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正文內(nèi)容

973項目申報書-微藻能源規(guī)?;苽涞目茖W基礎(chǔ)-wenkub.com

2024-10-03 08:07 本頁面
   

【正文】 培養(yǎng)博士研究生 10~ 12 名,碩士研究生 14~ 16 名。 闡明 水稻、小麥、玉米 骨干親本的基礎(chǔ) 遺傳 圖譜的遺傳與 育種 效應; 分析重要基因 和基因序列變異 5~6 個, 闡明 2~3 個 基因 /等位基因的功能 ; 發(fā)掘?qū)崿F(xiàn) 水稻、小麥、玉米 未來育種目標具有重要價值的 關(guān)鍵 基因組區(qū)段 /基因簇 /基因各 2~3 個 。 一般配合力對骨干親本形成的作用及其遺傳基礎(chǔ) 以骨干親本與典型非骨干親本構(gòu)建的測交群體或完全雙列雜交群體為材料 ,利用分子標記、轉(zhuǎn)錄組學等技術(shù),以穗粒數(shù)、粒重等產(chǎn)量性狀形成為主體,定位與產(chǎn)量相關(guān)性狀一般配合力密切相關(guān)的基因組區(qū)段,研究相關(guān)產(chǎn)量性狀一般配合力的傳遞規(guī)律,探討一般配合力對骨干親本形成的作用以及骨干親本能夠衍生出大量主栽品種的遺傳學基礎(chǔ);闡明 控制 一般配合力基因組區(qū)段與骨干親本的基礎(chǔ)遺傳 圖譜的關(guān)系。 37 37 培養(yǎng)博士研究生 7~ 9 名,碩士研究生 12~ 14 名。 初步 闡明 水稻、小麥、玉米 骨干親本的基礎(chǔ) 遺傳 圖譜的遺傳與 育種 效應;分析重要基因 和基因序列變異 3~4 個, 闡明 1~2 個 基因 /等位基因的功能。 一般配合力對骨干親本形成的作用及其遺傳基礎(chǔ) 以骨干親本與典型非骨干親本構(gòu)建的測交群體或完全雙列雜交群體為材料,開展多個生態(tài)環(huán)境下的表型鑒定和基因型鑒定,以 定位與產(chǎn)量相關(guān)性狀一般配合力密切相關(guān)的基因組區(qū)段,研究相關(guān)產(chǎn)量性狀一般配合力的傳遞規(guī)律。 培養(yǎng)博士研究生 5~ 7 名,碩士研究生 10~ 12 名。 分析重要基因 和基因序列變異 3~4 個, 闡明 1~2 個 基因 /等位基因的功能。 一般配合力對骨干親本形成的作用及其遺傳基礎(chǔ) 以骨干親本與典型非骨干親本構(gòu)建的測交群體或完全雙列雜交群體為材料,開展多個生 態(tài)環(huán)境下的表型鑒定和基因型鑒定,以 定位與產(chǎn)量相關(guān)性狀一般配合力密切相關(guān)的基因組區(qū)段,研究相關(guān)產(chǎn)量性狀一般配合力的傳遞規(guī)律。 培養(yǎng)博士研究生 5~ 7 名,碩士研究生 8~ 10 名。 分析重要基因 和基因序列變異 2~3 個, 闡明 1 個 基因 /等位基因的功能。 一般配合力對骨干親本形成的作用及其遺傳基礎(chǔ) 以骨干親本與典型非骨干親本構(gòu)建的測交群體或完全雙列雜交群體為材料,開展多個生態(tài)環(huán)境下的表型鑒定和基因型鑒定,以 定位與產(chǎn)量相關(guān)性狀一般配合力密切相關(guān)的基因組區(qū)段,研究相關(guān)產(chǎn)量性狀一般配合力的傳遞規(guī)律。 培養(yǎng)博士研究生 3~ 5 名,碩士研究生 6~ 8 名。 分析重要基因 和基因序列變異 2~3 個 。 一般配合力對骨干親本形成的作用及其遺傳基礎(chǔ) 以骨干親本與典型非骨干親本構(gòu)建的測交群體或完全雙列雜交群體為材料,開展多個生態(tài)環(huán)境下的表型鑒定和基因型鑒定,以 定位與產(chǎn)量相關(guān)性狀一般配合力密切相關(guān)的基因組區(qū)段,研究相關(guān)產(chǎn)量性狀一般配合力的傳遞規(guī)律。 ( 5)條件保障: 骨干親本研究涉及到很多高技術(shù)的手段,要求有較先進的儀器設(shè)備、大田和溫室設(shè)施。(詳見工 作基礎(chǔ)部分) 。本項目通過解析骨干親本形成與利用規(guī)律,將豐富和完善農(nóng)作物品種高效改良理論,架起從育種 材料 /種質(zhì)資源有效利用到作物高效育種的橋梁。 ( 2) 預測、篩選與改良對未來 5~ 10 年主要糧食作物育種具有重要促進作用的候選骨干親本,將為保障我國糧食安全做出貢獻。 培養(yǎng)博士研究生 30~ 40 名,碩士研究生 50~ 60 名。 闡明 水稻、小麥、玉米 骨干親本的基礎(chǔ) 遺傳 圖譜的遺傳與 育種 效應; 分析重要基因 和基因序列變異 15~20 個, 闡明 5~8 個 基因 /等位基因的功能 ; 發(fā)掘?qū)?實現(xiàn) 水稻、小麥、玉米 未來育種目標具有重要價值的 關(guān)鍵 基因組區(qū)段 /基因簇 /基因 各 2~3 個 。通過分析微藻能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換和運輸、季節(jié)環(huán)境條件影響等過程中的能量平衡,從微藻能源生產(chǎn)過程中各單元能量的投入與產(chǎn)出、 CO2 排放、廢水排放等角度綜合考慮,對微藻能源生產(chǎn)過程進行全生命周期分析,評價其過程經(jīng)濟性,為推進微藻能源的規(guī)模化進程奠定基礎(chǔ)。 4. 采用恒化培養(yǎng)和同位素 13C 標記等方法研究典型能源微藻(如小球藻等)不同環(huán)境條件 (光強與細胞密度、 CO2 濃度與 pH、溫度、 N 等營養(yǎng)物)下的光自養(yǎng) 培養(yǎng)過程以 及生長模式轉(zhuǎn)變(如異養(yǎng)轉(zhuǎn)光自養(yǎng))時基因組、轉(zhuǎn)錄組和脂組等的差異 和變化規(guī)律; 采用組學及 13C 標記等手段,結(jié)合所構(gòu)建的微藻全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型,研究重要環(huán)境影響因子條件下的碳代謝和油脂累積的規(guī)律,闡析環(huán)境優(yōu)化及脅迫條件下的代謝過程特征和細胞與環(huán)境相互作用機制;采用恒化培養(yǎng)或批培養(yǎng)方法開展不同環(huán)境條件下的細胞宏觀代謝流研究,獲得細胞生長與油脂累積過程動力學模型;研究既是碳源又是酸度平衡調(diào)節(jié)物的 CO2 的吸收規(guī)律及其與培養(yǎng)過程的耦合調(diào)控方法;采用恒化培養(yǎng)或批培養(yǎng)方法, 對 微藻 光自養(yǎng) 培養(yǎng)過程 的 在線參數(shù) (如 pH、溫度、 CO2 濃度等)、在線生理參數(shù) ( 如 在線 CO2 固定速率、 O2 釋放速率、 細胞呼吸強度等)、離線參數(shù) ( 如細胞密度、油脂含量等 ) 進行相關(guān)性分析,形成多尺度參數(shù)分析方法;在 重構(gòu)全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上結(jié)合宏觀代謝流多尺度分析方法,建立適于微藻細胞培養(yǎng)過程優(yōu)化的新方法;研究基于 微 藻細胞生理、光照方向混合及光衰減特性相結(jié)合的光自養(yǎng)培養(yǎng)過程放大方法,為規(guī)?;茉次⒃骞庾责B(yǎng)培養(yǎng)過程放大提供理論基礎(chǔ)。采用 PIV 和 LDA 等測試技術(shù),進行混合特性模擬結(jié)果的實驗驗證與模擬方法的修正。結(jié)合公共基因組序列和代謝途徑數(shù)據(jù)庫,重構(gòu)全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型,甄別能源微藻光合固碳和油脂合成與積累的調(diào)控因子 。通過比較基因組學研究,解析可工業(yè)規(guī)模培養(yǎng)藻種優(yōu)良株系優(yōu)良性狀的遺傳基礎(chǔ)。 6. 完成課題驗收工作。 5. 確定高值產(chǎn)品的理化特性和可能的應用市場 。 2. 構(gòu)建 57 株生長快速、高效積累油脂的轉(zhuǎn)基因株系,轉(zhuǎn)基因株系至少要在戶外小試水平上提高10%以上。 2. 整合能源微藻光合固碳和油脂積累系統(tǒng)生物學研究全面開展構(gòu)建高油脂合成、高光效的轉(zhuǎn)基因株系,探索能源微藻工程藻株應用的可行性。 10. 建立能源微藻規(guī)?;苽涞娜嬷芷诜治銎脚_ 。 6. 初步完成獲取高值產(chǎn)品和油脂的分離技術(shù) 。 9. 在熱態(tài)試驗平臺上開展藻渣煤漿中氮、磷元素的遷移規(guī)律研究 。 5. 研究能源微藻的高效低成本、易放大采收、破壁及油脂提取工藝優(yōu)化原理 。 3. 提出基于微藻代謝的過程優(yōu)化控制方法,形成技術(shù)方案;開始進行規(guī)模培養(yǎng)示范;并對優(yōu)化反應器進行逐級放大并通過自養(yǎng)培養(yǎng)驗證,得到放大規(guī)律。 10. 在 SCI 和 EI 期刊上發(fā)表論文3446; 申請專利 914 項 ; 培養(yǎng)12 名博士研究生和 1213 名碩士研究生 。 7. 掌握藻渣與煤共氣化時對煤氣化動力學的影響以及煤灰熔點影響,確定合適的氣化工藝條件。 8. 研究藻渣與煤共氣化時對煤氣化動力學的影響規(guī)律;研究藻渣與煤 共氣化過程中對煤灰熔點影響的規(guī)律;初步研究藻渣與煤共氣化過程中氮、磷元素的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律; 研究能源微藻非油脂組分的組成對厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣過程的影響規(guī)律 。 5. 確定能源微藻不同油脂組成特征對甲酯化過程的影響規(guī)律并解析其機制 。 5. 研究油水共存條件下高效轉(zhuǎn)化微藻油脂合成生物柴油的作用1. 測試 24株優(yōu)良藻株的抗逆能力和戶外實際油脂得率 。 16 16 研究內(nèi)容 預期目標 第 三 年 1. 完善能源微藻庫的信息量,獲得可規(guī)?;囵B(yǎng)的能源微藻種(如三角褐指藻 等)的遺傳純系,提高能源微藻種遺傳穩(wěn)定性和生產(chǎn)性能;測試優(yōu)良藻株抗逆性和戶外培養(yǎng)測試其粗油脂含量。 8. 改善藻渣煤漿的漿體性能,獲得適合于工業(yè)應用的高濃度藻渣煤漿。 10. 逐步馴化沼氣生產(chǎn)菌種對藻渣等營養(yǎng)的利用,并對其培養(yǎng)條件進行優(yōu)化 。 6. 研究用于微藻細胞壁的不同的生物催化反應過程和化學反應過程。 6. 確定 能源微藻細胞特性對不同破壁方法與效率的影響規(guī)律并解析其機制。 3. 計算獲得平板式、管道式光生物反應器中的湍動能、上下混合、流場 等混合特性;測試獲得跑道池、園池中的湍動能、上下混合、流場等混合特性并與計算結(jié)果相對照以修正 CFD 計算。探索油脂及其他儲存性化合物合成機制及調(diào)控:包括微藻光合作用所獲取的能量及碳硫的分配;微藻中不同類油脂的合成途徑及增加油脂合成的策略;淀粉 等儲存性化合物合成機制及與油脂合成的關(guān)系;微藻細胞內(nèi)油脂和儲存性化合物的調(diào)控機制等;闡述培養(yǎng)條件及環(huán)境因素對細胞生長和油脂合成的影響:包括營養(yǎng)條件影響細胞生長和油脂合成的分子作用機理;微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中理化條件對細胞生長和油脂合成的影響等。 10. 發(fā)表 SCI 或 EI 收錄論文 13~ 18篇 , 申請專利 24 項。 9. 探索藻渣 預處理改性方法,初步建立利用藻渣發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的平臺。 5. 對能源微藻規(guī)?;囵B(yǎng)過程中細胞特性進行表征。 。 3. 計算獲得跑道池、園池中的湍動能、上下混合、流場等混合 特性。 研究 小球藻和微擬球藻的遺傳操作系統(tǒng)。課題 1 為課題 課題 3 及課題 4 提供優(yōu)良藻種及其表型;課題 2 為課題 4 的工藝優(yōu)化提供生物學基礎(chǔ)及可能的工程藻株、同時為課題 3 中有關(guān)光照方向的混合研究提供理論基礎(chǔ);課題 3 不僅為課題 4 提供培養(yǎng)用光生物反應器、同時為課題 4 中與光照相關(guān)的戶外規(guī)模培養(yǎng)工藝條件優(yōu)化及過程放大提供基礎(chǔ);課題 4 在規(guī)模培養(yǎng)基礎(chǔ)上不僅為課題 5提供了原料而且為課題 2 進一步實施基因改造提供實驗反饋依據(jù);通過課題 5的實施獲得本項目的 主要能源 產(chǎn)品生物柴油,其非油 脂組分在課題 6 中進行資源化利用研究;課題 6 不僅對能源微藻加工系統(tǒng)進行放大而且對課題 課題 4 及課題 5 進行集成,同時構(gòu)建了微藻 能源 規(guī)?;?制備 系統(tǒng)。組織了國內(nèi)從事微藻能源研究的優(yōu)勢單位,主要研究人員在能源微藻 藻種 的選育、光合固碳及油脂代謝、光合生物全基因組模型構(gòu)建、光生物反應器、微藻規(guī)?;庾责B(yǎng)培養(yǎng)、細胞采收、油脂分離與轉(zhuǎn)化、過程耦合和集成、系統(tǒng)優(yōu)化等方面已經(jīng)具有豐富的研究積累,學科交叉特色鮮明。緊緊圍繞微藻 生物能源 規(guī)模化 制備 過程中所面臨的困境,提出了 3 個關(guān)鍵科學問題及 6 個研究課題。 ( 2)基礎(chǔ)研究 、應用基礎(chǔ)研究 與技術(shù)應用密切結(jié)合的特色:微藻是一類低等植物,通過對其生命過程的解析,從功能基因與蛋白、網(wǎng)絡(luò)、調(diào)控、適應等不同的角度進行研 究,將促進對微藻生命過程的理解、認識與應用;同時,在對微藻培養(yǎng)過程中的一些工程科學問題的深入研究,也將進一步促進過程 工程 科學的進步;以微藻加工后形成的 包括液體燃料 微藻 生物柴油在內(nèi)的系列產(chǎn)品 為研究對象,對其中的一些過程 工程 科學問題的解決,將更直接地將科學知識轉(zhuǎn)化為應用技術(shù),項目本身的知識產(chǎn)出將直接貢獻給生物柴油、生物燃氣等能源產(chǎn)品的生產(chǎn);此外,通過本項目所產(chǎn)生新的科學思想、技術(shù)平臺和產(chǎn)品體系,將直接貢獻給微藻 能源產(chǎn)業(yè)化 技術(shù)的系統(tǒng)開發(fā)研究。首先對濕細胞進行破壁,然后利用油水二相比重的差異實現(xiàn)油脂及非油脂組分的分離,以分離出的微藻油脂為原料利用固定化酶促轉(zhuǎn)化法實現(xiàn)生物柴油的綠色制備。 ( 3)新 方法 : 以濕藻為原料的 高效低能耗微藻能源綠色制備方法 目前 利用 微藻制備生物能源的研究多以 干藻為原料,但 由于微藻細胞中水含量高( 80%以上),干燥過程的能耗高、微藻胞內(nèi)活性成分損失多、加工過程效率低,顯著降低了微藻能源的經(jīng)濟效益。 能源微 藻規(guī)?;?光自養(yǎng)培養(yǎng)過程 , 面臨著 復雜 多變的外部環(huán)境 ,光生物反應器內(nèi)的光分布具有時空非線性變化特性,且微藻 細胞之間 也存在著一定的 相互 作用。近年來發(fā)展起來的系統(tǒng)生物學研究證明,必須從 系統(tǒng)水平考察出發(fā) 細胞 特性, 才 能設(shè)計 出 最佳的代謝工程 策略 。 圖 3 本項目涉及到的技術(shù)途徑 3. 主要創(chuàng)新點與特色 主要創(chuàng)新點 ( 1)新思路: 基于全基因組尺度認知與重構(gòu)可規(guī)模化培養(yǎng)能源微藻的代謝網(wǎng)絡(luò), 從源頭上推進微藻 能 源 規(guī)模化進程 7 7 優(yōu)良藻種是微藻能源規(guī)?;苽涞脑搭^。 第三個層面主要從藻細胞采收、油脂提取、生物柴油制備、非油脂 組 分綜合利用等能源 微藻 加工及培養(yǎng)與加工系統(tǒng)集成優(yōu)化角度,挖掘提高效率的原理和方法。 第一個層 面主要以藻種選育及細胞本身基礎(chǔ)代謝規(guī)律與調(diào)控機制發(fā)現(xiàn)為主要研究內(nèi)容 。 4 4 三、研究方案 1. 學術(shù)思路 微藻 能源 生產(chǎn)過程所涉及的技術(shù),具有學科交叉性強、技術(shù)面廣、不成熟、單元復雜等特點,其外在表象是成本高。 ( 5)建立不同能源微藻細胞特性的表征方法;確定能源微藻細胞特性對不同采收、破壁、油脂提取及生物柴油制備方法與效率的影響規(guī)律;針對不同能源微藻細胞特征及油脂組成,建立采收、破壁、油脂提取與生物柴油制備系統(tǒng)的集3 3 成與優(yōu)化方法。 2. 五年預期目標 ( 1)闡明優(yōu)良種(株)的選育原理;建立可 在戶外進行 規(guī)模化光自養(yǎng)培養(yǎng)的能源微藻藻種的綜合評價體系;建立適合于我國不同地域、不同季節(jié)以及不同CO2 氣源與氮磷廢水資源光自養(yǎng)
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