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2018年国家技术发明奖提名项目公示

2018年国家技术发明奖提名项目公示

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一、项目名称:扇贝分子育种技术创建与新品种培育  二、提名意见:  扇贝是我国海水养殖业的主导产业之一,缺乏良种严重制约了产业的健康发展,开发高效的分子育种技术是推动种业快速发展的关键要素。“扇贝分子育种技术创建与新品种培育”这一成果突破了扇贝种业的系列核心技术,发明了成套高通量、低成本全基因组分型技术,开发了贝类分子育种技术和遗传评估系统,培育出高产抗逆扇贝新品种,并进行大规模产业化推广养殖。该

  一、项目名称:扇贝分子育种技术创建与新品种培育

  二、提名意见:

  扇贝是我国海水养殖业的主导产业之一,缺乏良种严重制约了产业的健康发展,开发高效的分子育种技术是推动种业快速发展的关键要素。“扇贝分子育种技术创建与新品种培育”这一成果突破了扇贝种业的系列核心技术,发明了成套高通量、低成本全基因组分型技术,开发了贝类分子育种技术和遗传评估系统,培育出高产抗逆扇贝新品种,并进行大规模产业化推广养殖。该成果是在国家 973 计划和863 计划等多个国家重大项目支持下完成的,系列核心技术突破处于国际前沿,具有原始创新性,在国际方法学顶级杂志 Nature Methods 发表了论文,获得了国际发明专利等 30 项发明专利和软件著作权,分子标记辅助选育了第一个贝类品质改良的新品种“海大金贝”和第一个水产类的全基因组选育品种“蓬莱红 2 号”,引领了我国水产种业的技术进步,整体成果专家评价处于国际领先水平。

  该成果已获授权发明专利22件,包括2件国际专利,软件著作权8项,国家审定新品种2个。开发的高通量分型技术和培育的新品种已推广应用,近三年累计直接产值 33 亿余元、利润 11亿余元。2008 至 2017 年,推广扇贝良种养殖697万余亩,产量229万吨,创产值 207亿元,社会经济效益显著。

  提名该项目为国家技术发明奖二等奖。

  提名单位:山东省科技厅。

  三、项目简介:

  贝类占我国海水养殖产量近80%,扇贝养殖是其主导产业,良种匮乏是制约产业发展的关键因素。分子育种是国际育种技术的研发前沿和竞争热点。针对水产生物育种基础薄弱现状,大力发展分子育种技术,促进水产种业跨越发展,是保障水产养殖业健康可持续发展的重大科技需求。“十一五”以来,项目组围绕贝类种业核心技术展开攻关,发明了系列高通量低成本全基因组分型技术,开发了贝类分子育种技术和遗传评估系统,培育出高产抗逆扇贝新品种,实现大规模产业化推广养殖,取得显著社会经济效益。

  1、创建了新型高效全基因组标记筛查分型技术

  1)建立等长标签简化基因组分型技术2b-RAD,解决国际同类技术流程复杂、成本高、灵活性差等问题;发明高通量液相杂交分型技术,可高效检测SNP、Indel等,且突破SSR标记不能高通量分析局限,费用较商业芯片节省90%以上;开发了首个可实现DNA甲基化精确定量的RAD类技术。2)创新性提出基于混合泊松分布模型的分型算法iML,解决重复序列干扰难题,准确率较国际算法提高20%以上;发明Domcalling分型算法,解决RAD类技术无法利用显性标记,提高分型效率40%;研发首个可同时分析共显性和显性标记的软件包RADtyping。论文发表于国际方法学顶级刊物Nature Methods等,推动我国水产分子育种技术跃居国际前沿。

  2、研发了贝类分子育种技术与遗传评估系统

  1)建立贝类分子标记辅助育种技术。构建国际首张精度突破0.5cM的水产生物遗传图谱,定位QTL55个,鉴定到生长主效基因Prop1、类胡萝卜素积累关键基因BCO-like1等32个;揭示扇贝应对高温级联网络调控机制,10余个标记已应用于良种选育。建立了集图谱构建、QTL基因定位及分子标记辅助选育的技术体系,应用BCO-like1基因标记育成“海大金贝”。2)建立多种全基因组选择育种新算法和模型,开发了LASSO-GBLUP模型,解决了数据降维与精准度冲突的国际难题;研发了第一个贝类全基因组选择育种评估系统,育成“蓬莱红2号”扇贝新品种,引领了水产育种技术发展。

  3、开发了扇贝高产抗逆新品种培育技术体系

  1)开发贝类性状自动测量记录系统;建立基于心跳频率的扇贝耐温性状精确测定技术;研发LIBS与拉曼光谱的贝壳组分快速分析技术,实现扇贝性状与环境要素高通量快速测定。2)构建扇贝种质库、分子育种信息库、标签库和探针库等。集多种育种技术,与种业企业相结合,构建了扇贝育种网络平台。3)应用所研发的分子育种技术,育成系列扇贝新品种。标记辅助选育的富含类胡萝卜素“海大金贝”开创海水动物品质改良先例,高产抗逆“蓬莱红2号”为国际首个全基因组选育水产良种。良种良法,推动我国水产种业跨越发展。

  项目近三年直接产值33.56亿元、利润11.49亿元。2008至2017年推广扇贝良种697.40万余亩,产量229.41万吨,创产值207.25亿元,提供就业岗位18万余个,社会经济效益显著。

  本发明属水产学基础学科;获发明专利22件,软件著作权8件,新品种2个,发表论文25篇。

  四、客观评价:

  1、成果评价

  经教育部组织鉴定,以桂建芳院士为组长的专家组评价“项目在新型基因组标记分型技术方面的系列创新,为实现水产生物分子育种提供了关键技术支撑;率先开发出贝类全基因组选择育种评估系统和全基因组选择技术,培育出栉孔扇贝‘蓬莱红2 号’等新品种;形成了扇贝高产抗逆新品种培育和性状评估技术体系,项目成果取得了重大经济、社会效益。” 鉴定委员会认为“该项成果在水产生物分子遗传育种领域达到了国际领先水平”。

  2、国内影响

  1)针对项目组开发的新型高效全基因组分子标记分型技术,十二五国家“863”计划重大项目验收意见:“在贝类组学分析新技术、新方法研发方面取得重要突破,成果发表于国际方法学权威期刊《Nature Methods》”。

  2)十一五“863”重大项目验收评价“研究水平居国际领先”,成果被选为863亮点与典型案列成果,入选“863计划实施25周年重大成就及典型案列研究”。

  3)十二五“863”专家组验收评价“全基因组选择达到实际应用,技术水平处国际前沿”,成果被选为重大标志性成果,领域办在国内媒体推介“推动了海洋贝类基因组育种发展,全基因组选择技术研究已应用于育种实践”。

  3、国际影响

  1)所研发2b-RAD 技术发表于国际方法学权威期刊《Nature Methods》。美国爱达荷大学Andrews博士等在2016 年发表的《Nature Reviews Genetics》中多次评述2b-RAD 技术优势,认为2b-RAD 技术可有效规避国际同类技术中由于酶切片段长度不等而造成的位点间测序均匀度差的问题。

  美国科学家利用2b-RAD技术在《Science》发表论文(PMID: 26113720)成功定位了与珊瑚耐高温相关的基因组区段及候选基因位点。所建立的全基因组分型技术系统已被广泛应用于扇贝、珠母贝、河蟹、海参、对虾、银鲫、裙带菜等水产生物,及拟南芥、水稻、小麦、大豆、花生、马铃薯、牛、巴马猪、线虫、小鼠等多种农作物、畜牧和模式动物。国际上已多次举办针对该技术进行普及推广的workshop。

  近期在2b-RAD 技术基础上,项目组成功研发了串联标签测序技术(Multi-isoRAD 技术),使得分析成本大大降低,测序成本仅为技术改进前的十分之一。鉴于该技术的新颖性,国际权威期刊《Nature Protocols》特邀发表该技术。

  2)所研发的无参基因组精准SNP 分型新算法和软件已被2篇《PLoS Genetics》论文所引用(PMID: 23593039 &26828719)。国际F1000权威专家、法国CNRS 中心主任Nicolas Galtier 教授评价iML 算法“解决了重复序列干扰分型准确率的难题”。英国塞恩斯伯里实验室(TSL)生物信息学首席科学家Dan MacLean博士于2014年在《BMC Genomics》发表综述文章,重点评述了iML 算法的原理及应用优势。

  3)已完成的栉孔扇贝高精度遗传连锁图谱,为国际上水产生物首张精度突破0.5cM 的遗传图谱,被国际著名期刊《DNA Research》杂志选为亮点文章(featured article),主编评价为“具有里程碑意义的工作”。《Molecular Ecology Resources》评审专家高度赞赏项目组所建立的基因网络分析方法,评价其“毫无疑问地填补了基因表达分析领域的空白,将RNA-seq 分析推进一步,并从中获得系统性认识是个很好的思路,我们确实从中受益良多”。国际知名贝类学家、美国罗格斯大学郭希明教授于2015年在《Fish & Shellfish Immunology》发表综述文章,评价项目组在牡蛎高温耐受的基因网络调控机制解析方面的研究结果“为理解牡蛎‘获得性耐热现象’的产生提供了的分子机理解释”。

  4)所研发的QuickCI 算法和软件被以色列特拉维夫大学、英国牛津大学人类遗传中心、德国费里茨李普曼研究所和意大利比萨高等师范学校等研究单位在人类遗传病和衰老研究中应用。

  五、推广应用情况:

  开发的高通量全基因组标记分型技术系统,目前已被广泛应用于扇贝、珠母贝、河蟹、海参、对虾、银鲫、裙带菜等水产生物,及拟南芥、水稻、小麦、大豆、花生、马铃薯、牛、巴马猪、线虫、小鼠等多种农作物、畜牧和模式动物。培育的“海大金贝”、“蓬莱红2号”等扇贝新品种和品系已推广应用,近三年累计直接产值 33 亿元、利润 11亿多元。2008 至 2017 年,推广扇贝良种养殖697万余亩,产量229万吨,创产值 207亿元,社会经济效益显著。

  六、主要知识产权证明目录:

  发明专利

  1. Breeding Method for Orange-Adductor-Muscle Scallop(美国专利授权,US 8544415B2)

  2. Breeding Method for Orange-Adductor-Muscle Scallop(日本专利授权,特许第5543583号)

  3. 一种橘红色闭壳肌扇贝的培育方法(发明专利授权,ZL 200910231570.0)

  4. 高产抗逆栉孔扇贝与华贵栉孔扇贝远缘杂交育种方法(发明专利授权,ZL 200610076943.8)

  5. 高产抗逆杂交扇贝品种的育成方法(发明专利授权,ZL 200610076945.7)

  6. 一种基于液相分子杂交原理的高通量低成本SNP分型方法(发明专利授权,ZL 201310549040.7)

  7. 一种高通量全基因组DNA甲基化检测技术(发明专利授权,ZL 201310163085.0)

  8. 一种用于大规模、高通量基因分型的贝类DNA快速提取方法(发明专利授权,ZL 201310275266.2)

  9. 快速分离、筛选贝类微卫星标记的方法(发明专利授权,ZL 200510044796.1)

  10. 栉孔扇贝TGF-β I型受体基因及其SNP位点(发明专利授权,ZL 201210439861.0)

  11. 一种虾夷扇贝生长性状相关的SNP位点及其检测和应用(发明专利授权,ZL 201410035028.9)

  12. 一种利用心跳作为海湾扇贝亲贝选育指标的方法(发明专利授权,ZL 201510515400.0)

  13. 一种基于心跳指标的快速评估扇贝抗性的方法(发明专利授权,ZL 201510519545.8)

  14. 一种基于扇贝心跳指标的快速选种方法(发明专利授权,ZL 201510515340.2)

  15. 利用物理方法诱导异源三倍体扇贝的一种多倍体育种方法(发明专利授权,ZL 200510044799.5)

  16. 一种栉孔扇贝基因的染色体定位方法(发明专利授权,ZL 200810138645.6)

  17. 体外扩增特定环形或串联体核酸的方法(发明专利授权,ZL 200410035814.5)

  18. 一种调节海水酸度的海洋生物养殖装置(发明专利授权,ZL 201510625978.1)

  19. 一种饵料藻自动培养与投加装置(发明专利授权,ZL 201310278454.0)

  20. 一种饵料藻自动培养与投加方法(发明专利授权,ZL 201310277425.2)

  21. 一种高通量、多种类型分子标记通用的分型技术(发明专利授权,ZL201510307506.1)

  22. 一种栉孔扇贝生长性状相关的SNP位点及其应用(发明专利授权,ZL201510638440.4)

  软件著作权

  23. 贝类遗传育种分析评估系统V1.0(登记号2010SR038842)

  24. 扇贝表型性状自动测量记录系统V1.0(登记号2010SR033962)

  25. RADtyping:无需参考基因组的单核苷酸多态性(SNP)精准分型软件V1.0(登记号2014SR028449)

  26. LASSO_GBLUP:基于区分主效基因和微效基因的基因组选择软件V1.0(登记号2014SR013876)

  27. Gsbay:基于bayes方法的基因组选择软件V1.0(登记号2012SR044220)

  28. Sky:利用分子标记计算关系矩阵的软件V1.0(登记号2013SR049813)

  29. gsim:基因组选择模拟软件V1.0(登记号2015SR070443)

  30. QuickCI:QTL置信区间快速计算软件V1.0(登记号2015SR070671)

  新品种证书:

  31. 虾夷扇贝“海大金贝”(品种登记号:GS-01-002-2009)

  32. 栉孔扇贝“蓬莱红2号”(品种登记号:GS-01-006-2013)

  论文及专著

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  七、主要完成人:

  1、包振民,教授,中国海洋大学海洋生命学院

  2、王师,教授,中国海洋大学海洋生命学院

  3、胡晓丽,教授,中国海洋大学海洋生命学院

  4、李恒德,研究员,中国水产科学研究院

  5、梁峻,常务副总裁,獐子岛集团股份有限公司

  6、王有廷,总经理,烟台海益苗业有限公司

  八、完成人合作关系说明:

  项目完成人包振民、王师、胡晓丽均为中国海洋大学海洋生命学院教授,长期从事扇贝遗传学与育种技术研究。包振民教授作为研究团队带头人,负责了项目的整体设计与研发,重点负责贝类全基因组选择育种技术体系建立,以及“海大金贝”、“蓬莱红2号”等扇贝新品种的培育与推广。王师教授在本项目中负责全基因组分型相关技术及算法研发,开发了新型、高效简化基因组测序技术、无参基因组SNP分型新算法和软件、低成本全基因组DNA甲基化检测新技术MethylRAD等,为实现水产经济生物全基因组选择育种和分子标记辅助育种等奠定关键技术平台。胡晓丽教授在本项目中负责贝类分子标记辅助育种技术研发,构建了扇贝高精度遗传连锁图谱,定位了性状相关基因,解析了扇贝TGF-B、IGF等信号通路基因变异与表达调控、表型性状间的关系,为“海大金贝”等良种的选育提供了关键基因和位点。李恒德研究员自2008年起与包振民教授团队合作,并在包振民教授实验室完成了“基因组选择算法设计及程序开发”的博士后研究工作,在本项目中负责贝类全基因组选择算法研发及优化,研发了LASSO-GBLUP和gsbay基因组选择软件、基因组选择模拟分析软件gsim等系列软件,为建立具有自主知识产权的贝类全基因组选择育种评估系统平台奠定重要基础。獐子岛集团股份有限公司与包振民教授长期开展扇贝育种研究,公司常务副总裁梁峻在本项目中参与了扇贝良种培育技术体系的建立,负责“海大金贝”的培育,家系和群体的维护和保种,以及大规模苗种生产及推广。烟台海益苗业有限公司自2009年起与包振民教授合作开展总扇贝良种选育和苗种繁育,公司总经理王有廷在本项目中参与了扇贝良种和品系性能测试,负责扇贝良种和品系大规模苗种生产及推广。

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