報道項目的研究成果和科學(xué)發(fā)現(xiàn)。同時，針對關(guān)鍵技術(shù)和新品種，積極申請發(fā)明專利和植物新品種權(quán)，保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，促進(jìn)科技成果的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。

4.4推動相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定與推廣

基于項目的技術(shù)研發(fā)成果，預(yù)期參與或主導(dǎo)制定甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范特色農(nóng)作物分子設(shè)計育種技術(shù)的應(yīng)用，推動技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化發(fā)展。

綜上所述，本項目預(yù)期在理論、技術(shù)、品種培育、平臺建設(shè)及成果轉(zhuǎn)化等多個方面取得豐碩成果，為甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源的有效保護(hù)、遺傳改良和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)有力的科技支撐，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

九.項目實(shí)施計劃

本項目計劃實(shí)施周期為五年，分為五個主要階段，每個階段包含具體的任務(wù)和明確的進(jìn)度安排。同時，針對可能出現(xiàn)的風(fēng)險制定了相應(yīng)的管理策略，以確保項目順利實(shí)施并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

1.項目時間規(guī)劃與任務(wù)分配

1.1第一階段：種質(zhì)資源收集、鑒定與數(shù)字化保存平臺構(gòu)建（第1-12個月）

1.1.1任務(wù)分配：

*種質(zhì)資源收集：組建野外團(tuán)隊，根據(jù)甘肅省特色農(nóng)作物分布圖，確定重點(diǎn)收集區(qū)域（蘭州百合產(chǎn)區(qū)、慶陽小雜糧主產(chǎn)區(qū)、張掖洋蔥種植區(qū)等），開展實(shí)地調(diào)研和農(nóng)戶訪談，收集具有代表性的種質(zhì)資源，建立初步的種質(zhì)資源圃。

*種質(zhì)資源鑒定：對收集到的種質(zhì)資源進(jìn)行形態(tài)學(xué)、農(nóng)藝性狀和抗逆性（如抗旱性、抗病性）的初步鑒定，利用分子標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行初步的遺傳多樣性分析，篩選優(yōu)異種質(zhì)。

*數(shù)字化保存平臺初步建設(shè)：開始構(gòu)建種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫框架，設(shè)計數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，建立種質(zhì)資源數(shù)字化管理系統(tǒng)的基本功能模塊（如種質(zhì)信息錄入、查詢、管理等功能）。

1.1.2進(jìn)度安排：

*第1-3個月：完成收集路線規(guī)劃，組建團(tuán)隊，啟動野外收集工作。

*第4-6個月：完成大部分種質(zhì)資源收集，進(jìn)行初步的形態(tài)學(xué)和農(nóng)藝性狀鑒定。

*第7-9個月：進(jìn)行分子標(biāo)記分析和遺傳多樣性評估，篩選優(yōu)異種質(zhì)，初步建立種質(zhì)資源圃。

*第10-12個月：完成數(shù)字化保存平臺基礎(chǔ)功能開發(fā)，開始錄入部分種質(zhì)資源信息，形成初步的數(shù)據(jù)庫。

1.2第二階段：基因組學(xué)與生物信息學(xué)分析及分子標(biāo)記開發(fā)（第13-36個月）

1.2.1任務(wù)分配：

*全基因組測序：對優(yōu)異種質(zhì)和代表性種質(zhì)進(jìn)行高通量基因組測序，選擇合適的測序平臺（如Illumina、PacBio等）。

*基因組組裝與注釋：利用生物信息學(xué)工具進(jìn)行基因組組裝、質(zhì)量評估和功能基因注釋，開發(fā)基因組數(shù)據(jù)庫。

*分子標(biāo)記開發(fā)：基于基因組數(shù)據(jù)，開發(fā)高密度的分子標(biāo)記（如SNP標(biāo)記），并進(jìn)行標(biāo)記的驗證和優(yōu)化。

*數(shù)字化保存平臺完善：完善種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，增加基因組數(shù)據(jù)、表型數(shù)據(jù)等，開發(fā)更多功能模塊（如數(shù)據(jù)可視化、關(guān)聯(lián)分析等）。

1.2.2進(jìn)度安排：

*第13-18個月：完成全基因組測序，進(jìn)行基因組組裝和初步注釋，建立基因組數(shù)據(jù)庫。

*第19-24個月：進(jìn)行分子標(biāo)記開發(fā)，完成標(biāo)記的初步驗證和優(yōu)化，形成高密度分子標(biāo)記體系。

*第25-30個月：完善數(shù)字化保存平臺，錄入基因組數(shù)據(jù)和更多表型數(shù)據(jù)，開發(fā)數(shù)據(jù)分析和可視化功能。

*第31-36個月：進(jìn)行中期成果總結(jié)，撰寫研究論文，準(zhǔn)備參加相關(guān)學(xué)術(shù)會議。

1.3第三階段：關(guān)鍵功能基因挖掘與基因編輯技術(shù)優(yōu)化（第37-60個月）

1.3.1任務(wù)分配：

*功能基因挖掘：利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)，篩選與產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等性狀相關(guān)的候選基因。

*基因編輯技術(shù)優(yōu)化：針對甘肅省特色農(nóng)作物（如百合），優(yōu)化CRISPR/Cas9等基因編輯技術(shù)，提高編輯效率和精準(zhǔn)性。

*基因編輯功能驗證：對篩選出的候選基因進(jìn)行基因編輯，驗證其功能，解析其作用機(jī)制。

*分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）模型構(gòu)建：利用已開發(fā)的分子標(biāo)記，構(gòu)建MAS模型，進(jìn)行早期選擇。

1.3.2進(jìn)度安排：

*第37-42個月：完成功能基因篩選，進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析。

*第43-48個月：優(yōu)化基因編輯技術(shù)，進(jìn)行基因編輯功能驗證實(shí)驗。

*第49-54個月：構(gòu)建MAS模型，進(jìn)行早期選擇實(shí)驗。

*第55-60個月：進(jìn)行中期檢查，總結(jié)階段性成果，撰寫研究論文。

1.4第四階段：分子設(shè)計育種模型建立與新品種培育（第61-84個月）

1.4.1任務(wù)分配：

*（）與大數(shù)據(jù)分析：利用和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立分子設(shè)計育種模型，預(yù)測作物性狀。

*全基因組選擇（GS）模型開發(fā)與應(yīng)用：開發(fā)GS模型，應(yīng)用于育種實(shí)踐，進(jìn)行高密度分子標(biāo)記輔助選擇。

*新品種培育：利用基因編輯、MAS、GS等技術(shù)，進(jìn)行新品種培育，開展田間試驗。

*數(shù)字化保存平臺升級：增加和GS模型分析功能，完善數(shù)據(jù)共享機(jī)制。

1.4.2進(jìn)度安排：

*第61-66個月：完成和GS模型開發(fā)，進(jìn)行模型訓(xùn)練和驗證。

*第67-72個月：應(yīng)用GS模型進(jìn)行育種選擇，開展田間試驗。

*第73-78個月：繼續(xù)新品種培育，進(jìn)行品種比較試驗。

*第79-84個月：進(jìn)行新品種示范推廣，總結(jié)項目成果，撰寫研究報告。

1.5第五階段：項目總結(jié)、成果推廣與平臺維護(hù)（第85-60個月）

1.5.1任務(wù)分配：

*項目總結(jié)：全面總結(jié)項目研究成果，包括理論貢獻(xiàn)、技術(shù)創(chuàng)新、品種培育等。

*成果推廣：制定成果推廣計劃，與農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門、種子企業(yè)合作，進(jìn)行新品種和技術(shù)推廣。

*平臺維護(hù)與更新：對數(shù)字化保存平臺進(jìn)行維護(hù)和更新，確保平臺的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)安全。

*論文發(fā)表與專利申請：完成研究論文的撰寫和投稿，申請發(fā)明專利和植物新品種權(quán)。

*結(jié)題報告準(zhǔn)備：準(zhǔn)備項目結(jié)題報告，整理項目檔案，進(jìn)行項目驗收。

1.5.2進(jìn)度安排：

*第85-90個月：完成項目總結(jié)，撰寫結(jié)題報告。

*第91-96個月：進(jìn)行成果推廣，開展技術(shù)培訓(xùn)和示范推廣活動。

*第97-100個月：完成平臺維護(hù)和更新，確保平臺穩(wěn)定運(yùn)行。

*第101-12個月：完成論文發(fā)表和專利申請，整理項目檔案，準(zhǔn)備項目驗收。

2.風(fēng)險管理策略

本項目在實(shí)施過程中可能面臨多種風(fēng)險，包括技術(shù)風(fēng)險、管理風(fēng)險、資金風(fēng)險等。針對這些風(fēng)險，制定了相應(yīng)的管理策略：

2.1技術(shù)風(fēng)險及應(yīng)對策略

*風(fēng)險描述：基因編輯技術(shù)效率不高或出現(xiàn)脫靶效應(yīng)，導(dǎo)致目標(biāo)性狀改良失敗或產(chǎn)生不良后果。

*應(yīng)對策略：加強(qiáng)與國內(nèi)外頂尖科研機(jī)構(gòu)的合作，引進(jìn)先進(jìn)的基因編輯技術(shù)和經(jīng)驗；建立嚴(yán)格的實(shí)驗操作規(guī)范，定期對基因編輯效果和脫靶效應(yīng)進(jìn)行檢測；備選技術(shù)方案：探索其他基因編輯技術(shù)或輔助技術(shù)（如轉(zhuǎn)錄調(diào)控技術(shù)），降低技術(shù)風(fēng)險。

2.2管理風(fēng)險及應(yīng)對策略

*風(fēng)險描述：項目進(jìn)度滯后，任務(wù)分配不合理，團(tuán)隊協(xié)作不暢。

*應(yīng)對策略：制定詳細(xì)的項目實(shí)施計劃，明確各階段任務(wù)和時間節(jié)點(diǎn)；建立有效的溝通機(jī)制，定期召開項目會議，及時解決項目實(shí)施中的問題；引入項目管理軟件，對項目進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和調(diào)整。

2.3資金風(fēng)險及應(yīng)對策略

*風(fēng)險描述：項目經(jīng)費(fèi)不足，資金使用效率不高。

*應(yīng)對策略：積極爭取政府、企業(yè)等多渠道資金支持；建立嚴(yán)格的財務(wù)管理制度，確保資金使用規(guī)范、高效；優(yōu)化項目預(yù)算，提高資金使用效率。

2.4自然災(zāi)害風(fēng)險及應(yīng)對策略

*風(fēng)險描述：甘肅地處西北干旱半干旱地區(qū)，易受干旱、冰雹等自然災(zāi)害影響，可能對田間試驗和種質(zhì)資源保存造成破壞。

*應(yīng)對策略：建立完善的災(zāi)害預(yù)警機(jī)制，制定應(yīng)急預(yù)案；采用抗逆性強(qiáng)的試驗材料，優(yōu)化田間管理措施；建設(shè)完善的種質(zhì)資源保存設(shè)施，提高抗災(zāi)能力。

2.5科研成果轉(zhuǎn)化風(fēng)險及應(yīng)對策略

*風(fēng)險描述：新品種培育失敗，或培育出的品種市場接受度低，難以實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。

*應(yīng)對策略：加強(qiáng)與市場調(diào)研機(jī)構(gòu)合作，深入了解市場需求，提高品種市場競爭力；建立產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化；提供技術(shù)培訓(xùn)和推廣服務(wù)，提升農(nóng)民應(yīng)用新技術(shù)的能力。

2.6政策風(fēng)險及應(yīng)對策略

*風(fēng)險描述：國家相關(guān)政策變化，影響項目實(shí)施或成果推廣應(yīng)用。

*應(yīng)對策略：密切關(guān)注國家農(nóng)業(yè)政策變化，及時調(diào)整項目實(shí)施計劃；加強(qiáng)與政府部門溝通，爭取政策支持；建立政策風(fēng)險評估機(jī)制，提前應(yīng)對政策變化帶來的影響。

通過制定科學(xué)的風(fēng)險管理策略，可以有效降低項目實(shí)施風(fēng)險，確保項目按計劃推進(jìn)并取得預(yù)期成果。

十.項目團(tuán)隊

本項目團(tuán)隊由來自甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、高等院校及企業(yè)的專家學(xué)者組成，團(tuán)隊成員在特色農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)、基因組學(xué)、基因編輯、分子標(biāo)記輔助選擇和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等方面具有豐富的經(jīng)驗和深厚的學(xué)術(shù)造詣，能夠確保項目研究的科學(xué)性和實(shí)用性。團(tuán)隊成員專業(yè)背景和研究經(jīng)驗具體如下：

1.項目負(fù)責(zé)人張明博士，遺傳育種學(xué)教授，長期從事特色農(nóng)作物遺傳資源保護(hù)和分子設(shè)計育種研究，主持完成多項國家級和省部級科研項目，在基因組學(xué)、基因編輯和分子標(biāo)記輔助選擇等方面具有豐富的經(jīng)驗，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文50余篇，申請發(fā)明專利10余項。

2.項目副負(fù)責(zé)人李強(qiáng)研究員，植物分子生物學(xué)專家，專注于作物基因編輯和功能基因組學(xué)研究，參與多項國際合作項目，在基因編輯技術(shù)和分子育種領(lǐng)域具有深厚的學(xué)術(shù)造詣，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文30余篇，主持完成國家級和省部級科研項目10余項。

3.項目成員王華博士，作物遺傳資源學(xué)專家，擅長種質(zhì)資源收集、鑒定和保存研究，參與完成甘肅省特色農(nóng)作物種質(zhì)資源數(shù)字化保存平臺建設(shè)，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文20余篇，申請發(fā)明專利5項。

4.項目成員趙敏博士，生物信息學(xué)專家，擅長基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)分析，參與多項生物信息學(xué)平臺開發(fā)，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文40余篇，主持完成國家級和省部級科研項目8項。

5.項目成員劉偉博士，基因編輯技術(shù)專家，在CRISPR/Cas9等基因編輯技術(shù)方面具有豐富的經(jīng)驗，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文20余篇，申請發(fā)明專利7項。

6.項目成員孫莉博士，分子標(biāo)記輔助選擇專家，擅長分子標(biāo)記開發(fā)和應(yīng)用，參與多項分子標(biāo)記輔助選擇模型構(gòu)建項目，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文30余篇，申請發(fā)明專利6項。

7.項目成員周強(qiáng)博士，作物育種