1、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
2、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
3、 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
4、 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
5、本研究总体思路如下：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
6、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，GCMS 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
7、。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 的聚合效应分析对现已鉴定的养分高效利用主效 QTLs、优良基因及等位变异，利用分子标记辅助选择的方法进行聚合， 结合根系定量测定、养分高通量分析等技术手段，对这些聚合材料在我国不同土壤类型的田间养分定位试验站进
8、行养分吸收利用效率和产量性状的评价，揭示聚合效应与土壤环境和高产性状的协同关系。5、养分高效高产田间评价协作网络的建立为客观地评价通过遗传与分子改良对提高作物养分吸收利用效率，并最终转化为生产力的效应，有必要在我国主要粮食产区、不同土壤生态区建立养分效率田间评价协作网络，由项 目统一协调，承担 单位负责 具体试验实施。 经上一期973 资助，本项目研究团队 已建立了如下 3 个代表不同土壤类型的长期定位试验站：华中地区（水稻土）试验站：水稻高效高产评价长江下游地区（水稻土，旱作）试验站：水稻、小麦高效高产评价华南地区（酸性红壤，旱作与水稻土）试验站：大豆、水稻高效高产评价还拟新建 2-3 个养
9、分定位试验站，包括：东北地区（黑土，旱作与水稻土）试验站：大豆、水稻、玉米养分高效高 产评价华北地区（石灰性土壤，旱作）试验站：小麦、玉米养分高效高产评价项目具有如下创新性：1、 研究思路新：本项目结合我国主要土壤类型中养分有效性的实际情况，以养分高效吸收与生理利用协同调控为基础的高效高产品种培养为目标,其研究结果可直接指导生产实际中养分高效高产品种的分子设计与选育。2、 研究方法的创新性：本项目主要研究内容涉及的研究技术已自主建立，包括根构型三维定量分析系统，养分高通量分析平台，我国不同土壤类型田间养分定位试验系统。3、 研究材料的自主性：基于上一轮 973 项目的研究成果，已获得一批重要养
10、分吸收转运的优良遗传材料及调控基因，包括转基因材料、近等基因系、 优良核心种质资源及其相关遗传群体。与国内外同类研究相比的创新点与特色目前作物养分吸收转运及其信号转导相关成果主要来自于本项目团队所在的实验室，国际上同类研究主要集中在模式植物拟南芥上，其研究成果很难直接指导实际生产；本研究通过前一期 973 项目的支持，形成了一个稳定的、优势互补的协作研究团队，能够更加有效地解决领域内重大问题，而国际上相关同行主要是以单个实验室为基础针对某个特定的科学问题加以研究，很难系统地揭示养分高效与高产的协同关系；本研究建立的养分高通量分析平台及基于我国不同土壤类型田间养分定位试验的作物养分高效高产综合评
11、价体系是国内外同行都难以建立的。取得重大突破的可行性1、项目的前沿性与已具备的工作基础本项目瞄准作物氮、磷、钾高效吸收利用的协同调控机制，养分信号转导及其分子调控网络，养分高效与高产生理机制的协同关系，对我国特有的优异种质及自主创制的遗传材料的养分高效与高产遗传基础与分子机理开展系统研究，在理论与方法上均具有前沿性。研究结果将回答目前植物养分高效高产研究中的关键理论问题，并为通过 分子设计与遗传改良培育养分高效高产作物品种提供理论依据、遗传材料及基因 资源。相关的研究材料已自主创建，包括优良种质材料、 转基因材料、 遗传群体及近等基因系材料。相关研究单位已建立了田间养分高效高产评价的长期定位试
12、验基地，植物营养生理生化分析测试平台，功能基因组研究的先进技术体系，并与遗传育种学家建立了密切的合作关系，为实现本研究的预期目标提供了坚实的基础。2、研究队伍包括全国的主要优势单位本项目整合了全国从事作物氮、磷、钾养分遗传与分子生物学研究的主要优势单位，如中国科学院植物 细胞与染色体工程国家重点实验室、中国农业大学和浙江大学的植物生理学与生物化学国家重点实验室、华南农业大学根系生物学研究中心、华中农业大学作物 遗传改良国家重点实验室、南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室、中国农业大学农业部植物营养学重点实验室等。集聚了一批中青年学术骨干与一批近年来学成归国的留学博士。研究队伍知识和年龄
13、结构合理，有较强的创 新能力、良好的工作 积累和丰富的实践经验，学科背景齐全。各研究组的实验室在关键技术，研究材料， 设备设施上各具特色，优势互补。3、广泛的国际合作项目参加单位与国际上本领域高水平的实验室具有良好合作关系，如英国洛桑实验站的 Tony Miller 教授与赵方杰教授；德国科隆大学的 Marcel Bucher 教授；德国植物遗传与栽培作物研究所（IPK）的 von Wiren 教授；美国加州圣地亚哥的NIGEL CRAWFORD 教授，美国宾州大学 Lynch 教授；Purdue 大学的 K G Raghothama 教授；康奈尔 大学土壤与植物营养研究所 Lion Koch
14、ian 教授实验室等。课题设置根据总体学术思路，设置以下 5 个课题。各 课题之间的有机联系图示如下：第一课题：优良根构型建成与土壤养分活化的遗传与分子机制1、主要研究内容与目标：研究主要作物养分高效吸收的根构型建成及根系活化与吸收土壤养分的生理、遗传 及分子基础。利用已获得的根系高效活化、吸收土壤养分的 优势遗传材料，包括重组自交系、近等基因系、 转基因材料，从生理、遗传与分子水平上，在不同土壤条件下，研究作物对土壤不同形态磷、 钾活化、吸收利用的机理，克隆相关基因并研究其功能。为 通过根系遗传与分子改良途径培育适应不同土壤条件的养分高效作物品种提供理论依据及基因资源，并创制养分吸收利用率显著课题 二：氮信号 转导与吸收利用协同调 控机制课题 三：磷、钾 信号转导与吸收利用协同 调控机制课题一：优良根构型建成与土壤养分活化的遗传与分子机制课题四：小麦、水稻高效高产协同机制及优异基因的聚合效应课题五： 玉米高效高 产协同机制及优异基因的聚合效应
