国家“973”计划项目 作物水分高效利用机理与调控的基础研究2012

项目名称： 作物水分高效利用机理与调控的基础研

起止年限：

依托部门： 究 宋纯鹏 河南大学 2012.1-2016.8 河南省科技厅 首席科学家：

一、关键科学问题及研究内容

总体设想：玉米、小麦和水稻等作物的产量高低和品质优劣与WUE密切相

关，提高作物水分利用效率的主要途径是提高其抗旱性，而作物的抗旱性主要受干旱信号感受和传递、气孔运动、根系发育、生殖发育和激素作用等的调控，本项目以提高作物WUE和抗旱性为核心目标，利用目前已有的大量突变体及育种材料，在规模化深度测序基础上，进行基因组学、转录组学和蛋白质组学的比较研究及关键抗旱基因和数量性状位点（Quantitative Trait Loci, QTL）的功能研究，深入剖析作物主要抗旱机制的遗传和分子基础，系统揭示缺水条件下气孔运动、根系发生、地上部生长发育以及激素作用等影响作物抗旱性和产量形成的机制，从系统生物学观点提出多因子整合提高作物产量与抗旱性的技术方法，为作物抗旱遗传改良和提高作物WUE提供理论指导、技术支撑、育种材料及作物新品种。

关键科学问题：围绕上述总体设想，项目拟深入研究以下六个科学问题：（1）作物响应干旱胁迫的信号转导机制，即作物的气孔和根系是如何感受和传递干旱信号，使作物对干旱作出响应的；（2）作物适应干旱胁迫的基因转录调控网络，干旱信号最终通过调控转录因子或功能基因的表达发挥作用的，干旱条件下哪些转录因子、功能基因和QTL发挥关键作用，作用的机制是什么需要深入研究；

（3）缺水条件下作物根发育及根构型形成的分子机制，解析逆境下作物根系可塑性发育及适应干旱的分子调控机制等；（4）缺水条件下作物营养生长及生殖发育的机制，系统研究作物通过调控气孔发育、营养生长和生殖发育过程协调利用水分和光能的机制，揭示缺水条件下提高作物生物量和籽粒产量的遗传基础和分

子机制；（5）作物抗旱性变异的遗传基础，作物抗旱性差异受复杂的遗传因素控制，因此，充分利用各种育种材料，发掘多种材料中重要的抗旱遗传资源，将节水耐旱相关性状快速组装提高作物的抗旱性是抗旱研究中的重要课题；（6）作物对干旱的整体适应性生理机制，整合目前已获得的零散的植物抗旱理论、方法和技术，应用于作物栽培实践中，提高作物整体的抗旱性。

研究内容：主要以玉米、小麦和水稻为材料研究以下内容：1.干旱胁迫下气

孔保卫细胞信号转导机制：（1）保卫细胞信号转导中间成分的鉴定和作用机制；

（2）气孔保卫细胞质膜离子通道功能调控机制；（3）作物ABA信号转导及ABA受体对下游抗旱相关转录因子的调节机制。2.作物适应干旱胁迫的基因转录调控机制：（1）作物抗旱相关转录因子的鉴定和作用机制；（2）染色体重塑对干旱胁迫响应基因表达的调节机制；（3）干旱条件下根系可塑性发育基因调控网络。

3.干旱胁迫下作物根发育及根构型形成的分子机制：（1）植物根系构型可塑性发育的表观遗传调控机理；（2）干旱条件下作物根生长的分子机理（3）干旱条件下作物根系构型形成的激素调控机理；（4）脱落酸（ABA）和促生长激素油菜素甾醇（BRs）调控植物根系发育的分子机制；（5）作物株型发育相关基因调节根系发育及作物抗旱性的机制。4.缺水条件下作物地上部生长及发育机制：（1）BR通过调控植物生长发育参与抗旱的分子机制；（2）ABA调控作物营养生长和生殖发育的机制；（3）BR通过调节作物地上部发育调控抗旱的分子机制；（4）干旱胁迫下水稻花器官中特异表达基因在生殖发育、响应干旱胁迫和调控生殖发育过程中的功能。5.作物抗旱性变异的遗传基础：（1）抗旱种质资源抗旱类型鉴别；

（2）重要抗旱基因发掘和抗旱QTL关联定位研究；（3）作物抗旱遗传改良。

6.作物对干旱的整体适应性生理及分子机制：（1）水分供应限制条件下作物高产

与水分高效利用的调控途径及调控原理；（2）适度干旱促进同化物质转运、提高收获指数（HI）和加速籽粒灌浆的分子机理；（3）干旱胁迫下作物启动抗氧化防护反应响应与适应干旱胁迫的分子机制。

二、预期目标

1. 理论贡献和科学价值

揭示作物感知干旱信号最重要的原初反应过程，探明控制作物节水抗旱能力和产量潜力的主效基因以及信号转导网络体系，阐明作物节水的细胞及分子遗传学基础，建立节水条件下提高作物生产潜力的生长发育模型和生理模型，为作物抗旱遗传改良提供丰富的种质资源，优化作物水分高效利用新品种培育技术体系，完善以根系分区灌溉和干湿交替灌溉等节水栽培技术为代表的作物抗旱和水分利用效率评价系统，为提高我国中低产田的粮食产量以及缓解干旱对我国农业生产的威胁提供理论依据和技术支撑。

2. 技术方法和平台建设

建立作物耐旱高光效的远红外高通量筛选方法以及启动子-标记基因系统的突变体筛选体系。将高通量测序技术、转录组学、表观遗传学、蛋白质组学、生物信息学、抗旱性状QTL关联定位、生物芯片分析等技术应用于水稻、小麦和玉米等作物抗旱高WUE基因分离与功能研究中。建立分子设计构建导入系和标记辅助育种等方法，将抗旱基因转入到优良的常规品种和恢复系以及不育系的保持系等作物材料中，建立节水抗旱作物种质创新与品种选育的技术体系。完善根系分区灌溉和干湿交替灌溉等节水栽培技术，并用于研究作物根系形态生理、冠层结构与功能、茎与鞘中同化物积累与调运、产量形成和收获指数等作物抗旱性和水分利用效率评价体系。

3. 预期研究目标和人才培养

获得拥有自主知识产权的作物节水抗旱相关新基因20-30个，新QTL 5-10个。创制150份左右有重要应用价值的节水抗旱玉米、小麦和水稻新种质资源，获得30-50份抗旱恢复系和保持系育种中间材料，培育节水抗旱水稻、小麦和玉米新品种2-3个。从根冠关系和根冠信号传递、气孔开闭调节、物质转运和收获指数等方面，优化水稻、小麦和玉米抗旱高产与水分高效利用的栽培技术体系，使作物抗旱性和水分利用效率显著提高。发表SCI论文80篇以上，累计影响因子达400以上，申请专利10-20项。培养本领域的学术带头人10人以上，培养博士后20人，博士及硕士研究生100人以上。

三、研究方案

1. 总体思路

本项目瞄准国际研究前沿，提出如下创新性学术思想：围绕作物水分高效利用及抗旱机理这一核心科学问题，综合考虑作物适应干旱胁迫的两大系统（地上叶片气孔系统和地下根系系统）、两种机制（以系统抗性为主的回避机制和以细胞抗性为主的忍耐机制）、两个层面（干旱分子生物学微观层面和作物个体系统反应的宏观层面），以分离鉴定关键抗旱功能基因为依托和突破口，从作物响应干旱胁迫的信号转导机制、作物适应干旱胁迫的基因转录调控机制、干旱条件下作物根系发育的分子机理、干旱对作物生长生殖发育的影响、作物抗旱品种与基因表达之间的关系以及作物水分高效利用的整体生物学反应和调控途径等六个关键科学问题展开研究，兼顾作物抗旱性与生长发育和产量的关系，揭示和建立干旱条件下作物基因信号转导与表达调控网络体系。

2. 技术路线

为实现上述创新性的学术思想，设计了如下的研究方案和技术路线：利用远红外技术和启动子-标记基因系统等进行作物突变体筛选，获得有价值的遗传材料和自然突变遗传资源；充分利用高通量测序、比较基因组等技术和“水稻、玉米基因组计划”产生的基因序列及大量遗 …… 此处隐藏：7977字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……