cb114300g作物水分高效利用机理与调控的基础研究

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1、项目名称：作物水分高效利用机理与调控的基础研究首席科学家：宋纯鹏河南大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：河南省科技厅一、关键科学问题及研究内容总体设想：玉米、小麦和水稻等作物的产量高低和品质优劣与WUE密切相关，提高作物水分利用效率的主要途径是提高其抗旱性，而作物的抗旱性主要受干旱信号感受和传递、气孔运动、根系发育、生殖发育和激素作用等的调控，本项目以提高作物WUE和抗旱性为核心目标，利用目前已有的大量突变体及育种材料，在规模化深度测序基础上，进行基因组学、转录组学和蛋白质组学的比较研究及关键抗旱基因和数量性状位点（QuantitativeTr

2、aitLoci,QTL）的功能研究，深入剖析作物主要抗旱机制的遗传和分子基础，系统揭示缺水条件下气孔运动、根系发生、地上部生长发育以及激素作用等影响作物抗旱性和产量形成的机制，从系统生物学观点提出多因子整合提高作物产量与抗旱性的技术方法，为作物抗旱遗传改良和提高作物WUE提供理论指导、技术支撑、育种材料及作物新品种。关键科学问题：围绕上述总体设想，项目拟深入研究以下六个科学问题：（1）作物响应干旱胁迫的信号转导机制，即作物的气孔和根系是如何感受和传递干旱信号，使作物对干旱作出响应的；（2）作物适应干旱胁迫的基因转录调控网络，干旱信号最终通过调控转录因子或功能

3、基因的表达发挥作用的，干旱条件下哪些转录因子、功能基因和QTL发挥关键作用，作用的机制是什么需要深入研究；（3）缺水条件下作物根发育及根构型形成的分子机制，解析逆境下作物根系可塑性发育及适应干旱的分子调控机制等；（4）缺水条件下作物营养生长及生殖发育的机制，系统研究作物通过调控气孔发育、营养生长和生殖发育过程协调利用水分和光能的机制，揭示缺水条件下提高作物生物量和籽粒产量的遗传基础和分子机制；（5）作物抗旱性变异的遗传基础，作物抗旱性差异受复杂的遗传因素控制，因此，充分利用各种育种材料，发掘多种材料中重要的抗旱遗传资源，将节水耐旱相关性状快速组装提高作物的抗

4、旱性是抗旱研究中的重要课题；（6）作物对干旱的整体适应性生理机制，整合目前已获得的零散的植物抗旱理论、方法和技术，应用于作物栽培实践中，提高作物整体的抗旱性。研究内容：主要以玉米、小麦和水稻为材料研究以下内容：1.干旱胁迫下气孔保卫细胞信号转导机制：（1）保卫细胞信号转导中间成分的鉴定和作用机制；（2）气孔保卫细胞质膜离子通道功能调控机制；（3）作物ABA信号转导及ABA受体对下游抗旱相关转录因子的调节机制。2.作物适应干旱胁迫的基因转录调控机制：（1）作物抗旱相关转录因子的鉴定和作用机制；（2）染色体重塑对干旱胁迫响应基因表达的调节机制；（3）干旱条件下根

5、系可塑性发育基因调控网络。3.干旱胁迫下作物根发育及根构型形成的分子机制：（1）植物根系构型可塑性发育的表观遗传调控机理；（2）干旱条件下作物根生长的分子机理（3）干旱条件下作物根系构型形成的激素调控机理；（4）脱落酸（ABA）和促生长激素油菜素甾醇（BRs）调控植物根系发育的分子机制；（5）作物株型发育相关基因调节根系发育及作物抗旱性的机制。4.缺水条件下作物地上部生长及发育机制：（1）BR通过调控植物生长发育参与抗旱的分子机制；（2）ABA调控作物营养生长和生殖发育的机制；（3）BR通过调节作物地上部发育调控抗旱的分子机制；（4）干旱胁迫下水稻花器官中特

6、异表达基因在生殖发育、响应干旱胁迫和调控生殖发育过程中的功能。5.作物抗旱性变异的遗传基础：（1）抗旱种质资源抗旱类型鉴别；（2）重要抗旱基因发掘和抗旱QTL关联定位研究；（3）作物抗旱遗传改良。6.作物对干旱的整体适应性生理及分子机制：（1）水分供应限制条件下作物高产与水分高效利用的调控途径及调控原理；（2）适度干旱促进同化物质转运、提高收获指数（HI）和加速籽粒灌浆的分子机理；（3）干旱胁迫下作物启动抗氧化防护反应响应与适应干旱胁迫的分子机制。二、预期目标1.理论贡献和科学价值揭示作物感知干旱信号最重要的原初反应过程，探明控制作物节水抗旱能力和产量潜力的

7、主效基因以及信号转导网络体系，阐明作物节水的细胞及分子遗传学基础，建立节水条件下提高作物生产潜力的生长发育模型和生理模型，为作物抗旱遗传改良提供丰富的种质资源，优化作物水分高效利用新品种培育技术体系，完善以根系分区灌溉和干湿交替灌溉等节水栽培技术为代表的作物抗旱和水分利用效率评价系统，为提高我国中低产田的粮食产量以及缓解干旱对我国农业生产的威胁提供理论依据和技术支撑。2.技术方法和平台建设建立作物耐旱高光效的远红外高通量筛选方法以及启动子-标记基因系统的突变体筛选体系。将高通量测序技术、转录组学、表观遗传学、蛋白质组学、生物信息学、抗旱性状QTL关联定位、生

8、物芯片分析等技术应用于水稻、小麦和玉米等作物抗旱高W