2021年2月,美國農業部農業研究局(ARS)發布“植物遺傳資源、基因組學和遺傳改良計劃(國家301計劃)2020財年報告”,報道了2020年度該計劃取得的最新成果,經分析歸納出美國在該領域的主要研究方向和進展。

一作物遺傳改良
研究成果主要聚焦于特定性狀的基因鑒定、新品種的培育與開發、分子標記、轉化體系等育種工具的開發和品種、品系、品質的鑒定。
在特定性狀的基因鑒定方面,主要針對生菜、番茄、大豆、高粱、小麥、向日葵、黑莓和棉花8種作物開展了研究,涉及的性狀包括抗炭疽病、抗銹病、抗褐斑病等抗病害性狀,抗褐變、產量、提高消化率、籽粒大小、甜度、纖維強度等品質性狀以及耐旱性、傳粉效率等環境適應性狀。
在新品種培育與開發方面,已發布的作物品種有馬鈴薯、大麥、小麥、豌豆、花豆、大豆、甘蔗、桃子、黑莓；得到改良的性狀涉及抗鐵杉球蚜、抗小麥條紋花葉病毒和小麥花葉病毒、抗白粉病、抗菜豆普通花葉病毒、抗豆銹病、抗褐銹病和黃銹病、抗甘蔗螟、抗褐銹病或黑穗病等抗病害性狀,產量、加工特性、高β-葡聚糖含量、高蛋白含量、高纖維含量、花青素含量、硬度、顏色等品質性狀,以及越冬性、抗旱、抗寒、耐受低肥力等非生物脅迫耐受性狀。
在分子標記、轉化體系等育種工具的開發方面,建立了以高粱早花為靶點的遺傳轉化體系,可加快高粱新品種的工程化過程；開發出高粱早季耐寒遺傳標記,可被用作鑒定6條先進回交系的選擇工具；發現適用于小麥顯性雄性不育(DMS)的DNA標記,可用于在育苗階段鑒定不育植株,使大規模標記輔助回交和基因聚合成為可能。
在品種、品系、品質鑒定方面,從200多個大豆親本中鑒定出27個抗擬莖點霉和發芽率高的大豆品系；完成了對低降落數值有穩定高抗性的美國西北部冬春小麥品種的鑒定；開發出一種高通量計算機視覺方法來測量蔓越莓果實品質的方法。

二植物、微生物遺傳資源和信息管理
研究成果主要聚焦于育種信息平臺開發,新微生物資源發現,種質資源鑒定、保護、挖掘及應用,基因組及重要基因研究和植物病害精準診斷方面。
在育種信息平臺開發方面,開發出育種洞察(Breeding Insight)平臺,目前處于試驗階段,重點為6個ARS育種計劃(藍莓、鮮食葡萄、紅薯、苜蓿、虹鱒魚和北美大西洋鮭魚)建立支持服務,未來將擴展到所有ARS特色作物、動物和自然資源育種項目。
在新微生物資源發現方面,首次發現了導致夏威夷果減產的疫霉菌(Phytophthora heveae)；在魷魚卵上發現了生成新型抗生素的細菌,這些細菌及其產生的抗生素可以抑制鐮刀形霉菌和白色念珠菌生長,對促進全球公共衛生意義重大。
在種質資源鑒定、保護、挖掘及應用方面,針對阿拉比卡咖啡品種開發了96種高質量遺傳標記核心集,可用于拉丁美洲、亞洲和非洲的咖啡苗圃認證；完成了對美國600個農作物野生近緣種地理分布和保護狀況的全面分析；研究了36個野生蔓越莓種群,揭示了其豐富的遺傳多樣性和獨特的性狀；開展了銀膠菊(guayule)種質的表型分析,為銀膠菊親本品種選育提供了基礎；將葉子有獨特蠟質結構的性狀引入高級洋蔥選育株系中,培育出抗薊馬洋蔥品種；開發出可分析整個DNA序列的人工智能程序,用于發現具有控制重要農藝性狀基因的植物；對29種藍莓進行斑翅果蠅幼蟲和成蟲攝食抗性測定,發現10種具有果蠅攝食抗性的藍莓品種。
在基因組及重要基因研究方面,對Williams 82參考基因組序列進行了重大改進,并為其他2種大豆構建了新的基因組組合；開發并鑒定了小麥D基因組嵌套關聯圖譜(DNAM)面板,使用了與硬白育種品系雜交的山羊草種質,在該種群中發現了對小麥條銹病和禾谷胞囊線蟲病的新型抗性；鑒定出控制胡蘿卜花青素色素含量和營養質量的3個主要基因,提供了花青素積累機制的新見解和改善胡蘿卜顏色與營養的育種策略；開發了麥廮蠅抗性基因h4、H7、H35和H36的新型DNA標記。
在植物病害精準診斷方面,開發出用于診斷啤酒花白粉病病原菌小種的DNA測試,可在數小時內準確確認病原體種族；開發出高靈敏度的鱷梨日斑類病毒(avocado sun blotch viroid)檢測方法；建立了完善的葉緣焦枯病菌(Xylella)的檢測和監測方案,用于山核桃種質資源監測和無病種質篩選。

三作物生物學和分子過程
研究成果主要集中在作物與環境因素及其微生物的互作機制,新技術、新工具開發,調控機理和基因及基因組研究方面。
在作物與環境因素及其微生物的互作機制研究方面,確定了高粱褐色中脈品系Bmr12木質素合成的相關基因及途徑,將有助于開發出更具氣候適應性和抗病性的高粱品種；發現了玉米中微生物依賴性雜種優勢(hybrid vigor)現象,即玉米雜種優勢部分來自與微生物鄰居的相互作用；開發出一種高效的線蟲類生物殺蟲劑,可有效防治蔓越莓跳甲(cranberry flea beetle)蟲害；
在新技術、新工具開發方面,采用高光譜照相技術將測量每株植物光合作用所需的時間縮短至15秒,提高了收集多種作物基因型光合表型的效率,并確定了從與光合作用相關的高光譜數據中識別7個重要葉片性狀的方法；完成了西瓜枯萎病和木瓜環斑病毒抗性基因的鑒定及DNA標記開發；利用蔓越莓種質篩選鑒定出低檸檬酸蔓越莓品系,通過遺傳定位、開發相應分子標記,證實其與低酸果實的遺傳關聯；對大量木薯貯藏根進行基于圖像的表型分析和基于基因組序列的DNA指紋分析,鑒定出決定木薯根系大小和形狀的關鍵染色體區域；開發出一種殺菌劑抗性管理“工具箱”,可用于早期檢測甜菜葉中的環孢菌(cercospora)及與耐藥性相關的突變；首次使用無人機成像和深綠色指數(DGCI)測量繪制大豆冠層的綠色度,鑒定出與大豆冠層綠色強度相關的基因組區域。
在調控機理研究方面,揭示了阿魏酸-5羥基化酶(F5H)在木質素合成中的作用及其改變高粱生物量木質素組成的新途徑；首次確定了馬鈴薯綠化和糖苷生物堿(glycoalkaloid)生物合成之間的機理聯系,為抗綠化馬鈴薯品種培育提供了新途徑；確定了小麥由Q基因控制的遺傳途徑和過程,為培育產量更高、更有彈性的小麥品種提供了支持。
在基因及基因組研究方面,玉米遺傳學和基因組學數據庫(MaizeGDB)發布了26種新的注釋玉米基因組,將有助于更好地理解植物基因和田間觀察到的性狀之間的關系；實現了鐮刀菌頭枯萎病抗性基因Fhb7的克隆和導入,為小麥FHB抗性育種提供了解決方案；對南方高叢藍莓(SHB)、北方高叢藍莓(NHB)和藍莓兔眼品種的基因型分析,為育種者在培育適應當地氣候的種質資源時所采取的差異性基因選擇策略提供參考；鑒定出控制油菜脂肪酸合成的候選基因,可作為基因組輔助育種的精確靶點,培育出籽油成分和質量改善的品種。

四作物遺傳學、基因組學和遺傳改良的信息資源和工具
通過高效獲取基因型和表型數據構建遺傳信息圖譜。
對美國山核桃品種87MX3-2.11、Lakota、Elliott和Pawnee進行了全基因組測序,繪制了山核桃基因定位和功能的遺傳藍圖；采用高通量預測模型,利用近紅外光譜技術確定銀膠菊中的樹脂和橡膠,最大限度提高銀膠菊的橡膠和樹脂表型效率；開發了馬鈴薯塊莖的計算機視覺數據采集與測量工作流程,可以高效獲取馬鈴薯塊莖的大小、形狀、表皮和肉質等表型數據。