植物养分高效与抗逆分子机理

OsPTF1超表达转基因株系（35S）在酸性红 壤（不施磷肥）大田中的表现（NIP对照材 料）（华南农大）
植物养分高效与抗逆转基因研究
在有限的自然资源情况下，我国农业的进一步发展必须依赖于更多生产资源的开发 利用。运用植物基因工程等生物技术，提高农作物的抗旱、寒、盐和瘠能力，有望使 我国大面积的干旱、半干旱、盐渍地及早春、晚秋的生产季节得到充分的利用，从而 带来可观的经济和生态效益。我们利用植物体细胞融合和转基因等生物技术,在农作物 抗盐、抗寒和养分高效等方面开展研究，已获得了有应用前景的遗传材料。
上述研究方向年培养研究生50余名，其中博士生 20余名。目前在读研究生150余人。开设植物学、 植物生理学、分子生物学、基因组学、发育生物 学等本科和研究生核心骨干课程。植物生理学与 植物学课程为国家级精品课程。
植物生长室
2005年度诺贝尔 生理与医学奖获 得 者 Marshall 教 授与浙江大学副 校长朱军教授为 中澳联合实验室 揭牌。
科学问题与研究目标
植物高效利用土壤养分途径
高效
低效
低效
高效
低效
高效
大豆磷利用效率基因型差异 （严小龙）
水稻磷利用效率基因型差异 （吴忠长）
拟解决的关键问题
小麦磷利用效率基因型差异 （童依平）
1. 氮、磷信号调控根系发生发育分子机理
代谢
2. 氮、磷养分活化吸收、代谢关键途径
3. 基因标记选择高产高效品种的理论与方法
植物养分高效与抗逆分子机理
植物生理学与生物化学国家重点实验室（浙江大学） 植物功能基因组与营养组学浙江大学-西澳大学联合实验室
浙江大学植物科学研究所
植物养分高效与抗逆分子机制研究领域目前有教授6人，副教授6人。主 要研究方向包括： 1.植物养分信号与根系发育生物学
方向带头人：吴平教授，国家杰出青年基金获得者、求是特聘教授 2.植物养分高效与抗逆转基因研究
根分生组织是植物的大脑，决定根系发生、发育，感受土壤养分、水分信号与信号转 导。谷氨酸受体是受谷氨酸激活的离子通道，介导动物兴奋性神经信号转导。谷氨酸受 体在植物中的功能尚不清楚。我们在水稻一个短根突变体中克隆了谷氨酸受体类基 因,OsGLR3.1。研究表明，该基因功能的丧失导致根分生组织细胞分裂异常，加剧细胞 程序性死亡。研究结果首次揭示谷氨酸受体在植物细胞分裂与发育中的关键作用。从而 导致根系伸长受阻。研究结果发表在国际权威刊物《植物细胞》(Li et al. Plant Cell, 2006, 18： 304-309）。
有机磷利用转基因水稻研究
利用外分泌信号肽连接来自细菌的 植酸酶基因,进行水稻转基因。转基 因水稻通过向根际土壤分泌植酸 酶，将植物不能吸收利用的植酸转 化成无机磷，从而提高土壤中植酸 的生物利用率。
1.6
1.2
CK Transgenic
0.8
0.4
0.0
+P (NaH2PO4) -P (NaCl)
IHP
发育，子实体出现
鹅 膏
畸型和僵硬。
菌
后
黄赭鹅膏菌
血红栓菌
CH2
松
H
H
H3C
OH
胞
菌
H
素
D
H
H
CH3
HN
H
O OO
HO CH3 O
轮 枝 孢 菌 素
A
从歪孢菌提取强细胞毒性无色晶体: 轮枝孢菌素A。对红白血病细 胞的半数抑制增殖浓度IC50约为0.01ug/ml,对乳腺癌、乳腺癌、肝 癌、淋巴癌、肺腺癌、前列腺癌、大肠癌细胞等细胞半数抑制增殖
研究目标
信
1.以下三个方向取得国际领先成果
号
氮、磷信号调控根系发生发育分子机理
氮、磷高亲和转运蛋白生理功能及调控机制
磷高效根构型诊断技术
2.绘制作物养分高效与高产途径分子整合图谱
探明氮、磷高效关键途径的聚合效应
克隆5-10个氮、磷利用效率的关键基因
信
号
3.加速我国养分高效高产品种的培育
鬼臼毒素
八角莲幼苗
八角莲块根
组织培养
快繁苗生产
野外种植
分析表明组培苗与野生材料的 鬼臼毒素成份一致，因此采用 组织培养苗野外种植的策略， 目前在浙江盘安县山地进行规 模种植。
组培材料鬼臼毒素分析
濒危植物基因库保护与开发利用
通过近缘嫁接技术,保护 濒危植物基因资源,开发 观赏园艺产品。该技术在 浙江长兴基地推广,给当 地农民增收提供了新途 径。
野生型
突变体
突变体 突变体
野生型 野生型
回复突变体 回复突变体
野 生 型 、 突 变 体 和 GLR3.1 转 基 因回复幼苗的表型
突变体侧根伸长受阻；
突变体根分生组织静止细胞（QC）减少 （D），根尖细胞死亡加快（F右）；分 生组织细胞凋亡（M、N）。
水稻发生不定根原基的中柱鞘细胞分裂的调控基因，ARL1的克隆
不定根原基 茎节不定根原基
突变体
WT：野生型（左2）； RNAi: ARL1基因敲除转
野生型
回复体 基因株系（右2）
arl1
arl1
ARL1 在 叶 基部、侧 根原基、 不定根原 基发生过 程及分蘖 原基中表 达。
水稻磷高效相关基因及其调控机制研究
• 我国每年施用1100万吨纯磷，约占世界总用量30%左右。由于酸、 碱 性 土 壤 化 学 固 磷 作 用 ， 当 季 磷 肥 效 率 仅 10-15% ， 相 当 于 每 年 1000万吨磷积累于土壤。过量施磷与大量的磷与磷肥中的重金属 元素的积累，是土壤与水资源长期污染源。
提供氮效率提高15%以上的材料10份以上
磷效率提高10%以上的材料10份以上
转运
活化
吸收
建设我们绿色的家园！
水稻根系发生发育分子机理研究
通过根系发生发育突变体材料的筛选与研究，在国家863项目、国家自 然科学基金项目与浙江省科技项目资助下，在相关的功能基因与突变 材料研究已取得重要进展。
苗期根浅，生长易受水分胁迫限制，养分、水分吸收 效率低。因此提高苗期根系伸长与扎根能力，尤其在 水分、养分限制条件下根系的生长能力，是提高作物 养分、水分吸收效率的关键。
方向带头人：寿惠霞教授，教育部新世纪人才基金获得者 3.植物抗元素毒害分子生理
方向带头人：郑绍建教授，教育部新世纪人才基金获得者 4.植物抗逆与光合生理
方向带头人：蒋德安教授 5.植物系统与分子进化
方向带头人：傅承新教授，李建华教授
上述方向的研究得到国家重点基础研究项目（973 项目）、国家重点应用研究发展规划项目 （863项 目）、国家自然科学基金、教育部、浙江省人民政 府、国际机构与企业的资助。近三年年均科研经费 800余万，发表SCI论文50余篇，获浙江省科技进步 一等奖1项，国家发明专利4项。
国家级精品课程教材
濒危与珍稀生物资源保护与利用
国家濒危野生动植物基因资源保护中心
浙江大学思源天然药物与生物毒素研究中心
濒危植物八角莲(Dysosma sp.)人工繁育与抗肿瘤药物鬼臼毒素利用
八角莲别名鬼臼,已近濒危，列入我国特有的二级保 护植物。八角莲根茎含有鬼臼毒素等多种有效化学 成分，可用于多种癌证、乙型肝炎、病毒性脑炎、 流行性腮腺炎、病毒症、各种疣类等，为我国重要 的药用植物。
浓度IC50约为0.01－0.1ug/ml,比阳性对照紫杉醇强10倍以上。
国家重点基础研究发展规划(973)资助项目
作物高效利用氮磷养分的分子机理
项目首席科学家：吴平教授 (浙江大学)
立项依据
氮、磷是作物大量营养元素、是用量最大的化学肥 料、过量施氮、磷是农业面源污染的重要因素
年施2700万吨纯氮，占世界总用量30%。 氮肥利用率为35%左右，每年有1000万吨以上的
后期根深耐旱，但已衰老，所需的养分主要依靠组织养分的 再利用。要维持高光合效率水分、养分供应不上，难以实现 超高产潜力。禾本科粮食作物不定根（冠根）是其须根系的 主要根组成。增强与延长生长后期不定根发生及生长活力， 是养分、水分高效与超高产潜力实现的突破口。
水稻谷氨酸受体基因GLR3.1调控根组织细胞分裂与凋亡
野生材料鬼臼毒素分析
2005年基地生产品种22种，辐射长兴3千多农户，连动相关农户产生经济效益超亿元。
桫椤：一级濒危植 物引种与繁育
Байду номын сангаас
竹柏：一级濒危植 物引种与繁育
野生白花梞高位嫁 接彩叶红花梞木增 值：150元→2万元
野生榆树高位嫁接 珍稀白榆，增值： 420元→5万元
野生紫薇古桩高 位嫁接珍稀园林 紫薇，增值： 180元→77万元
体细胞融合技术培育抗盐大豆
G. cyrtoloba
体细胞融合后代
栽培大豆
G. cyrtoloba原生长于澳洲海涂，具有 体细胞杂交的细胞融合和后代染色体数 体 细 胞 杂 交 后 代 及 其 双 亲 在 300mM
根据基因定位分析与扣除cDNA筛库（SSH: suppression subtractive hybridization），我 们克隆了在根中受磷胁迫诱导的一个具有bHLH结构域的转录因子，OsPTF1。与野生型相 比，OsPTF1超表达转基因水稻在低磷条件下磷吸收增加达20-30%，生物量提高30%以 上。研究结果在美国植物生理学报(Plant Physiology, 2005, 138：2087–2096)后，美国 生物技术信息系统报告 (ISB News Report，2005：10-11)上转载报道。OsPTF1基因已 获得国家发明专利，专利号：ZL02160719.2。
NIP
35S
OsPTF1超表达转基因株系分子鉴定（左），在磷饥饿溶液培养中表 现（左：野生型，右：转基因株系），在低磷土壤盆栽中的表现 （左：转基因株系，右：野生型）。
OsPTF1调控机制研究
水稻全基因组芯片分析发现，在供磷条件 下，OsPTF1超表达能诱导磷饥饿响应表达基 因，这些基因包括RNA酶、质子转运ATP酶、 液泡焦磷酸酶、PEP索化酶基因、衰老诱导表 达基因及一些功能未知基因。结果表明， OsPTF1与植物体內磷利用、碳代谢效率调控 相关。
从不定根缺失的突变体中克隆了控制不定根原基发生的基因ARL1。ARL1是带有LOB结构 域的核蛋白，可形成二聚体，它在不定根原基、侧根原基、分蘖原基、维管束组织、种 子盾片和幼穗组织等表达。ARL1受生长素与乙烯诱导。研究结果表明，ARL1是一生长素 响应因子，参与生长素介导的细胞脱分化，调控发生不定根原基的中柱鞘细胞分裂。研 究结果发表在国际权威刊物《植物学报》(Liu et al. The Plant J, 2005, 43：47-56)。
氮进入环境。 每年施用1100万吨纯磷，约占世界总用量30%。 当季磷肥效率10-15%，每年1000万吨磷积累于
土壤。 磷矿是不可再生资源，全球磷矿趋于耗尽，土
壤作为巨大的潜在磷库亟待开发
迫切需要提高我国高产作物品种的氮、磷利用效率
课题及负责人
氮磷信号转导途径及调控系统： 吴 平（浙江大学） 氮磷高效根构型形成分子机理： 严小龙（华南农业大学） 氮磷高效活化吸收的分子机理： 徐国华（南京农业大学） 氮磷高效与产量形成分子机理： 凌宏清（中科院遗传发育所） 氮磷高效关键基因及调控途径： 徐芳森（华中农业大学）
濒危与珍稀生物资源保护与利用
国家濒危野生动植物基因资源保护中心 浙江大学思源天然药物与生物毒素研究中心
我国有毒大型真菌（毒蕈）毒素资源开发利用探究
毒蕈中蕴含大量天然药物物质。为系统研究开发我国毒蕈资源，在香港 思源基金会捐资与国家863项目资助下，浙江大学思源天然药物与生物毒 素研究中心已完成180种有毒蕈资源的收集与分析，发现13个具有体外抗 肿瘤活性的物种。
Tre atme nt
P Concentration in roots (% dry weight)
P C oncentration in shoots (% dry w eight)
1.6
1.2
CK Transgenic
0.8
0.4
0.0
+P (NaH2PO4) -P (NaCl)
IHP
Treatment
• 磷矿是不可再生资源，全球磷矿趋于耗尽。我国更是磷矿资源贫 国，优质磷肥大部分依赖进口，造成农业生产成本提高，农民负 担加重。因而，开发土壤磷库意义重大。
• 现当季磷肥效率只有10-15%，如能提高作物磷吸收效率10％, 可 减少磷肥施用量50%。
水稻磷高效转录因子OsPTF1克隆及转基因应用
-P +P -P +P
小毒红菇
喇叭陀螺菌
毒红菇
橙盖鹅膏菌 网柄粉孢牛肝菌
黄毒蝇鹅膏
偏肿栓菌
角形小孔菌
分离到强细胞毒性白色针状晶体:
松胞菌素D。对急性髓系白血病、
乳腺癌B、宫颈癌等细胞的半数抑
制增殖浓度IC50为 0.01-0.1mg/ml, 具强抗肿瘤活性。
歪
孢
菌
歪孢菌是一种寄生
寄
黄赭鹅膏菌表面。
生 黄
导致菌褶或菌管不
赭