973项目申报书-作物养分高效利用的信号转导和分子调控网络.doc

项目名称： 作物养分高效利用的信号转导和分子调控网络 首席科学家： 凌宏清 中国科学院遗传与发育生物学研究所 起止年限： 2011.1至2015.8 依托部门： 中国科学院  二、预期目标 总体目标 深入认识主要农作物氮、磷、钾养分信号转导，养分活化、吸收、转运和代谢过程的分子调控网络以及它们与高产潜力形成的协同关系，挖掘一批氮、磷、钾高效利用的关键调控因子与结构基因，创制氮、磷、钾高效优异种质材料，为培育养分高效高产农作物新品种提供理论依据、优异基因与种质资源，使我国养分高效高产良种培育分子设计理论与方法等方面取得重大突破，为我国农业可持续发展和粮食安全做出不可替代的贡献。同时培养和建立一支高素质的研究队伍。 五年预期目标 1、探明硝酸盐转运体OsNRT2.3a和OsNRT2.3b及其伴侣蛋白OsNAR2.1在水稻氮素吸收转运及其植株生长发育中的调控机制和功能，分离控制水稻氮肥利用效率的主效QTL--qNGR9基因，并揭示其调控机制和生物学功能；为通过分子遗传学途径培育适应不同生态环境条件的氮素高效作物品种提供关键基因和材料。 2、揭示磷信号调控因子PHR2调控水稻磷生理利用与生长限制因子的作用机制，克隆相关基因并探明其功能。获得在PHR2介导的养分吸收增强背景下，养分高效高产育种材料（杂交稻亲本与高产高效优质材料）。通过深入系统地研究磷信号途径相关基因（SPX家族基因），揭示磷信号分子调控网络，在植物磷信号途径及高效机理上有新的突破。明确OsAKT1及其调控因子在水稻钾吸收中的分子调控机制。探明氮、磷、钾养分高效的协同关系，为养分高效作物育种提供理论依据。 3、建立我国氮、磷高效核心种质优良等位基因的聚合材料，探明其高效特性的遗传与生理基础及其对不同土壤条件的响应机制，克隆优良等位基因，并揭示其功能。 4、明确磷、钾高效根系建成与养分活化的遗传与分子机理；揭示不同土壤条件对其适应机制的影响。挖掘一批磷、钾高效吸收利用的关键基因，为从根系改良途径培育磷、钾高效高产作物新品种提供优异种质材料和重要功能基因。 5、在国内外主流学术期刊发表SCI论文50-60篇；创制养分高效高产遗传与育种材料10-15份；申请发明专利10-15项；培养博士研究生50-60名；培养硕士研究生20-30名；培养博士后10-15名；培养优秀青年人才8-10名。  三、研究方案 学术思路 本项目的总体学术思路为： 通过分子设计与遗传改良实现作物养分高效与高产需要回答以下问题： 1、能否通过分子调控有效地提高作物养分吸收效率并将其转化为生产力？ 2、养分高效高产优良等位基因是否具有遗传聚合效应并能有效地提高养分利用效率与产量潜力？ 回答上述问题需揭示作物活化土壤养分、增强养分吸收转运、高效代谢利用吸收的养分并转化为生产力途径的协同调控机制，为此本研究总体思路如下： C3、C4 C3、C4作物养分高效高产聚合效应及其调控机制比较 N、P、K信号转导调控网络及高效吸收利用协同机制 根系活化吸收 技术途径 根构型与生理特征 根构型与生理特征 优异遗传材料 信号转导与调控网络 优良基因及等位变异 聚合效应及土壤环境影响 养分高效与高产性状的协同关系 养分高效与高产 利用前期筛选及创建的优异遗传与种质材料为基础，从以下层面上分析其优异材料的分子生理基础： 1、养分高效根构型建成及活化土壤养分的分子生理基础 利用已建立的二维和三维根构型定量分析系统，研究在不同土壤条件下养分供应强度变化对作物根构型（根系向地性、根系伸长、侧根分化、根毛形成）性状的影响，明确优异遗传材料养分高效根构型建成的分子生理基础。利用模拟田间养分分布及有效性的试验体系，进行原位收集、测定根系不同部位分泌物，研究作物根系分泌物在不同土壤条件下的特征及其对土壤养分的活化作用。再通过田间原位试验，评价优异遗传材料对不同土壤养分的活化效果，明确根系高效活化、吸收土壤养分的生理及分子机理。 2、氮、磷养分信号的分子调控网络 基于现有的优异遗传材料，结合前期克隆的氮、磷关键调控基因，通过正向遗传学方法，利用转录组学、蛋白组学、代谢组学、高通量养分分析（ICP，GC－MS等）及生理与分子生物学技术（蛋白质亚细胞活体定位，电生理等），系统研究氮、磷关键调控基因的互作网络。利用反向遗传学方法，对该网络中的重要节点基因进行功能验证。 3、优良基因及等位变异的分离 对已筛选获得的优异遗传材料构建遗传分析群体，并进行养分高效利用性状的遗传因子定位；对现已鉴定的氮、磷养分高效利用的QTLs，进行进一步的遗传精细作图，利用图位克隆法分离其基因；对已克隆的参与氮、磷、钾吸收利用的关键结构与调控基因，结合TILLING和Eco-TILLING技术鉴定其养分高效高产的优良等位变异。 4、养分高效利用优良基因及QTLs的聚合效