光合作用分子机理及其在农业生产中应用的基础研究

项目名称：光合作用分子机理及其在农业生产中应用的基础研究首席科学家：张立新中国科学院植物研究所起止年限：2011.1至2013.8依托部门：中国科学院一、研究目标的调整在前二年计划实施中，各项研究任务和指标均已顺利完成。累计在国内外申请发明专利8项，获批1项；累计在国内、外发表论文63篇，其中SCI收录49篇。顺利完成了既定目标。通过后三年项目的实施，为了在光合作用光能转化、碳同化及其环境调节方面取得原创性的科学成果，鉴定若干在农作物光合作用过程中起关键作用的相关基因，揭示改进作物光能利用效率提高作物产量潜力的分子机理，为农作物的遗传改良提供理论指导。该项目的研究要求不仅在重要科学问题上取得突破，而且在农业应用中培育出新品种。以培养一批高水平的植物科学研究人才，造就一支在国内具有骨干引领作用、在国际上具有重要影响力的创新研究团队，提升我国光合作用基础和应用研究的国际地位和竞争力。五年预期目标通过本项目的实施，实现以下几方面目标：1、揭示作物激发能在两个光系统之间均衡分配、维持高效转能调控规律；揭示作物光合电子传递、质子转移与碳同化的动态衔接机制、光合碳代谢调控和光合同化物优化分配规律；阐明与光能吸收、传递和转化效率密切相关基因功能和调控机理，为提高光效的基因工程提供新思路和新途径。2、阐明光合作用光破坏与光保护的环境调节分子机理，为获得高光效及强光适应性的高产作物的生物工程提供有效的理论指导。3、光合作用专家与作物遗传育种专家紧密配合，鉴定与稻麦等作物高光效相关且具有重要育种价值的主效QTL位点2－3个。利用主效QTL位点和关键基因的分子标记及转基因技术创制高光效新种质15－20份，其中光能利用效率和生物量提高10％以上，综合性状优良的水稻、小麦新品系（种）2－3份。在上述成果的基础上，获得20个以上拥有自主知识产权的参与调控光合作用光能转换和碳同化等关键基因并明确其生物学功能，有重要育种利用价值的关键基因4－5个；在国际主流刊物发表文章150篇以上；获得30项以上新基因发明专利。通过本项目在光合作用研究领域建立一支具有较强国际竞争力的学术团队，培养具有博士和硕士学位的优秀年轻人才100人以上，博士后30人以上，培育优秀青年科研骨干至少20位。二、研究内容和课题设置的调整根据国内外发展趋势及国内已有基础，结合前两年的科研进展，进一步确立以下研究内容：1.重点研究作物能量吸收和传递、激发能在两个光系统之间均衡分配、维持高效转能调控机制，揭示与提高光能吸收、传递和转化效率密切相关基因功能和调控机理。2.重点研究作物光合碳同化途径的网络调控机理、光合同化产物优化分配的调节机制；光合电子传递、质子转移与光合碳同化的动态衔接及其协调机制；以及作物光合功能期维持的分子机制。3.重点研究作物光氧化的分子遗传特性、光合作用光破坏与光保护的环境调节分子机理，揭示参与光合作用光保护调控的重要功能基因的作用方式和调控机制，建立与抗光氧化特性的基因调控网络。4.在机理研究基础上，光合作用专家与作物遗传育种专家紧密配合，建立主效QTL位点和关键基因的分子标记，并用于辅助选择创制高光效新材料，结合群体光合效率的改善，利用常规育种、分子辅助选择和转基因等技术手段，选育出光能利用效率和生物量提高的稻麦新品系（种）。为了集中、深入地研究光合作用传能和转能的机理和调控原理，本项目设置课题之间进一步加强联系和合作，及时分享科研成果。并且前5个研究课题在研究思路和目标上为第六课题服务，以实现光能利用效率和生物产量提高10%的指标：课题1：光合作用光能有效传递和分配的调控机制本课题的研究内容包括比较不同基因型和生态型作物能量吸收和传递的差异；利用基因定点突变技术，研究激发能在两个光系统之间的分配与平衡，类囊体膜如何调节光能在两个光系统之间的分配；研究状态转换中磷酸化调节的多种机制及其生理意义。本课题研究目标是揭示作物光合作用激发能在两个光系统均衡分配的机制以及光能有效传递和分配相关调控基因的功能。课题承担单位：北京大学课题负责人：赵进东主要学术骨干：赵进东、匡廷云、杨春虹参加人员：王可玢、秦晓春、胡朝辉、张颖、陈新等经费比例：18%课题2：光合作用光能高效转化的分子遗传基础本课题的研究内容涉及利用水稻突变体群体，筛选与光能高效转换有关的突变体并研究关键调控基因的功能和作用机制；构建叶绿体蛋白图谱和差异功能蛋白图谱，发掘一批参与光合功能关键调控蛋白并研究其功能；利用DNA芯片等高通量分析技术，比较不同遗传背景下叶绿体和核基因的时空表达模式，研究核与质体之间信号传导的本质和光合功能调控的机理。本课题的研究目标是揭示作物光合作用维持高效转能的分子遗传机制。课题承担单位：中国科学院植物研究所课题负责人：张立新主要学术骨干：张立新、杜林方、林宏辉、刘科参加人员：郭进魁、迟伟、邹美娟、马今方等经费比例：20%课题3：光合作用碳代谢的遗传控制规律本课题的研究内容主要涉及水稻和小麦等作物碳同化途径中Rubisco羧化效率的调节机制；作物光合碳同化途径的网络调控及其机理；作物光合产物分配及向籽粒的有效运输的规律及其调控机制；作物源-库-流的协调与调节机制及其在发挥光合潜势和整合碳流中的作用。本课题的研究目标是揭示作物光合作用碳代谢与同化产物优化分配规律。课题承担单位：中国科学院植物研究所课题负责人：卢从明主要学术骨干：卢从明、温晓刚、冯丽洁参加人员：卢庆陶、杨志攀、杨慧霞、尹燕、丁顺华、张爱红、张方等经费比例：15%课题4：光合同化力形成和碳同化的动态衔接与调控本课题从系统生物学的角度主要研究水稻和小麦等作物光合作用光能转换过程中多条电子传递途径与质子动力势的相互关系及其调控机理；光合电子传递和跨膜质子梯度形成的机理；深入研究跨膜质子梯度对类囊体膜动态结构、电子传递的速率和途径及腺三磷合成等多方面的调控作用；研究循环及其它电子传递、质子转移过程与碳同化的动态衔接和调控机制；研究作物衰老相关的关键调控基因的功能、衰老信号传导途径及调控机制。本课题的研究目标是揭示作物光合电子传递、质子转移与碳同化的动态衔接调控机制以及作物光合功能期维持的分子机制。课题承担单位：中国科学院上海植物生理生态研究所，上海师范大学课题负责人：陈根云主要学术骨干：陈根云、沈允钢、黄继荣、米华玲、杨仲南、马为民等参加人员：许大全、魏家绵、程建峰、张晓素、余庆波、陈凤梅经费比例：15%课题5：光合作用光氧化和光保护的分子机制本课题的研究内容主要涉及研究水稻和小麦等作物光合作用环境作用抑制位点和作用机制；研究光合作用基因在不同环境条件下基因表达的调控，进行光保护相关基因的克隆、表达特征分析和功能分析，研究作物抗光氧化特性QTL定位及其与籽粒产量的关系，建立与抗光氧化特性相关的基因调控网络；研究光合作用叶黄素循环的功能及其分子调控机制；研究光合作用对环境胁迫的响应和相关抗逆代谢途径的调控机理；研究光合作用反应中心失活和修复循环调控的分子机理。本课题的目标是阐明作物光氧化的分子遗传特性，以及光合作用光破坏与光保护的环境调节分子机理，为获得高光效及高光适应性的高产作物的生物工程提供有效的理论指导。课题承担单位：山东农业大学课题负责人：孟庆伟主要学术骨干：孟庆伟、高辉远、赵世杰、杨兴洪、陈辉等参加人员：孙旭武、陈彤、唐为江经费比例：15%课题6：提高农作物光能利用效率的应用研究本课题在机理研究基础上，通过常规育种、分子标记辅助选择和转基因等技术，建立和完善主要农作物高光效分子设计育种体系。充分利用我国在高光效遗传资源上的优势，在相关农作物栽培品种和野生近缘种中建立高光效研究的遗传群体，筛选、分离和鉴定高光效基因资源；建立主效QTL位点和关键基因的分子标记，并用于辅助选择创制高光效新材料，结合群体光合效率的改善，选育出光能利用效率提高的稻麦新品系（种）。本课题的目标是建立主效QTL位点和关键基因的分子标记，选择创制高光效新种质，培育出光能利用效率在现有基础上提高10%以上的稻麦等新品系（种）。课题承担单位：中国科学院遗传与发育生物学研究所，中国农业科学院作物研究所课题负责人：储成才主要学术骨干：储成才、王洁、雷财林、李宏伟等参加人员：李明、胡江、颜美仙、张坤普、秦焕菊经费比例：17%