作物高效利用氮磷養(yǎng)分的分子機(jī)理

1、項(xiàng)目名稱：作物咼效利用氮磷養(yǎng)分的分子機(jī)理首席科學(xué)家：吳平浙江大學(xué)起止年限：2005.12 至 2010.11依托部門：教育部浙江省科技廳一、研究?jī)?nèi)容植物高效利用土壤養(yǎng)分的生物學(xué)基礎(chǔ)包括：感受和轉(zhuǎn)導(dǎo)養(yǎng)分信號(hào)，根系適應(yīng) 性發(fā)生發(fā)育及根構(gòu)型的改變（發(fā)育水平）、關(guān)鍵調(diào)控因子的表達(dá)或轉(zhuǎn)錄后變化（分 子水平）、養(yǎng)分活化、吸收、利用及其能量代謝相關(guān)的一系列生理生化途徑的變 化（生理水平）。闡明上述過程的分子機(jī)理，在發(fā)育、分子與生理水平上了解植 物對(duì)養(yǎng)分高效吸收利用的調(diào)控機(jī)理，從而為挖掘養(yǎng)分高效與高產(chǎn)優(yōu)異種質(zhì)中的關(guān) 鍵基因、進(jìn)而提出作物養(yǎng)分高效分子育種策略。由此，本項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題是：植物高效吸收氮、

2、磷養(yǎng)分以及氮、磷養(yǎng)分代謝高效促進(jìn)作物產(chǎn)量關(guān)鍵 途徑的分子機(jī)理及其在優(yōu)異種質(zhì)中的聚合效應(yīng)；以聚合效應(yīng)為基礎(chǔ)的基因標(biāo)記 輔助選擇理論與方法。針對(duì)關(guān)鍵科學(xué)問題的解決，確定主要研究?jī)?nèi)容如下。1磷信號(hào)途徑調(diào)控系統(tǒng)：水稻、擬南芥氮、磷信號(hào)受體，氮、磷信號(hào)與激 素信號(hào)互相作用分子機(jī)制研究。養(yǎng)分信號(hào)與激素信號(hào)互作的現(xiàn)象已有一些初步證 據(jù)，如，磷饑餓脅迫信號(hào)受外源 CTK抑制，高濃度氮抑制植物側(cè)根伸長(zhǎng)與 ABA 信號(hào)關(guān)系密切，磷饑餓脅迫與生長(zhǎng)信號(hào)均能改變根向地性等。一些磷信號(hào)特異性標(biāo)記基因也已被發(fā)現(xiàn)與克隆，表明磷信號(hào)具有相對(duì)獨(dú)立的途徑。 因此把氮、磷信 號(hào)途徑與激素信號(hào)途徑節(jié)點(diǎn)的研究作為本研究的切入點(diǎn)，同時(shí)利用

3、磷信號(hào)標(biāo)記基 因啟動(dòng)子與報(bào)告基因構(gòu)建的融合基因， 發(fā)展研究磷信號(hào)途徑突變體，以期在養(yǎng)分 信號(hào)途徑研究中取得突破。2、磷高效根構(gòu)型形成的遺傳基礎(chǔ)與分子機(jī)理：根構(gòu)型形態(tài)參數(shù)定量分析及 磷高效根構(gòu)型標(biāo)記基因分子診斷系統(tǒng)；磷調(diào)控根系伸長(zhǎng)和向地性變化關(guān)鍵基因克 隆及功能分析；磷調(diào)控根毛發(fā)生伸長(zhǎng)的分子機(jī)理研究。 利用自行設(shè)計(jì)的紙培、根 箱栽培系統(tǒng)結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像分析技術(shù)，建立大豆（直根系代表）、水稻（須根系 代表）的三維根形態(tài)構(gòu)型觀測(cè)與分析系統(tǒng)，獲得不同基因型材料在不同磷水平下 的根構(gòu)型原位幾何參數(shù)，創(chuàng)建三維根構(gòu)型參數(shù)分析計(jì)算及圖形視覺計(jì)算機(jī)模型。 利用大豆、水稻磷饑餓信號(hào)標(biāo)記基因（Gm4 OsIPSl分析

4、不同根構(gòu)型的大豆與 水稻在不同土壤條件與磷水平下的表達(dá)，確定根構(gòu)型表型參數(shù)與磷吸收效率的遺 傳相關(guān)性。利用已獲得的大豆、水稻、擬南芥根伸長(zhǎng)與向地性突變體，研究磷調(diào) 控根系伸長(zhǎng)和向地性變化關(guān)鍵基因及功能。同時(shí)利用不同根系性狀親本（如大豆 深根構(gòu)型基因型BD2淺根構(gòu)型基因型BX10發(fā)展的遺傳群體，進(jìn)行根構(gòu)型參數(shù) 的QTLs分析，為分析突變體的基因背景提供遺傳信息。利用擬南芥根毛突變體 材料，用激光鑷子獲取單細(xì)胞RNA進(jìn)行單細(xì)胞基因表達(dá)譜分析，揭示磷信號(hào)調(diào)控 細(xì)胞位置效應(yīng)及根毛發(fā)生分析機(jī)制。3、氮、磷轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵基因功能鑒定及其調(diào)控因子：根據(jù)已有基礎(chǔ)及生產(chǎn)中的突出問題，開展水稻高親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體 Pht

5、1基因家族功能鑒定及調(diào)控因子研 究；水稻NO-高親和轉(zhuǎn)運(yùn)體NRT2/NAR基因家族功能鑒定及其調(diào)控因子研究。倉(cāng)U 建水稻11個(gè)Pht1基因敲除(RN干涉)與超表達(dá)轉(zhuǎn)基因材料，創(chuàng)建所有OsPhtl基因啟動(dòng)子與GU報(bào)告基因及GF熒光蛋白報(bào)告基因的融合基因轉(zhuǎn)基因材料。利用上述材料分析各基因功能與表達(dá)規(guī)律并指導(dǎo)發(fā)展雙突變、三突變等材料，分析轉(zhuǎn)運(yùn)體間的相互作用及對(duì)磷吸收的影響；指導(dǎo)分析重要的順式作用元件，開展上游 調(diào)控因子研究。OsPht1-11和西紅柿的LePT4是受菌根侵染特異誘導(dǎo)的磷轉(zhuǎn)運(yùn)體 基因，利用這兩個(gè)基因敲除與超表達(dá)的轉(zhuǎn)基因材料研究菌根在根細(xì)胞釋放磷的轉(zhuǎn) 運(yùn)機(jī)制。在水稻中開展高親和硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)

6、體基因家族NRT2/NAR的功能與調(diào)控機(jī)制研究。發(fā)展所有NRT卻NAR基因啟動(dòng)子與GUS艮告基因及GFF熒光蛋白報(bào)告基 因的融合基因轉(zhuǎn)基因材料。利用上述材料分析各基因功能與表達(dá)規(guī)律并指導(dǎo)發(fā)展 雙突變、三突變等材料，分析轉(zhuǎn)運(yùn)體間的相互作用及對(duì)氮吸收的影響；指導(dǎo)分析 重要的順式作用元件，開展上游調(diào)控因子研究。用酵母雙雜技術(shù)和BiFC(bimolecular fluoresce nee compleme ntatio n)技術(shù)研究 NRT2/NAR蛋白的相 互作用，將利用酵母單雜交技術(shù)分析其調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子。4、土壤磷活化相關(guān)基因功能鑒定與調(diào)控系統(tǒng)：植酸酶對(duì)飼料有機(jī)磷與外泌 性植酸酶對(duì)土壤有機(jī)磷分解利用

7、效率的研究。分別從黑霉菌和假單胞菌分離 Phytase A基因，從玉米、水稻中克隆其同源基因。將植酸酶基因構(gòu)建在載體pSphy 上，構(gòu)建所需元件：(1 )根部特異表達(dá)啟動(dòng)子，(2)根外分泌信號(hào)肽序列(SP)，植酸酶基因與CS基因，(4)終止子(TERM)篩選標(biāo)記Bar基因構(gòu)建在載體pBar 上，構(gòu)建所需元件：(1)啟動(dòng)子，(2) Bar基因，(3)終止子。另外，分別構(gòu)建 用于不加信號(hào)肽的植酸酶基因表達(dá)載體，同時(shí)用于轉(zhuǎn)化，驗(yàn)證植酸酶胞外分泌和 不分泌是否導(dǎo)致植株對(duì)磷吸收利用的差異。5、氮、磷代謝影響農(nóng)作物產(chǎn)量的分子機(jī)理：水稻、小麥氮、磷高效高產(chǎn)相關(guān)基因表達(dá)譜比較分析：利用氮、磷利用效率具顯著差異

8、的高產(chǎn)水稻和小麥品種 作為材料，在水培或砂培條件下進(jìn)行缺氮或缺磷處理、恢復(fù)供氮或供磷處理、及 對(duì)照處理，在苗期和灌漿期分別取根和地上部樣本（灌漿期取旗葉和發(fā)育種子）， 提取總RNA用于Affymetrix公司的基因組芯片進(jìn)行雜交分析基因表達(dá)譜的異同。 關(guān)鍵調(diào)控基因的克隆及功能鑒定： 對(duì)獲得的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，找出水稻 和小麥及超親后代之間，氮磷缺乏條件和氮磷適量條件之間基因表達(dá)變化的共性 和特異性；分子氮、磷代謝影響產(chǎn)量的分子機(jī)制；鑒定氮、磷高效高產(chǎn)的關(guān)鍵調(diào) 控基因的候選基因（轉(zhuǎn)錄因子與代謝調(diào)控因子）。選出5-10個(gè)預(yù)測(cè)的關(guān)鍵調(diào)控基因，用反向遺傳學(xué)（如 RNAi和TILLING等）以及基

9、因過量表達(dá)等技術(shù)，研究 它們的分子生物學(xué)功能和評(píng)價(jià)其的利用價(jià)值。6、水稻、小麥、油菜、大豆優(yōu)異種質(zhì)氮、磷高效關(guān)鍵基因及調(diào)控機(jī)制的聚合效應(yīng)：不同氮、磷水平下養(yǎng)分吸收量與產(chǎn)量構(gòu)成因子QTLs分析；結(jié)合相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)、活化、利用關(guān)鍵基因與基因表達(dá)譜研究結(jié)果，分析影響高產(chǎn)的氮、磷高效途 徑；提出作物養(yǎng)分高效分子育種策略。以雜交稻汕優(yōu)63的兩個(gè)親本珍汕97和明 恢63及衍生的重組自交系群體；小麥氮、磷高效品種小偃54與對(duì)照京411及由 該親本發(fā)展的重組自交系群體；磷高效大豆B2與對(duì)照B10品種為親本及由該親本發(fā)展的重組自交系群體；油菜磷高效品種“97081'（湖北長(zhǎng)角）與對(duì)照“97009' 及

10、發(fā)展的重組自交系群體為研究材料。 利用上述材料進(jìn)行根箱試驗(yàn)，測(cè)定根構(gòu)型 參數(shù)及進(jìn)行根構(gòu)型參數(shù)的 QTLs分析；進(jìn)行大田與溶液培養(yǎng)試驗(yàn)測(cè)定植株氮、磷 含量和產(chǎn)量構(gòu)成因子并進(jìn)行 QTLs分析；通過比較QTLs信息與氮、磷高效關(guān)鍵途 徑及其調(diào)控系統(tǒng)芯片分析結(jié)果，比較活化、轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵基因的表達(dá)結(jié)果，揭示高產(chǎn)、 高效優(yōu)異品種氮、磷高效的遺傳基礎(chǔ)與分子機(jī)理。二、預(yù)期目標(biāo)總體目標(biāo)探明水稻、小麥、大豆、油菜高效吸收氮、磷養(yǎng)分以及氮、磷養(yǎng)分代謝高效促進(jìn)作物產(chǎn)量關(guān)鍵途徑的分子機(jī)理；挖掘一批氮、磷高效關(guān)鍵調(diào)控因子與結(jié)構(gòu)基 因；提供氮、磷高效優(yōu)異種質(zhì)材料；加快與提高我國(guó)培育氮、磷高效（氮利用效 率提高10%磷利用效率提

11、高20%達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家水平。）作物新品種的速度與水 平。為發(fā)展我國(guó)持續(xù)、高效的綠色農(nóng)業(yè)作出重大貢獻(xiàn)。同時(shí)培養(yǎng)和建立一支高素 質(zhì)的研究隊(duì)伍。五年預(yù)期目標(biāo)五年內(nèi)，我們將在我國(guó)主要作物氮、磷高效利用關(guān)鍵途徑的分子機(jī)理的理論 研究，氮、磷高效利用關(guān)鍵基因獲得與利用及養(yǎng)分高效分子育種策略等方面取得 重大進(jìn)展與突破，總體上進(jìn)入國(guó)際前沿水平，部分領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先地位。具體 目標(biāo)為：1、揭示磷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，氮、磷信號(hào)與植物激素信號(hào)互作途徑；2、建立磷高效根構(gòu)型分子診斷理論和技術(shù)體系；深入認(rèn)識(shí)磷脅迫信號(hào)調(diào)控根毛 發(fā)生與伸長(zhǎng)的分子機(jī)理；3、明確高親和磷轉(zhuǎn)運(yùn)體 Pht1家族基因啟動(dòng)子中調(diào)控表達(dá)的共同和不同的重

12、要 識(shí)別元件、克隆關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子和明確兩個(gè)以上高親和轉(zhuǎn)運(yùn)體的生理功能。明確高親和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)體NRT2/NAF家族基因功能及其關(guān)鍵調(diào)控因子；4、建立植酸酶增強(qiáng)表達(dá)及根系外泌性表達(dá)轉(zhuǎn)基因作物，探明其活化土壤與有機(jī) 物中有機(jī)磷的效率與調(diào)控機(jī)理。5、發(fā)現(xiàn)5個(gè)以上可顯著提高氮、磷高效利用新基因及10份以上氮效率提高10% 以上、磷效率提高20%以上的水稻、小麥、大豆優(yōu)異種質(zhì)材料。6、探明優(yōu)異種質(zhì)氮、磷高效關(guān)鍵基因調(diào)控途徑的聚合效應(yīng)，提出作物養(yǎng)分高效 分子育種關(guān)鍵參數(shù)及選擇策略。在上述成果基礎(chǔ)上，在國(guó)內(nèi)外主流學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文 100篇以上，建設(shè)一 個(gè)合理的學(xué)術(shù)梯隊(duì)。在第一層次培養(yǎng)在國(guó)內(nèi)外有較大影響

13、的學(xué)科帶頭人。 在第二 層次培養(yǎng)數(shù)名中青年學(xué)術(shù)骨干。通過實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)，培養(yǎng)研究生200人以上， 博士后20人以上。三、研究方案1總體研究思路和項(xiàng)目研究的技術(shù)路線及可行性1）總體研究思路在養(yǎng)分缺乏條件下，植物感受、轉(zhuǎn)導(dǎo)養(yǎng)分饑餓信號(hào)，啟動(dòng)增強(qiáng)活化、轉(zhuǎn)運(yùn)、 吸收土壤養(yǎng)分的適應(yīng)性反應(yīng)，包括根系發(fā)生發(fā)育及根構(gòu)型的改變， 關(guān)鍵調(diào)控因子 的表達(dá)、養(yǎng)分活化、吸收、利用及其能量代謝相關(guān)基因的變化；在養(yǎng)分適量條件 下，具有促進(jìn)高產(chǎn)潛力實(shí)現(xiàn)的養(yǎng)分高效代謝機(jī)制。 在闡明上述過程的遺傳與分子 本質(zhì)時(shí)，我們要回答這些在發(fā)育、生理與分子水平上的適應(yīng)性變化及其調(diào)控系統(tǒng) 在養(yǎng)分高效與高產(chǎn)的優(yōu)異種質(zhì)中是如何發(fā)揮功能及相互作用

14、，并由此提出氮、磷高效分子育種策略。2）研究技術(shù)路線本項(xiàng)目從植物感受、轉(zhuǎn)導(dǎo)氮、磷信號(hào)并在發(fā)育、分子與生理水平上產(chǎn)生適應(yīng) 性反應(yīng)，氮、磷高效代謝途徑開展研究，同時(shí)對(duì)養(yǎng)分高效高產(chǎn)優(yōu)異種質(zhì)的氮、磷 利用遺傳基礎(chǔ)與分子機(jī)理開展研究， 從而比較兩個(gè)層面的研究結(jié)果，提出養(yǎng)分高 效育種策略。研究涉及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、環(huán)境調(diào)控根系發(fā)生發(fā)育，全基因組水平上基因 表達(dá)譜分析，基因克隆，QTLs定位與分子標(biāo)記分析，主要作物高效轉(zhuǎn)基因及基 因表達(dá)研究等內(nèi)容。主要技術(shù)途徑包括：利用水稻等作物磷饑餓信號(hào)標(biāo)記基因啟 動(dòng)子與報(bào)告基因融合基因突變體，及對(duì)生長(zhǎng)素（AUX，細(xì)胞分裂素（CTK與脫 落酸（ABA反應(yīng)不敏感與超敏，根系發(fā)生伸長(zhǎng)

15、，向地性改變等一系列突變體為 材料研究氮、磷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑與激素信號(hào)互作及調(diào)控根系發(fā)生發(fā)育的分子機(jī)理； 利用自主研發(fā)的根系形態(tài)構(gòu)型參數(shù)定量分析軟件與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合磷饑餓信號(hào)標(biāo)記基因表達(dá)診斷分析，提出磷高效根構(gòu)型分子診斷技術(shù)； 以養(yǎng)分高效、高產(chǎn)優(yōu)異 種質(zhì)及其遺傳群體為材料，利用基因芯片分析、QTLs 分析、代謝途徑關(guān)鍵基因 分析進(jìn)行作物之間，氮、磷養(yǎng)分之間的比較基因組與功能基因組研究；利用基因敲除與增強(qiáng)表達(dá)技術(shù)，酵母雙雜交技術(shù)等對(duì)重要的轉(zhuǎn)運(yùn)體家族基因、土壤磷活 化關(guān)鍵基因的功能及調(diào)控因子研究。3）項(xiàng)目的可行性a 工作基礎(chǔ)本項(xiàng)目已具備了完成本項(xiàng)目研究目標(biāo)的大量遺傳材料，包括水稻、大豆、小麥等一系列的

16、突變體材料；以養(yǎng)分高效優(yōu)異種質(zhì)為親本的重組自交系群體、近等基因系材料；分子標(biāo)記遺傳圖譜等。在技術(shù)上已經(jīng)建立了研究所需的關(guān)鍵技術(shù)， 如根構(gòu)型三維參數(shù)定量分析系統(tǒng)；分子標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)；基因芯片分析、單細(xì)胞 RNA獲取技術(shù)；水稻、大豆、小麥高效轉(zhuǎn)基因技術(shù)等。近幾年，有關(guān)項(xiàng)目參加單 位在磷高效基因克隆及利用、氮和磷轉(zhuǎn)運(yùn)體研究、全基因組養(yǎng)分脅迫誘導(dǎo)基因表 達(dá)譜分析、小麥磷高效育種、水稻氮和磷高效轉(zhuǎn)基因研究等方面均已取得一系列 重要成果。承擔(dān)過國(guó)家自然科學(xué)基金重大、重點(diǎn)項(xiàng)目和一批面上項(xiàng)目，國(guó)家863相關(guān)項(xiàng)目及有關(guān)的專項(xiàng)項(xiàng)目任務(wù)，在國(guó)際上重要刊物如PNAS JBC, PlantPhysiology, Pla

17、nt Journal, Pla nt Cell a nd En viro nment等發(fā)表了一批論文。b 研究隊(duì)伍本項(xiàng)目整合了全國(guó)從事作物氮、磷等營(yíng)養(yǎng)高效遺傳與分子生物學(xué)研究的主要 優(yōu)勢(shì)單位，如植物生理學(xué)與生物化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室植物營(yíng)養(yǎng)分子生物學(xué)研究室 （浙江大學(xué)）、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)根系生物學(xué)研究中心、中國(guó)科學(xué)院植物細(xì)胞與染色體工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)農(nóng)科院農(nóng)業(yè)部農(nóng)作物分子及細(xì)胞 生物學(xué)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營(yíng)養(yǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院南京 土壤所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科技大學(xué)生命科學(xué)

18、院植物分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室等。集中了一批中青年學(xué)術(shù)骨干，包括3位本領(lǐng)域國(guó)家杰出青年 基金獲得者，1位教育部長(zhǎng)江特聘教授，8位留學(xué)回國(guó)博士。研究隊(duì)伍知識(shí)和年 齡結(jié)構(gòu)合理，有較強(qiáng)的創(chuàng)新能力、良好的工作積累和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，學(xué)科背景 齊全。各研究組的實(shí)驗(yàn)室在關(guān)鍵技術(shù)，研究材料，設(shè)備設(shè)施上各具特色，優(yōu)勢(shì)互 補(bǔ)。c 國(guó)際合作本項(xiàng)目研究力量包括國(guó)際上在本領(lǐng)域研究上做出出色成績(jī)的中國(guó)科學(xué)家，如 英國(guó)LEEDS大學(xué)的張漢馬博士；項(xiàng)目參加單位與國(guó)際上本領(lǐng)域高水平的實(shí)驗(yàn)室具 有良好合作關(guān)系，如國(guó)際水稻研究所（IRRI），美國(guó)賓州大學(xué)Lynch教授實(shí)驗(yàn)室， 康乃爾大學(xué)土壤與植物營(yíng)養(yǎng)研究所 Kochian教授實(shí)驗(yàn)室等。2

19、. 項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)與特色1. 應(yīng)用自主設(shè)計(jì)的先進(jìn)技術(shù)體系與獨(dú)特的遺傳資源和突變材 料2. 闡明養(yǎng)分信號(hào)調(diào)控根系發(fā)生發(fā)育的分子機(jī)理3. 建立高產(chǎn)高效根構(gòu)型分子診斷方法4. 揭示作物氮、磷高效利用關(guān)鍵調(diào)控途徑及其在高產(chǎn)高效種質(zhì) 中的聚合效應(yīng)3. 課題設(shè)置本項(xiàng)目共分以下5個(gè)課題。1) 氮、磷養(yǎng)分信號(hào)途徑及調(diào)控機(jī)制研究?jī)?nèi)容：a 水稻、擬南芥磷信號(hào)受體及轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑研究。用水稻、擬南芥磷饑餓信號(hào)標(biāo)記基因OsIPSI與AtIPSI啟動(dòng)子與GUS艮告基因轉(zhuǎn)基因材料篩選磷信 號(hào)阻斷突變體，克隆相關(guān)基因并研究其調(diào)控系統(tǒng)。比較水稻、擬南芥磷 信號(hào)受體及轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的關(guān)鍵基因及調(diào)控系統(tǒng)。b 水稻、玉米、擬南芥磷信號(hào)與激素信

20、號(hào)互作機(jī)制研究。用水稻、擬南芥磷饑餓信號(hào)標(biāo)記基因OsIPSI, ZmPIS與 AtIPSI啟動(dòng)子與GUSK告基因 轉(zhuǎn)基因材料及相關(guān)突變體材料，克隆相關(guān)基因并研究其調(diào)控系統(tǒng)。c 擬南芥氮信號(hào)調(diào)控側(cè)根發(fā)生發(fā)育信號(hào)途徑。利用擬南芥?zhèn)雀扉L(zhǎng)對(duì)高氮 與AUXIN或ABA均不敏感突變體，克隆相關(guān)基因，并研究其功能及調(diào)控 系統(tǒng)。研究目標(biāo)：明確和克隆水稻、擬南芥磷信號(hào)受體、相關(guān)激素信號(hào)及轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的關(guān)鍵基因；探明水稻、玉米、擬南芥氮信號(hào)調(diào)控側(cè)根發(fā)生發(fā)育的分子機(jī) 理。承擔(dān)單位：浙江大學(xué)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所課題負(fù)責(zé)人：吳平教授經(jīng)費(fèi)預(yù)算比例：26%2）磷高效根構(gòu)型形成的遺傳基礎(chǔ)與分子

21、機(jī)理研究?jī)?nèi)容：a 根構(gòu)型形態(tài)參數(shù)定量分析及磷高效根構(gòu)型標(biāo)記基因分子診斷研究。建立 大豆（直根系）、水稻（須根系）的三維根構(gòu)型觀測(cè)與分析系統(tǒng)，通過 計(jì)算機(jī)模型獲得定量描述根構(gòu)型的表型參數(shù)。利用大豆、水稻磷饑餓信 號(hào)標(biāo)記基因（Gm4, OsPTFI診斷不同根構(gòu)型基因型在不同磷水平下的 體內(nèi)磷信號(hào)。b 磷調(diào)控根系伸長(zhǎng)和向地性變化關(guān)鍵基因克隆及功能分析：利用獲得的大 豆側(cè)根與水稻不定根伸長(zhǎng)或向地性表化的突變體，進(jìn)行相關(guān)基因克隆及 其調(diào)控系統(tǒng)研究；同時(shí)利用不同根系性狀親本（如大豆深根構(gòu)型基因型 BD2淺根構(gòu)型基因型BX10發(fā)展的重組自交系群體，進(jìn)行根系性狀參數(shù) 的QTLs分析。c 磷信號(hào)調(diào)控根毛發(fā)生的分

22、子機(jī)理研究：以擬南芥根毛發(fā)生和伸長(zhǎng)的突 變體為材料，利用激光鑷子獲取單細(xì)胞RNA4行單細(xì)胞基因表達(dá)譜分析， 揭示磷調(diào)控根毛發(fā)生發(fā)育及細(xì)胞位置效應(yīng)改變的分子機(jī)制。研究目標(biāo)：確定與磷高效根構(gòu)型具有遺傳相關(guān)性的標(biāo)記基因分子診斷指標(biāo)， 為磷高效根構(gòu)型性狀的分子標(biāo)記輔助選擇提供理論基礎(chǔ)；克隆1-2個(gè)與磷調(diào)控相關(guān)的根系伸長(zhǎng)和向地性變化關(guān)鍵基因；定位2-5個(gè)與根系性狀相關(guān)的QTLs承擔(dān)單位：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，浙江大學(xué)。課題負(fù)責(zé)人：嚴(yán)小龍教授。經(jīng)費(fèi)預(yù)算比例：19%3）氮、磷高效吸收關(guān)鍵基因功能與調(diào)控機(jī)理研究?jī)?nèi)容：a 高親和磷轉(zhuǎn)運(yùn)體Pht1家族基因、高親和NQ-轉(zhuǎn)運(yùn)體NRT2/NAR2家族基因的生理功能及其調(diào)控系統(tǒng)

23、研究。對(duì)目前已知基因信息的11個(gè)水稻Pht1家族基因的功能、互作機(jī)制和時(shí)空與組織特異表達(dá)及其調(diào)控因子開展研究， 探明Pht1家族基因的功能、互相作用及其調(diào)控因子。利用該家族基因序 列信息克隆小麥、大豆Pht1基因并進(jìn)行功能分析。對(duì)目前已獲得的水稻4個(gè)NRT刮2個(gè)NAR2小麥2個(gè)NRT2及2個(gè)NAR2基因的功能、互作機(jī)制及時(shí)空與組織特異表達(dá)調(diào)控因子開展研究，探明NRT2/NAR2家族基因的 功能、互相作用及其調(diào)控因子。b 檬酸合酶基因(CS超表達(dá)和植酸酶基因(Phytase A)基因根系特異超 表達(dá)與外泌性的功能及調(diào)控系統(tǒng)研究。建立檸檬酸合酶與植酸酶基因超 表達(dá)與外泌性表達(dá)的水稻、小麥、玉米、大

24、豆轉(zhuǎn)基因材料，分析轉(zhuǎn)基因 材料分解利用土壤中有機(jī)磷能力及調(diào)控機(jī)制。研究目標(biāo)：探明Pht1； NRT2/NAR2家族基因的功能、互相作用及其調(diào)控因 子；培育能高效利用土壤中有機(jī)磷的轉(zhuǎn)基因大豆、水稻和玉米材料，并明 確其調(diào)控機(jī)制。承擔(dān)單位：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，浙江大學(xué)、南京土壤研究所。課題負(fù)責(zé)人：徐國(guó)華教授。經(jīng)費(fèi)比例：16%4) 氮磷高效代謝提高作物產(chǎn)量的分子機(jī)制研究研究?jī)?nèi)容：a 氮、磷高效代謝和產(chǎn)量具顯著差異的水稻和小麥種質(zhì)在不同生育期(重 點(diǎn)在產(chǎn)量形成關(guān)鍵時(shí)期)和在不同氮、磷水平下的基因表達(dá)譜的比較分 析，初步揭示氮磷高效高產(chǎn)的分子機(jī)制；b 氮、磷缺乏和適量條件下氮、磷高效代謝和產(chǎn)量形成過程關(guān)鍵調(diào)控

25、基因 的克隆、功能鑒定和調(diào)控機(jī)制分析。研究目標(biāo)：初步揭示氮磷高效高產(chǎn)的分子機(jī)制；克隆在不同氮、磷養(yǎng)分條件 下對(duì)產(chǎn)量形成起關(guān)鍵的基因。承擔(dān)單位：中科院遺傳發(fā)育所。課題負(fù)責(zé)人：凌宏清研究員經(jīng)費(fèi)預(yù)算比例：20%5）優(yōu)異種質(zhì)氮、磷高效關(guān)鍵基因調(diào)控途徑聚合效應(yīng)研究?jī)?nèi)容：a 水稻高產(chǎn)、高效優(yōu)異種質(zhì)氮、磷吸收、利用關(guān)鍵基因及調(diào)控途徑。利用 水稻遺傳群體（源于珍汕97M明恢63的重組自交系）進(jìn)行氮、磷吸收、 利用，產(chǎn)量構(gòu)成因子，根系特征等QTLs比較分析，并與其他課題有關(guān)氮、 磷高效吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝調(diào)控研究結(jié)果比較。揭示優(yōu)異水稻種質(zhì)氮、磷 高效吸收、利用的關(guān)鍵基因及調(diào)控途徑的作用及相互關(guān)系。b 小麥高產(chǎn)、高效

26、種質(zhì)氮、磷吸收、利用關(guān)鍵基因及調(diào)控途徑。利用小麥 遺傳群體（源于小偃54X京411 ”的重組自交系）進(jìn)行氮、磷吸收、禾U 用，產(chǎn)量構(gòu)成因子，根系特征 QTLs比較分析，并與其他課題有關(guān)氮、磷 高效吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝調(diào)控研究結(jié)果比較。揭示優(yōu)異小麥種質(zhì)氮、磷吸 收、利用的關(guān)鍵基因及調(diào)控途徑的作用及相互關(guān)系。c 大豆、油菜磷高效QTLs的定位與克隆。利用磷高效與低效大豆品種 B2 與B10發(fā)展的重組自交系群體，油菜磷高效與低效品種（源于97081 （湖 北長(zhǎng)角）與97009發(fā)展的重組自交系群體在缺磷和磷正常的兩個(gè)水平下， 調(diào)查苗期根系和地上部生物量，磷的吸收與累積，以及成熟期籽粒產(chǎn)量 及構(gòu)成因子、株高

27、、分枝數(shù)等相關(guān)性狀進(jìn)行 QTLs分析。d 植物營(yíng)養(yǎng)基因組學(xué)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)建設(shè)。將本項(xiàng)目執(zhí)行過程中產(chǎn)生的大量數(shù) 據(jù)進(jìn)行收集、整理和分類，建立起公共共享數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用和編寫有關(guān)程 序，利用數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正、查詢和添加，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。 建立植物營(yíng)養(yǎng)組學(xué)數(shù)椐庫（PlantN ）。研究目標(biāo)：揭示優(yōu)異水稻、小麥種質(zhì)氮、磷高效吸收利用的關(guān)鍵基因及調(diào)控 途徑的作用及相互關(guān)系；克隆大豆、油菜的磷高效基因3-5個(gè)。承擔(dān)單位：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院。課題負(fù)責(zé)人：徐芳森教授。經(jīng)費(fèi)預(yù)算比例：19%4. 各課題間的相互關(guān)系項(xiàng)目各研究?jī)?nèi)容明確，互相之間又有密切聯(lián)系，是一互相關(guān)聯(lián)的研究整

28、體。各課題與承擔(dān)單位之間的有機(jī)聯(lián)系與優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)關(guān)系圖示如下：遺傳因子、關(guān)鍵基因*優(yōu)異種質(zhì)氮、磷高效關(guān)鍵基因及調(diào)控途徑聚合效應(yīng)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)中科院遺傳發(fā)育所5. 項(xiàng)目總體目標(biāo)和五年目標(biāo)的關(guān)系通過五年具體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，為項(xiàng)目總體目標(biāo)，即加快我國(guó)主要作物氮、磷高效品 種培育的速度，達(dá)到提供具體的技術(shù)與材料條件， 即氮、磷高效高產(chǎn)品種培育所 需要的種質(zhì)與基因資源、以基因標(biāo)記為基礎(chǔ)的分子育種技術(shù)體系、一支本領(lǐng)域的 高水平研究隊(duì)伍。四、年度計(jì)劃研究?jī)?nèi)容預(yù)期目標(biāo)研究?jī)?nèi)容預(yù)期目標(biāo)1水稻、玉米、擬南芥氮、磷信號(hào)1、獲得一批研究突變體并發(fā)展好與CTK ABA信號(hào)互作突變體篩基因定位群體，克隆1-2個(gè)氮、磷選，遺傳群體發(fā)

29、展及基因定位；信號(hào)與CTKABA言號(hào)互作相關(guān)基因；2、水稻、大豆根構(gòu)型突變體篩選，2、克隆1-2個(gè)水稻根構(gòu)型相關(guān)基第遺傳群體發(fā)展及基因定位；因；3、磷信號(hào)調(diào)控?cái)M南芥根毛發(fā)生芯片3、完成磷信號(hào)調(diào)控?cái)M南芥根毛發(fā)分析；生芯片分析；k4、水稻、小麥、大豆、油菜咼產(chǎn)及4、完成水稻、小麥、大豆、油菜咼氮、磷高效分子整合圖譜發(fā)展；產(chǎn)及氮、磷高效分子整合圖譜；年5、水稻磷與硝態(tài)氮咼親合轉(zhuǎn)運(yùn)體5、完成水稻磷與硝態(tài)氮咼親合轉(zhuǎn)Pht1家族，NRT2和NAR2基因家運(yùn)體表達(dá)轉(zhuǎn)基因材料發(fā)展；族表達(dá)譜及轉(zhuǎn)基因研究；6、獲得植酸酶與有機(jī)磷分解在水6、植酸酶與有機(jī)磷分解基因在水稻、玉米咼效表達(dá)材料。稻、玉米咼效利用土壤有機(jī)磷

30、中 的做用研究。發(fā)表SCI論文10-15篇。a）繼續(xù)水稻、玉米、擬南芥氮、磷1、新克隆1-2個(gè)氮、磷信號(hào)與CTK信號(hào)與CTKABA信號(hào)互作突變體篩ABAfe號(hào)互作相關(guān)基因；選與遺傳群體發(fā)展及基因克隆；2、新克隆1-2個(gè)水稻根構(gòu)型相關(guān)基第b）繼續(xù)水稻、大豆根構(gòu)型突變體篩因；選與遺傳群體發(fā)展及基因克??；3、探明磷信號(hào)調(diào)控?cái)M南芥根毛發(fā)生c）磷信號(hào)調(diào)控根毛發(fā)生關(guān)鍵基因基因調(diào)控機(jī)制；二克??；4、克隆一批水稻、小麥、大豆、油d）水稻、小麥、大豆、油菜咼產(chǎn)及菜咼產(chǎn)及氮、磷咼效關(guān)鍵途徑基氮、磷高效關(guān)鍵途徑候選基因克??；因；年i.水稻磷與硝態(tài)氮咼親合轉(zhuǎn)運(yùn)體Pht15、獲得1-2個(gè)水稻磷與硝態(tài)氮高親家族，NRT2

31、和NAR2基因家族基因生合轉(zhuǎn)運(yùn)體基因的功能；理功能分析；發(fā)表SCI論文20-25篇。申報(bào)基因?qū)＠?-2個(gè)。i.植酸酶與有機(jī)磷分解基因咼效轉(zhuǎn)基研究?jī)?nèi)容預(yù)期目標(biāo)因材料生理功能試驗(yàn)。第年1水稻、玉米、擬南芥氮、磷信號(hào) 與CTKABA信號(hào)互作基因的調(diào)控機(jī) 制研究；2、水稻、大豆根構(gòu)型調(diào)控基因的功 能研究；3、磷信號(hào)調(diào)控根毛發(fā)生關(guān)鍵基因調(diào) 控機(jī)制研究；4、水稻、小麥、大豆、油菜咼產(chǎn)及 氮、磷高效關(guān)鍵途徑基因功能研 究；5、繼續(xù)水稻磷與硝態(tài)氮咼親合轉(zhuǎn)運(yùn) 體Pht1家族，NRT2和NAR2基因 家族基因生理功能分析；6、植酸酶與有機(jī)磷分解高效轉(zhuǎn)基因材料活化土壤養(yǎng)分與吸收效率分析。a）探明水稻、玉米、擬南芥氮、磷 信號(hào)與CTK ABA信號(hào)互作基因的調(diào) 控機(jī)制；b）探明水稻、大豆根構(gòu)型調(diào)控基因 的調(diào)控機(jī)制；c）探明水稻、小麥、大豆、油采咼 產(chǎn)及氮、磷高效關(guān)鍵途徑基因的