行业领域

生物产业,现代农业

需求背景

种子是农业的“芯片”，种子的耐储存能力直接关系到种质资源保存、农业生产用种安全、粮食储藏安全及国家粮食安全。禾本科（Gramineae）作为全球最重要的粮食作物科属，涵盖了水稻、小麦、玉米、大麦、高粱等主要口粮和饲料作物，其种子耐储存性状的遗传改良对于保障全球粮食供给具有举足轻重的战略意义。

据统计，我国因不当储藏导致的稻谷年损失超过3%，全球因穗发芽造成的年经济损失高达10亿美元。禾本科种子在储藏过程中普遍面临老化劣变问题——膜系统损伤、DNA损伤、蛋白质合成能力下降、活性氧过量积累是引起或加剧种子老化的主要原因。研究表明，禾本科牧草种子耐贮性总体低于豆科作物，室温贮存5年后仍具较高发芽率的禾本科种类有限，贮存10年后除少数种类外几乎全部丧失发芽率。种子在贮藏过程中衰老即可直接导致出苗迟缓、幼苗畸形、最终影响作物产量，也可导致商业储藏中粮食品质的下降。

近年来，国内外在禾本科种子耐储存基因研究方面取得了重要进展。在水稻中，南京农业大学万建民院士团队成功克隆了位于第9号染色体上的主效种子储藏能力基因SAG9，揭示了SAG9-bZIPs-LEAs协同调控种子休眠与储藏能力的分子机制；湖南农业大学农学院通过全基因组关联研究鉴定出种子耐贮性基因SS7，阐明了其通过调节活性氧积累和过氧化氢清除来正向调控种子耐贮性的新机制；江西省农业科学院水稻研究所联合QTL定位、BSA-seq和RNA-seq等方法，从全球分布最北端的东乡野生稻中鉴定到水稻耐储基因qSS6.1的自然变异。在玉米中，西北农林科技大学联合中美五团队解析了ZmPIMT1基因通过修复mRNA polyA结合蛋白PABP2来正向调控种子活力的分子机制；中国农业大学克隆了种子耐贮性正调控基因ZmRap2.7，解析了其通过抑制ABA信号促进种子萌发的调控网络。

然而，当前研究仍面临诸多瓶颈：耐储存关键基因的挖掘仍以单作物、单基因为主，缺乏对禾本科不同物种间耐储性分子机制的横向比较与共性规律解析；已鉴定的QTL和基因位点分散，优异等位基因在驯化过程中大量丢失；耐储性与产量、品质等重要性状之间的遗传权衡机制尚不清晰；分子标记辅助选择和基因编辑技术在耐储种质创新中的应用仍不够系统深入。因此，系统开展禾本科种子耐储存关键性状基因挖掘，解析其分子调控网络，创制耐储优异种质，对保障我国粮食储藏安全、减少产后损失、推进种业振兴具有重大意义。

需解决的主要技术难题

耐储存关键基因的高效克隆与功能验证。种子耐储性是由多基因控制的复杂数量性状，已报道的QTL分布于多条染色体，如何整合QTL定位、全基因组关联分析、BSA-seq和RNA-seq等多组学手段，高效克隆控制耐储性的主效基因，并通过CRISPR/Cas9等基因编辑技术进行功能验证，是突破研究瓶颈的核心难题。

耐储性分子调控网络的解析。种子耐储性受脱落酸和赤霉素等植物激素、活性氧与活性氮、可溶性糖等多种内源活性物质调控，如何系统解析已克隆基因（如SAG9、SS7、ZmPIMT1、ZmRap2.7等）之间的协同与拮抗关系，构建完整的耐储性分子调控网络，是理解耐储机制的关键。

耐储性与产量、品质等重要农艺性状的遗传权衡与聚合育种。研究表明，驯化过程中对快速发芽的选择在一定程度上牺牲了种子的储藏能力，如何在维持产量和品质的前提下聚合耐储优异基因，实现多性状协同改良，是育种应用面临的重要挑战。

耐储存种质资源的系统筛选与精准评价。禾本科不同物种、不同品种间种子耐储性差异显著，如何在自然老化和人工加速老化条件下建立标准化的耐储性评价体系，实现大规模种质资源的高通量、精准鉴定，是基因挖掘的首要前提。

期望实现的主要技术目标

a. 筛选获得高耐储禾本科种质资源：水稻、玉米、小麦各不少于10份，自然储存4年后发芽率≥70%

b. 克隆/鉴定禾本科种子耐储存关键基因：不少于3个（如水稻SAG9、SS7，玉米ZmPIMT1、ZmRap2.7等），明确其分子功能与调控机制

c. 解析耐储性分子调控通路：构建不少于2条关键调控通路（如SAG9-bZIPs-LEAs通路、活性氧清除通路等）

d. 开发耐储性分子标记：不少于5个，可用于耐储种质的标记辅助选择育种

e. 创制耐储优异新种质：利用CRISPR/Cas9基因编辑或分子标记辅助选择，创制耐储性显著提升（储藏能力延长≥6个月）且主要农艺性状不受明显影响的禾本科新种质不少于5份

f. 发表高水平研究论文：不少于3篇，申请发明专利不少于2项