【正文】 項目名稱： 重要園藝作物果實品質(zhì)形成機理與調(diào)控 首席科學家： 鄧秀新 華中農(nóng)業(yè)大學 起止年限： 至 依托部門： 教育部 湖北省科技廳 二、預(yù)期目標 1. 總體目標 （ 1）在基礎(chǔ)研究方面 ，揭示果實品質(zhì)形成的機理，找到調(diào)控的關(guān)鍵點，探明我國重要果實種質(zhì)品質(zhì)組分的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及遺傳規(guī)律， 建立果實品質(zhì)性狀 表達譜和 代謝組譜， 提供園藝作物重要的基因資源和高效的育種方法及創(chuàng)新基礎(chǔ)平臺，提高我國園藝產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力。 （ 2）在產(chǎn)業(yè)支撐方面， 通過項目的實施，將對我國園藝產(chǎn)業(yè)提供有力 的理論和技術(shù)支撐，提高產(chǎn)品的品質(zhì)，優(yōu)質(zhì)果品率 、 出口果品優(yōu)質(zhì)率 大幅度提升 。提高園藝產(chǎn)品的國內(nèi)和國際競爭力，提高產(chǎn)業(yè)的效益，促進農(nóng)民增收，推動園藝產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。 （ 3）在人才建設(shè)方面， 培養(yǎng)一支高水平、高素質(zhì)的果實品質(zhì)基礎(chǔ)科學研究隊伍，提 升 我國園藝科學研究水平，整體步入國際先進的研究方陣，支撐我國園藝作物科技創(chuàng)新體系建設(shè)。 （ 4）在資源創(chuàng)新方面， 不斷創(chuàng)新園藝作物優(yōu)異種質(zhì)材料， 創(chuàng)制果實品質(zhì)資源純系和遺傳研究群體， 為我國果實品質(zhì)改良奠定基礎(chǔ)。 2. 五年預(yù)期目標 通過 5 年努力，闡明柑橘、蘋果、番茄果實色澤、風 味、營養(yǎng)品質(zhì)形成的主要代謝途徑及累積和保持的分子機理，發(fā)掘其關(guān)鍵基因和調(diào)控基因 30 個，構(gòu)建果實色澤、風味、營養(yǎng)成分的表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)， 建立果實品質(zhì)性狀代謝組譜， 驗證果實品質(zhì)組分累積和保持相關(guān)的 810 個重要基因的功能 。 研究柑橘和蘋果遺傳圖譜，開發(fā) 2022 個以上分子標記， 創(chuàng)制果實品質(zhì)資源純系 12 個， 培育優(yōu)質(zhì)新種質(zhì)或新品系 610 個，構(gòu)建一個果實品質(zhì)遺傳改良的基礎(chǔ)平臺。 培養(yǎng)和形成一支穩(wěn)定的果實品質(zhì)研究國家隊伍。申報國家或國際發(fā)明專利10 項，發(fā)表項目相關(guān)的高質(zhì)量研究論文 4060 篇，培養(yǎng)碩士、博士研究生 4050名。使我國在果實品質(zhì)形成與調(diào)控的分子生物學研究領(lǐng)域達到國際先進水平。 通過 該項目的實施，提供園藝作物重要的基因資源和高效的育種方法，增強我國園藝作物的品質(zhì)形成基礎(chǔ)理論和技術(shù)，支撐我國園藝作物農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新體系建設(shè)和滿足園藝產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的國家需求。 三、研究方案 （一） 學術(shù)思路和技術(shù)途徑 果實品質(zhì)的形成和 保 持主要由三個相互關(guān)聯(lián)的層面構(gòu)成：優(yōu)異的種質(zhì)是品質(zhì)形成的基礎(chǔ)，（果實）品質(zhì)性狀的形成機理認 知 是未來調(diào)控品質(zhì)的關(guān)鍵，而采后品質(zhì)的 保 持和調(diào)控是實現(xiàn)優(yōu)良品質(zhì)的保障。針對這三個 層面的問題，本研究將綜合應(yīng)用分子生物學、生物化學、遺傳學、現(xiàn)代生物組學等現(xiàn)代技術(shù)手段， 系統(tǒng)地開展 柑橘、蘋果、番茄等 果實品質(zhì)基礎(chǔ)理論研究，進行 主要品質(zhì)性狀組分調(diào)查與測定、 建立果實品質(zhì)代謝組譜， 解析果實品質(zhì)形成與調(diào)控途徑的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)及交互作用，明確品質(zhì)形成關(guān)鍵步驟，發(fā)掘品質(zhì)形成關(guān)鍵調(diào)控因子，闡明果實品質(zhì)形成與積累過程的遺傳與生理本質(zhì)，探索 外界條件對品質(zhì)的影響與調(diào)控和 提高果實品質(zhì)的共性關(guān)鍵技術(shù)， 培育果實品質(zhì)資源純系， 創(chuàng)新品質(zhì)優(yōu)異的種質(zhì)。 總體研究方案如下（圖 1）。 圖 1 項目 總體研究方案路線圖 果實 功能性物質(zhì) 形成 機理 與調(diào)控 （課題 3） 果實風味物質(zhì) 形成 機理 與調(diào)控 （課題 2） 果實色澤 形成機理與調(diào)控 （課題 1） 科學問題（一） 果實采后 品質(zhì) 保持與調(diào)控機制 （課題 4） 科學問題（ 二 ） 果實品質(zhì) 基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)及遺傳規(guī)律 （課題 5） 科學問題（ 三 ） 果實 優(yōu)質(zhì)性狀 種質(zhì)創(chuàng)新 （課題 6） 項目目標 重要園藝作物 果實品質(zhì) 形成機理與調(diào)控 品質(zhì)保障 品質(zhì)關(guān)鍵 品質(zhì)基礎(chǔ) 圖 1 所示的總體方案中，各課題將根據(jù)研究內(nèi)容，采取相應(yīng)的技術(shù)方案和路徑。 對于果實品質(zhì)形成基礎(chǔ)及調(diào)控（課題 1， 2， 3），項目將通過生理生化、細胞生物學、分子生物學、比較基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學等手段分析果實品質(zhì)成分的基本組分； 建立果實品質(zhì)代謝組譜； 鑒定果實品質(zhì)形成途徑關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基因及調(diào)控因子。通過 RNAi 和超量表達進行功能鑒定；通過分析果實生物活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與生物效價，探討提高果實品質(zhì)形成的農(nóng)藝措施和作用機制。 圍繞果實采后品質(zhì)保持與調(diào)控機制（課題 4），通過轉(zhuǎn)錄組學、蛋白 質(zhì)組學、代謝組學研究果實采后品質(zhì)動態(tài)分布規(guī)律，具體包括組成成分分析及變化規(guī)律，調(diào)控相關(guān)代謝的蛋白 組 譜 和代謝組譜 ，以及參與調(diào)控的功能基因和調(diào)控因子，從而明晰影響品質(zhì)的關(guān)鍵組分因子和代謝途徑，揭示調(diào)控品質(zhì)變化的主要蛋白，進而確定調(diào)控品質(zhì)變化的關(guān)鍵基因；并進一步探索環(huán)境因子對果實采后品質(zhì) 的 變化規(guī)律。 為積累果實品質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 以及 認識品質(zhì)性狀遺傳規(guī)律（課題 5），從資源鑒定和遺傳規(guī)律入手，發(fā)掘優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源，構(gòu)建優(yōu)質(zhì)核心種質(zhì)庫，明確果實主要品質(zhì)性狀的物質(zhì)基礎(chǔ)和遺傳多樣性，了解物種地理起源與品質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)；運用不同遺傳分 析群體，研究品質(zhì)性狀的加性 /非加性效應(yīng)、細胞質(zhì)效應(yīng)等遺傳特點，挖掘關(guān)鍵品質(zhì)基因及其分子標簽或緊密連鎖的分子標記，建立果實品質(zhì)分子育種技術(shù)平臺。 針對果實優(yōu)質(zhì)性狀的種質(zhì)創(chuàng)新問題（課題 6），項目組將基于各課題研究中產(chǎn)生的有價值的基因資源和材料資源，發(fā)掘品質(zhì)優(yōu)異種質(zhì)資源和創(chuàng)建一批優(yōu)異遺傳群體， 培育果實品質(zhì)資源純合株系，研究提高種質(zhì)創(chuàng)新效率的方法， 通過細胞工程和 分子育種技術(shù)，創(chuàng)制品質(zhì)優(yōu)異 的 新種質(zhì)。 同時對所有的目標基因，將采用分子生物學及遺傳學方法開展基因分離和功能鑒定研究。 （二） 創(chuàng)新點和特色 1．主要創(chuàng)新點 （ 1） 突破了以往果實品質(zhì)形成和調(diào)控研究僅注重單個果實品質(zhì)性狀有關(guān)基因的思維模式，系統(tǒng)地研究果實品質(zhì)形成相關(guān)基因及其調(diào)控機制。與已有研究相比，本項目在代謝途徑基礎(chǔ)上，加強從調(diào)控機制的層面著手研究果實糖、有機酸、香氣、色澤及功能性成分形成的途徑網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵步驟、調(diào)控機制 以 及品質(zhì)組分動態(tài)變化規(guī)律，并關(guān)注不同途徑間的互作效應(yīng)，這有別于以往僅關(guān)注單一基因或單一品質(zhì)性狀的研究模式。同時，本項目將充分利用國際上陸續(xù)釋放的植物基因組公共信息， 以及 迅速發(fā)展的先進生物技術(shù)和化學分析技術(shù)。 （ 2） 在系統(tǒng)研究果實主要品質(zhì)變化規(guī)律的基 礎(chǔ)上，揭示參與糖、酸和維生素 C 代謝途徑的重要信號分子及網(wǎng)絡(luò)調(diào)控方式，以及外源因子對果實采后品質(zhì)保持的調(diào)控機制，闡明果實品質(zhì)再分配的分子基礎(chǔ)，在學術(shù)思想和研究路線上具有創(chuàng)新性。 （ 3） 建立果實品質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。本項目預(yù)期 將 首次較全面 地 鑒定我國重要園藝作物的果實品質(zhì)性狀基本組分， 建立果實品質(zhì)性狀代謝組譜， 明晰果實品質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不僅有利于果實優(yōu)質(zhì)資源的發(fā)掘和優(yōu)質(zhì)育種骨干親本的篩選，而且將有力 地 推動 果實品質(zhì)基礎(chǔ)研究。 2．主要特色 （ 1） 項目研究的是 園藝作物主產(chǎn)品 —果實，園藝作物果實的研究具有特殊性，其 果實 品質(zhì)特性的 內(nèi)涵及其形成和保持機制不同于其它作物（禾谷類果實或種子），二者存在著很大的差異。加深對園藝作物這一重要的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學分支的研究工作，對豐富和完善我國整個作物學科學理論體系具有重要戰(zhàn)略意義。 （ 2） 項目研究選用的園藝作物對象為柑橘、蘋果和番茄等，既考慮試材的經(jīng)濟重要性，又很好地結(jié)合了科學性；既有果實研究的模式植物，又有常綠型和落葉型果樹；既有呼吸躍變型果實、又有非呼吸躍變型果實 ； 有利于全面了解和認識不同種類園藝作物果實品質(zhì)形成與調(diào)控的共性機理和特殊機制。 （ 3） 本項目充分結(jié)合近年我國 在 果實研究過程中積累的一些 特殊突變體 材料 ， 同時 利用國際同類研究 的 技術(shù)平臺，加深對這些 基礎(chǔ) 材料的研究，有利于形成我國果實品質(zhì)研究 的鮮明 特色。 （ 4） 項目研究目標中既強調(diào)當前大眾公認的品質(zhì)性狀，又著眼于未來潛在性的新品質(zhì)目標，如功能性物質(zhì)成分（含苦味物質(zhì)），突破傳統(tǒng)的品質(zhì)視野，適應(yīng)飲食結(jié)構(gòu)和保健需求。 （ 5） 在項目總體設(shè)計上既兼顧了項目產(chǎn)出的基礎(chǔ)理論和技術(shù)平臺建設(shè)， 又將 基礎(chǔ)研究 與 生產(chǎn)實踐緊密結(jié)合，研究成果將直接指導(dǎo)和服務(wù)產(chǎn)業(yè)。 （三）取得重大突破的可行性 1. 精干的研究隊伍和良好的前期研究積累 項目組集中整合了我國果實品質(zhì)研究的優(yōu)勢單 位和優(yōu)勢人才隊伍，以院士、長江學者和杰青為骨干的研究隊伍，代表了我國在果實品質(zhì)研究的優(yōu)勢力量。項目組在園藝作物優(yōu)異品質(zhì) 資源收集、種質(zhì)資源創(chuàng)新、品種選育、細胞 及基因 工程操作技術(shù)等方面 有較好的積累 ， 取得突出成績 。另一方面，現(xiàn)代生物技術(shù)與果實品質(zhì)基礎(chǔ)研究相結(jié)合，項目組在果實品質(zhì)研究方面取得了一批具有國際影響的結(jié)果，有多篇基礎(chǔ)性研究結(jié)果發(fā)表在國際一流期刊。 2. 豐富的園藝作物資源 我國園藝作物種質(zhì)資源豐富，經(jīng)過長期的栽培馴化和資源發(fā)掘，有大量的優(yōu)異品質(zhì)的園藝種質(zhì)資源可供研究。我國是許多重要園藝作物的發(fā)源地，開展本 項目研究具有得天獨厚的優(yōu)勢。 3. 充分的研究材料積累 經(jīng)過項目組前期研究積累，發(fā)掘了一批與品質(zhì)相關(guān)的果實突變體，變異性狀涉及糖、酸、色澤、香味、無核、成熟期、童期縮短等，構(gòu)建了一批果實研究遺傳群體，建立了大量優(yōu)異果實的基因文庫，建設(shè)了一批園藝作物的種質(zhì)資源圃，為本項目的實施積累了充分的研究材料。 4. 先進的技術(shù)平臺 項目組在果實品質(zhì)研究方面已經(jīng)建立起一系列先進的研究體系和技術(shù)平臺 ，分子標記開發(fā)、基因文庫構(gòu)建、基因分離克隆、基因組學、 轉(zhuǎn)錄組學、 蛋白組學、代謝組學、 遺傳轉(zhuǎn)化、細胞工程、遺傳育種等技術(shù)在項目組 已成為常規(guī)技術(shù)。在果實品質(zhì)形成與調(diào)控的分子基礎(chǔ)研究方面 已 取得一批 成 果，研究結(jié)果進入國際同類研究的主流，有較大影響。 5. 完備的實驗條件和設(shè)施 項目組所在單位具備本項目 研究 所需要 的 實驗條件和設(shè)備。項目 研究 將依托作物遺傳改良國家重點實驗室、作物生物學國家重點實驗室、園藝作物生物學教育部重點實驗室、園藝植物生長發(fā)育與生物技術(shù)農(nóng)業(yè)部重點實驗室、國家柑橘育種中心、國家柑橘品種改良中心、國家蘋果工程技術(shù)研究中心、國家蔬菜改良中心、國家植物基因研究中心（武漢）等一批國家級科研基地，具備良好的實驗設(shè)備和實驗條件。 6. 廣泛而實質(zhì)的國際合作 項目組研究人員在果實品質(zhì)研究方面開展了廣泛而有實質(zhì)性的國際合作，承擔了一批實質(zhì)性的國際科技合作研究計劃，并取得階段性進展。 本項目的 主要學術(shù)骨干均有國外留學的經(jīng)歷，與本項目研究內(nèi)容相關(guān)的國際知名大學或研究機構(gòu)，如美國康奈爾大學、佛羅里達大學、伊利諾 伊 大學、加州大學河濱分校、美國農(nóng)業(yè)部食品品質(zhì)與安全研究所，英國諾丁漢大學和 Jone Innes Centre，法國LANGUEDOC 科技大學，加拿大農(nóng)業(yè)部園藝研發(fā)中心，日本果樹研究所和鹿兒島大學，荷蘭瓦赫寧根大學，意大利國家新技術(shù)能源與環(huán)境署及 博洛尼亞大學，以色列農(nóng)業(yè)部 Newe Ya39。ar 研究中心和希伯來大學，澳大利亞 CSIRO 園藝部，新西蘭植物和食品研究所和 HortResaerch，以及德國、韓國的知名大學和研究所建有密切而實質(zhì)的合作關(guān)系。項目首席科學家鄧秀新院士在擔任國際柑橘學會主席期間與外國專家 廣泛交流，深入探 討 了 果實品質(zhì)基礎(chǔ)研究 的前沿問題 。廣泛而有效的國際交流與合作， 將 有效 保持本項目研究的先進性，為取得預(yù)期的研究成果提供良好的國際視野。 四、年度計劃 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標 第 一 年 分離調(diào)控果實色素物質(zhì)（ 類胡蘿卜素 、 花 氰苷 ）、風味物質(zhì)（糖、酸）以及功能性物質(zhì)（抗壞血酸、苦味物質(zhì)）等品質(zhì)組分生物合成的關(guān)鍵酶基因，研究上游調(diào)控元件及其關(guān)鍵調(diào)控因子，解析關(guān)鍵基因和調(diào)控因子對果實品質(zhì)形成的調(diào)控機制和互作網(wǎng)絡(luò)。研究果實品質(zhì)的基本組分、代謝組譜、積累動態(tài)、遺傳規(guī)律、環(huán)境響應(yīng)和調(diào)控機制 。 創(chuàng)建果實研究群體，開發(fā)果實品質(zhì)分子標記， 開展 果實 純系材料培育 。 初步 了解 果實品質(zhì)形成的主要路徑、調(diào)控機制、互作網(wǎng)絡(luò)， 初步掌握 果實品質(zhì)主要組分，積累規(guī)律和代謝組譜 ，明 確 果實采后物質(zhì)再分配規(guī)律和環(huán)境調(diào)控機制，了解果實品質(zhì)組分的環(huán)境響應(yīng)特征， 初步 建立 果實品質(zhì) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫， 創(chuàng)建 蘋果 F1 研究群體 ，開發(fā)果實品質(zhì)分子 標記 1000 個 ， 申請專利 12 項； 發(fā)表 SCI 論文 910篇 。 第 二 年 利用突變 體 、研究群體和轉(zhuǎn)基因株系， 研究 果實品質(zhì)關(guān)鍵基因的時空表達譜以及基因型表達差異，分別從轉(zhuǎn)錄譜，蛋白組譜以及代謝組譜分析果實品質(zhì)的形成積累規(guī)律以及采后的動態(tài)變化規(guī)律，探索關(guān)鍵基因和調(diào)控因子在果實品質(zhì)形成與保持中的作用，并以番茄為模式果實進行基因功能分析。繼續(xù)研究果實品質(zhì)的基本組分和遺傳規(guī)律。通過有性雜交、胚胎搶救、遺傳轉(zhuǎn)化等不同手段創(chuàng)制并發(fā)掘 具有 優(yōu)質(zhì)性狀的果實種質(zhì)資源 。 明確 果實品質(zhì)形成與積累的關(guān)鍵 分子途徑 ； 闡明關(guān)鍵基因在果實品質(zhì)形成中的作用機制 及 關(guān)鍵調(diào)控因子， 發(fā)掘 調(diào)控果實品質(zhì)形成的關(guān)鍵基因2025