2011年973项目作物应答盐碱胁迫的分子调控机理

项目名称：作物应答盐碱胁迫的分子调控机理首席科学家：郭岩中国农业大学
起止年限：2012.1-2016.8
依托部门：教育部
一、关键科学问题及研究内容
拟解决的关键科学问题：
在前期973项目研究的基础上，本项目以水稻、玉米和拟南芥为材料，拟解决的主要科学问题是：作物重要耐盐碱基因的克隆，植物盐碱胁迫信号感受和重要调控单元的鉴定、作用机制分析以及作物耐盐碱品种培育的分子设计。

我们将针对我国不同地区的盐土、碱土和苏打盐土的特殊性、围绕植物响应盐碱胁迫的信号感受-信号转导和基因转录调控两个网络交叉互作的重要节点进行重点研究、并根据得到的重要节点组成的调控单元（Regulatory module），通过“智能型”转化系统进行初步耐盐碱作物的分子设计。

这些问题的解决，不仅对解析植物耐盐碱机理和阐明植物适应其它非生物逆境的机理有重要的理论意义，同时对耐盐碱作物分子设计育种和耐盐碱作物新品种培育以及我国盐碱土地的开发利用具有重要的应用前景。

主要研究内容：
在前期973项目顺利实施的基础上，根据作物应答盐碱胁迫的“信号感受—转导—蛋白修饰—染色质修饰/转录调控—离子平衡/细胞活性—反馈互作及网络调控”的基本过程和研究思路，围绕植物响应盐碱胁迫的信号转导和基因转录调控两个网络的交叉互作调控，寻找负责调控植物盐碱胁迫反应的两个网络的重要节点以及由包括这个（或这些）重要节点组成的重要调控单元，重点探讨植物对盐碱胁迫的感知、染色质修饰与盐碱胁迫反应关键基因转录活性调控和植物耐盐碱的关系。

使我们能够比较系统和深入地了解植物对盐碱胁迫反应的分子机制，并为通过分子设计培育耐盐碱作物（玉米、水稻）新品种提供理论基础和遗传材料。

通过创造（人工诱变、渗入系等）主要农作物耐盐碱材料和寻找地方品种耐盐碱资源，分离、克隆耐盐碱基因或QTL，明确它们在抗逆调控途径中的位置，初步阐明其耐盐碱的分子调控机理，为作物品种改良提供有利的抗逆新基因。

项目拟研究的主要内容包括：
1）作物感应高盐胁迫的分子机制；
2）作物应答盐碱胁迫的重要功能基因/QTL的克隆和转录调控、组蛋白修饰调控机理；
3）作物对盐碱胁迫的下游反应：植物生长发育、细胞离子平衡和活性的调控机理；
4）作物应答盐碱胁迫的信号感受、转导、蛋白修饰、基因转录及代谢调控的分子网络交互作用节点和调控单元模型的建立与完善，以此为基础通过‘智能’转化系统初步尝试耐盐碱作物（玉米、水稻、小麦）分子设计。

二、预期目标
总体目标：
阐明对改良作物耐盐碱抗逆性状有重要作用、可用于我国作物抗逆新品种培育的重要基因/节点和这些重要基因构成的调控单元；提出我国作物耐盐碱性状改良分子育种的新设计方案，为我国利用分子设计育种方法培育作物抗逆新品种并最终为保障我国的粮食安全作出贡献；阐明数个在植物响应盐碱逆境胁迫的信号感受、转导、基因转录调控及细胞活性调控研究领域的重要科学问题，发表在国际科学界有影响的高水平研究论文；培养一批能够独立从事相关领域高水平研究的优秀年轻人才，组织和形成一支具有团结协作精神的植物抗逆分子机理研究队伍、并保持和巩固团队在这一领域的领先水平。

五年预期目标:
通过项目实施，获得几个由信号转导网络和基因转录调控网络交叉互作的重要基因/节点组成的整合盐碱信号和反应的调控单元，并针对调控单元初步尝试耐盐碱作物分子设计；克隆30个以上对植/作物耐盐碱有重要功能或调控作用的新基因并完成对其功能的解析，并使其中的一些成为培育耐盐碱品种的分子标记；建立和完善2~3个植物应答盐碱胁迫的信号转导和基因表达分子调控网络途径，完成对其中关键调控因子的详尽分析；在国际学术期刊发表研究论文100篇以上（或论文累计SCI影响因子400以上）；获得20个以上对改良作物抗逆性状有应用价值的新基因发明专利。

初步尝试主要农作物（水稻、小麦和玉米）耐盐碱性状改良的分子育种技术设计，并获得3~5个耐盐碱作物新品系等。

培养具有博士和硕士学位的优秀年轻人才100人、博士后30人，使其中部分优秀年轻人才具有独立从事相关领域高水平研究的综合能力。

三、研究方案
1）学术思路：
根据项目拟解决的关键科学问题和主要研究内容，本项目整体上分为植物应答盐碱胁迫的“信号感受、转导、蛋白修饰和转录调控、细胞活性调控”分子机制四个层次的研究：鉴定、克隆农作物的重要耐盐碱基因/QTL，为作物耐盐碱育种提供分子标记，通过对植物响应盐碱胁迫的信号感受、信号转导网络和基因转录调控网络交叉互作的重要节点的重点分析研究，找出参与植物盐碱胁迫反应的调控单元，并根据得到的重要节点调控单元通过“智能型”转化系统进行初步耐盐碱作物的分子设计，最终为我国耐盐碱作物新品种培育和粮食安全做出贡献。

2）技术途径：
项目拟解决的主要科学问题是：重要农作物耐盐碱基因/节点和植物盐碱胁迫反应重要调控单元的鉴定、作用机制分析和作物耐盐碱分子设计。

为了解决上述科学问题，以遗传学、细胞生物学、生物化学和分子生物学、基因组学等技术和方法，研究以下四个主要内容并通过对这些问题研究结果的分析和整合来鉴定节点和调控单元、分析调控单元的作用机制：1.植物感受和响应盐碱胁迫的信号转导分子调控机理；2．植物响应盐碱胁迫的组蛋白修饰和基因转录调控；3．盐碱胁迫下植物细胞离子平衡和活性的调节；4．分离、克隆主要农作物耐盐碱基因/QTL，根据信号转导网络和基因转录调控网络交叉互作的重要节点鉴定调控单元并进行耐盐碱作物分子设计。

通过详细研究和分析植物盐碱胁迫反应的信号转导网络和转录调控网络的整合来寻找植物耐盐碱的重要节点，筛选鉴定植物整合盐碱信号和反应的调控单元并把调控单元作为整体进行作物分子设计。

整体研究方案有利于系统、全面地探讨植物应答盐碱胁迫的分子调控机理，也有助于逐步阐明植物应答逆境胁迫的信号感受、转导、转录和翻译后调控、代谢调控等之间的复杂网络机制。

理论上对阐明应答盐碱胁迫的分子机制有重要作用；同时可能为提出作物耐盐碱性状改良的分子育种设计新方案提供理论基础。

四、年度计划。