【正文】 題，并為通過分子設(shè)計與遺傳改良培育養(yǎng)分高效高產(chǎn)作物品種提供理論依據(jù)、遺傳材料及基因資源。相關(guān)研究單位已建立了田間養(yǎng)分高效高產(chǎn)評價的長期定位試驗基地，植物營養(yǎng)生理生化分析測試平臺，功能基因組研究的先進技術(shù)體系，并與遺傳育種學家建立了密切的合作關(guān)系，為實現(xiàn)本研究的預期目標提供了堅實的基礎(chǔ)。集聚了一批中青年學術(shù)骨干與一批近年來學成歸國的留學博士。各研究組的實驗室在關(guān)鍵技術(shù)，研究材料，設(shè)備設(shè)施上各具特色，優(yōu)勢互補。 課題設(shè)置 根據(jù)總體學術(shù)思路，設(shè)置以下 5 個課題。利用已獲得的根系高效活化、吸收土壤養(yǎng)分的優(yōu)勢遺傳材料，包括重組自交系、近等基因系、轉(zhuǎn)基因材料， 從生理、遺傳與分子水平上，在不同土壤條件下，研究作物對土壤不同形態(tài)磷、鉀活化、吸收利用的機理，克隆相關(guān)基因并研究其功能。 預期目 標： 1）深入認識主要作物養(yǎng)分高效吸收的根形態(tài)建成及根系活化、吸收課題二： 氮信號轉(zhuǎn)導與吸收利用協(xié)同調(diào)控機制 課題三：磷、鉀信號轉(zhuǎn)導與吸收利用協(xié)同調(diào)控機制 課題一： 優(yōu)良根構(gòu)型建成與土壤養(yǎng)分活化的遺傳與分子機制 課題四： 小麥、水稻高效高產(chǎn)協(xié)同機制及優(yōu)異基因的聚合效應 課題五： 玉米高效高產(chǎn)協(xié)同機制及優(yōu)異基因的聚合效應 土壤養(yǎng)分的生理、遺傳與分子生物學基礎(chǔ)； 2）克隆參與調(diào)控根形態(tài)建成和磷鉀活化的關(guān)鍵基因 45 個，創(chuàng)制具有理想根構(gòu)型和養(yǎng)分吸收利用率顯著提高的種質(zhì)材料 35 份； 3）申請發(fā)明專利 23 項， 在國內(nèi)外主流學術(shù)期刊發(fā)表 SCI 論文 1012篇； 4） 培養(yǎng)博士生 810 名、碩士生 57 名、博士后 23 名、青年教師 23 名。 課題負責人及主要學術(shù)骨干： 課題負責人：廖紅教授。對已獲得的 、 和 轉(zhuǎn)基因材料及具有 主效QTLqNGR9 基因的 優(yōu)異種質(zhì)材料，從生理、遺傳與分子水平上進行系統(tǒng)研究，通過以田間養(yǎng)分定位試驗為基礎(chǔ)的高效高產(chǎn)評價體系驗證其氮素吸收利用效率，克隆相關(guān)基因， 探明硝酸鹽轉(zhuǎn)運體 、 及其伴侶蛋白、控制水稻氮營養(yǎng) 利用效率的主效 QTLqNGR9 基因在水稻氮素吸收轉(zhuǎn)運中的調(diào)控機制和功能，為通過分子遺傳學途徑培育適應不同生態(tài)環(huán)境條件下的氮素高效水稻品種提供關(guān)鍵基因和創(chuàng)制水稻氮吸收利用率提高 20%的高產(chǎn)材料。 承 擔單位：南京農(nóng)業(yè)大學，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所。 主要學術(shù)骨干： 孫淑斌教授、朱毅勇副教授、 袁清波助理研究員、 范曉榮講師、胡一兵講師、張成偉博士 。利用已具備的 PHR2 超表達背景的高效高產(chǎn)遺傳材料、磷信號調(diào)控相關(guān) SPX 基因的轉(zhuǎn)基因材料及高效高產(chǎn)優(yōu)異核心種質(zhì)材料，在生理、遺傳與分子水平開展系統(tǒng)研究。發(fā)展養(yǎng)分高效高產(chǎn)育種材料。 承擔單位：浙江大學，中國農(nóng)業(yè)大學。 主要學術(shù)骨干：壽惠霞教授、 毛傳澡 副教授、 莫肖蓉副教授、 吳忠長副教授、 劉于講師、王毅講師 、陳新愛助理 研究員 經(jīng)費預算比例： 25％ 第四課題： 小麥、水稻養(yǎng)分高效高產(chǎn)協(xié)同機制及 優(yōu)異基因的聚合效應 主要研究內(nèi)容與目標： 研究小麥、水稻氮、磷高效吸收利用與高產(chǎn)性狀的協(xié)同機制，利用已鑒定的氮、磷高效主效 QTL 位點進行聚合，研究其聚合效應及其與高產(chǎn)的關(guān)系。 預期目標： 1）深入認識水稻、小麥氮、磷高效吸收利用與高產(chǎn)性狀的協(xié)同機制，探明氮、磷高效吸收利用優(yōu)異基因、主效 QTL 位點的聚合效應及其與產(chǎn)量性狀形成的關(guān)系； 2）在水稻、小麥 基因組中鑒定和分離氮、磷吸收利用關(guān)鍵基因的優(yōu)良等位變異 35 個。 承擔單位：中科院遺傳發(fā)育所，華中農(nóng)業(yè)大學。 主要學術(shù)骨干： 練興明副教授、 劉冬成副研究員、趙學強助理研究員、張坤普助理研究員、 張 瑋 助理研究員、 鄭樹松助 理研究員。并通過與 C3 作物 水稻、小麥 的比較研究， 揭示 C4 作物高產(chǎn)與養(yǎng)分高效協(xié)同的生理與分子機制，挖掘控制這些關(guān)鍵過程的優(yōu)良等位基因，為 C4 作物養(yǎng)分高效高產(chǎn)分子設(shè)計育種提供理論依據(jù)。 承擔單位：中國農(nóng)業(yè)大學。 主要學術(shù)骨干：米國華教授、陳益芳副教授 經(jīng)費預 算比例： 10％ 四、年度計劃 年度 研究內(nèi)容 預期目標 第 一 年 酵母雙雜交 、 免疫共沉淀 、超表達和 RNAi 等技術(shù)研究水稻、 、 調(diào)控氮素吸收利用的分子機制。 用基因 qNGR9，并定位及克隆水稻新的不定根發(fā)生缺陷突變基因。 M8 進行基因克隆，完成轉(zhuǎn)基因回復實驗和基因的表達、細胞定位實驗；研究 M8 對氮、磷、鉀的吸收動力學；開展 M8 材料的代謝組學初步分析；完成 M8 不同氮、磷、鉀水平盆栽和大田實驗。構(gòu)建 SPX1/2/3/4 融合 TAPa 和FLAG 標簽并轉(zhuǎn)入野生型和 OsPHR2超表達材料；制備水稻 OsSPX 家族特異 抗體。鑒定PSS1PSS3 的插入突變體并構(gòu)建PSS1PSS miR827 的各類超表達、啟動子報告基因載體。 。 qNGR9 和水稻 12 個不定根發(fā)生缺陷突變基因。 M8 的基因克隆，完成轉(zhuǎn)基因回復實驗；完成 M8 對氮、磷、鉀的吸收動力學；完成 M8 不同氮、磷、鉀水平盆栽和大田實驗。 PSS1PSS3及 miR827表達譜；獲得 PSS1PSS3 的插入突變體；年度 研究內(nèi)容 預期目標 D 基因組滲入系和小麥品種吸收和利用氮、磷效率的差異進行評價。 Rht1 的 17 個等位變異材料進行根系發(fā)育和氮磷養(yǎng)分吸收性能分析，同時通過雜交和分子標記輔助選擇方法將 Rht1 的 17 個等位變異轉(zhuǎn)入到同一遺傳背景，觀察其 17個 Rht1 等位變異對株高和養(yǎng)分吸收利用的影響。 完成各類轉(zhuǎn)基因載體的構(gòu)建。 1B、 2A、 2D、 4B 和 5B染色體上 5 個氮磷高效 QTL位點的 BC2 系； TaGS 、 TaPHR1 的單核苷酸變異體 1015 個 200 份水稻微核心種質(zhì)材料的氮、磷吸收利用 效率，鑒定出氮磷高效和低效的水稻種質(zhì)材料各 30 份 Rht1基因的各等位變異與根系發(fā)育和養(yǎng)分吸收利用能力的關(guān)系，同時獲得 17 個 Rht1 等位變異的 BC1 植株。初步構(gòu)建 2 個含有氮高效關(guān)鍵主效 QTL回交改良群體（ BC1）。 達的候選基因 6 個，并構(gòu)建好相應的過量表達載體。 SCI 論文 56 篇，申請發(fā)明專利 12 項。 量分析系統(tǒng)，研究磷供應強度對根構(gòu)型和磷效率差異顯著的大豆遺傳材料根構(gòu)型性狀 (主根長、根毛、側(cè)根分化等 )的影響。通過水培試驗，收集油菜磷高效的重組自交系根系分泌物并做組分變化分析。 年度 研究內(nèi)容 預期目標 第 二 年 互作蛋白進行點突變分析并鑒定 與其互作蛋白間的作用位點； 水稻 芯片數(shù)據(jù)分析研究這些材料中相關(guān)基因表達 ，分析 控制或反饋調(diào)節(jié)的上下游信號基因； 超表達材料和 RNAi材料 分析 基因的剪切產(chǎn)物（ ）的生物學功能； qNGR9 基因功能。 OsAKT1 突變體、過表達和恢復突變水稻材料的生物量、鉀含量等生理生化指標，并比較它們在鉀吸收、轉(zhuǎn)運方面與野生型之間的差異；利用雙分子熒光互補和免疫共沉淀的方法進一步檢測 OsAKT1 與其互作蛋白及 OsCIPK 蛋白的互作關(guān)系。 OsSPX家族之間互作遺傳材料發(fā)展；不同磷梯度水培和土培試驗，分析 OsPHR2 與 OsSPX2/3/4 雙超表達 基因的剪并機制及其在水稻中的生物學意義； qNGR9 的生物學功能。 OsAKT1 在水稻鉀營養(yǎng)吸收中的生理功能和作用機制；明確OsAKT1 的互作調(diào)控蛋白和OsCIPK 蛋白。 吸收效率相關(guān)的基因 23 個，氮磷高利用效率相關(guān)的基因 23 個；獲得高吸收效率和年度 研究內(nèi)容 預期目標 材料磷濃度和 OsPHR2磷信號下游基因與磷轉(zhuǎn)運體表達變化；開展OsSPX1， OsSPX3， SPX2， SPX4 互作蛋白研究。 小麥材料，利用熒光標記的cDNAAFLP 或轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)研究與高吸收效率或高利用效率相關(guān)的基因；并利用高吸收效率和高利用效率品種或系配置遺傳分離群體。 TaGS、 TaPHR1 的單 核苷酸變異進行氮磷吸收利用特性的關(guān)聯(lián)分析，將具有優(yōu)異等位變異的株系或品種進行雜交和回交，分析優(yōu)異等位變異的聚合效應。 17 個 Rht1 等位變異的 BC1 植株進行進一步回交。 1B、 2A、 2D、 4B 和 5B染色體上 5 個 QTL位點的 BC3 或BC4 代近等基因系。 OsPT2, OsPHF1, OsPHR2, 和 五個基因在 40 份水稻材料中基因組序列測序，鑒定 5 個基因在 40份核心種 質(zhì)中等位變異。 23 個含有控制根系與氮效率的主效 QTL的遺傳效應。 利用與高產(chǎn)性狀的關(guān)鍵生理過程，篩選獲得用于進一步研究的表現(xiàn)差異基因型 23 個。玉米轉(zhuǎn)錄因子和磷轉(zhuǎn)運蛋白得到功能驗證。 SCI 論文 810 篇；申請專利23 項，培養(yǎng)博士后 34 名、博士研究生 1012 名、碩士研究生 45名。 4個候選的含有氮高效吸收利用主效 QTL位點的近等基因系及測交組合；通過分子標記輔助選擇，將含有控制根系、氮吸收利用的主效 QTL導入到 2 個骨干自交系中，同時鑒定氮效率相關(guān)指標。重點針對氮效率表型差異顯著的 23 個基因型，系統(tǒng)分析籽粒形成期玉米根系、葉片性狀、產(chǎn)量形成特征以及氮素吸收 、利用和分配規(guī)律。 應磷有效性關(guān)鍵基因的克?。? QTL的重組自交系的磷效率，繼續(xù)創(chuàng)建聚合有不同磷高效特異 QTL的近等基因系材料。選取磷效率差異較大的大豆遺傳材料，在砂培條件下研究其對難溶性磷活化利用能力的差異；在水培條件下收集根系分泌物，分析測定酸性磷酸酶活性和有機酸（蘋果酸、草酸和年度 研究內(nèi)容 預期目標 檸檬酸等）的組成，解析大豆活化難溶性磷的生理機制； H+和有機酸分泌、酸性磷酸酶的重要 QTLs 定位。 第 三 年 是否直接調(diào)控生長素IAA 等實現(xiàn)對氮素利用和產(chǎn)量的影響。 （ NMR），質(zhì)譜（ MS），色譜（ HPLC， GC）分析 OsNRT2。 qNGR9 互作蛋白并進行功能研究。 制；初步探明 OsPHF1 對磷酸鹽轉(zhuǎn)運體的調(diào)控機制；獲得與 OsPHF1互作蛋白的編碼基因相關(guān)功能載體的轉(zhuǎn)基因材料，完成初步分析及準備繁種；完成相關(guān)突變體生理分析。 RNAi 水稻材料用于后續(xù)生理、表型實驗；明確 OsAKT1 互作因子以及 OsCIPK 和 OsCBL對OsAKT1 的調(diào)控作用機制。 OsAKT1 互作因子和鉀高效吸收利用候選基因的過量表達和 RNAi 水稻材料；用雙電極電壓鉗技術(shù)檢測OsAKT1 互作因子以及 OsCIPK 和OsCBL對 OsAKT1 的功能調(diào)控作用。 ；分析水稻 OsSPXs 互作遺傳材料磷等必需元素濃度、 OsSPXs 表達和磷信號基因變化； OsSPX1/2/3/4 的互作蛋白功能研究。通過定量PCR等檢測 miR827 和 PSS1PSS3 的上下游基因。 QTL位點的近等基因系進行相互雜交，分析 QTL位點的聚合效應。 因與產(chǎn)量性狀形成的協(xié)同關(guān)系研究和氮磷高效高產(chǎn)種質(zhì)材料創(chuàng)制。 PSS1PSS3 在水稻磷吸收方面的功能，及 miR827 對其的調(diào)控關(guān)系及其在植物磷信號調(diào)控網(wǎng)絡中的位置；完成有關(guān) PSS13 功能分析。 QTL對氮磷吸收利用效率和產(chǎn)量的貢獻，獲得聚合 2個 QTL的小麥種質(zhì)。 OsPT2, OsPHF1, OsPHR2, 和 基因中影響氮磷效率的關(guān)鍵變異位點，獲得優(yōu)良等位基因。 Rht1 等位基因不同等位變異的近等基因系 23 個含有控制氮效率性狀的主效 QTL的遺傳效應。 高效與高產(chǎn)性狀生理過程的關(guān)鍵候選基因。 PCR 技術(shù)分析不同玉米基因型中參與玉米籽粒形成期根 /葉氮素吸收、轉(zhuǎn)運、代謝相關(guān)基因的表達水平以及其他氮吸收利用相關(guān)生理代謝指標。 效性關(guān)鍵基因的圖位克隆及研究油菜聚合有不同磷高效特異 QTL近 等基因系的磷效率。 料。 SCI 論文 1213 篇 ,申請專利23 項，培養(yǎng)優(yōu)秀青年人才 23 名、博士后 34 名、博士生 1213 名、碩士生 56 名。 OsNRT2。 qNGR9 超表達材料與 和、 過量表達和沉默的突變體進行雜交獲得不同的組合材料，分析其表型和相關(guān)基因。 、過表達水稻材料的生物量、鉀含量等生理生化指標，并比較它們在鉀吸收、轉(zhuǎn)運方面與野生型之間的差異。 OsSPX2 和 OsSPX