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123项目名称：重要园艺作物果实品质形成机理与调控首席科学家：邓秀新华中农业大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部湖北省科技厅二、预期目标1.总体目标（1）在基础研究方面，揭示果实品质形成的机理，找到调控的关键点，探明我国重要果实种质品质组分的基础数据及遗传规律，建立果实品质性状表达谱和代谢组谱，提供园艺作物重要的基因资源和高效的育种方法及创新基础平台，提高我国园艺产业自主创新能力。（2）在产业支撑方面，通过项目的实施，将对我国园艺产业提供有力的理论和技术支撑，提高产品的品质，优质果品率、出口果品优质率大幅度提升。提高园艺产品的国内和国际竞争力，提高产业的效益，促进农民增收，推动园艺产业的可持续健康发展。（3）在人才建设方面，培养一支高水平、高素质的果实品质基础科学研究队伍，提升我国园艺科学研究水平，整体步入国际先进的研究方阵，支撑我国园艺作物科技创新体系建设。（4）在资源创新方面，不断创新园艺作物优异种质材料，创制果实品质资源纯系和遗传研究群体，为我国果实品质改良奠定基础。2.五年预期目标通过5年努力，阐明柑橘、苹果、番茄果实色泽、风味、营养品质形成的主要代谢途径及累积和保持的分子机理，发掘其关键基因和调控基因30个，构建果实色泽、风味、营养成分的表达调控网络，建立果实品质性状代谢组谱，验证果实品质组分累积和保持相关的8-10个重要基因的功能。研究柑橘和苹果遗传图谱，开发2000个以上分子标记，创制果实品质资源纯系1-2个，培育优质新种质或新品系6-10个，构建一个果实品质遗传改良的基础平台。培养和形成一支稳定的果实品质研究国家队伍。申报国家或国际发明专利10项，发表项目相关的高质量研究论文40-60篇，培养硕士、博士研究生40-50名。使我国在果实品质形成与调控的分子生物学研究领域达到国际先进水平。通过该项目的实施，提供园艺作物重要的基因资源和高效的育种方法，增强我国园艺作物的品质形成基础理论和技术，支撑我国园艺作物农业科技创新体系建设和满足园艺产业可持续发展的国家需求。三、研究方案（一）学术思路和技术途径果实品质的形成和保持主要由三个相互关联的层面构成：优异的种质是品质形成的基础，（果实）品质性状的形成机理认知是未来调控品质的关键，而采后品质的保持和调控是实现优良品质的保障。针对这三个层面的问题，本研究将综合应用分子生物学、生物化学、遗传学、现代生物组学等现代技术手段，系统地开展柑橘、苹果、番茄等果实品质基础理论研究，进行主要品质性状组分调查与测定、建立果实品质代谢组谱，解析果实品质形成与调控途径的复杂网络及交互作用，明确品质形成关键步骤，发掘品质形成关键调控因子，阐明果实品质形成与积累过程的遗传与生理本质，探索外界条件对品质的影响与调控和提高果实品质的共性关键技术，培育果实品质资源纯系，创新品质优异的种质。总体研究方案如下（图1）。图1项目总体研究方案路线图果实功能性物质形成机理与调控（课题3）果实风味物质形成机理与调控（课题2）果实色泽形成机理与调控（课题1）科学问题（一）果实采后品质保持与调控机制（课题4）科学问题（二）果实品质基础数据及遗传规律（课题5）科学问题（三）果实优质性状种质创新（课题6）项目目标重要园艺作物果实品质形成机理与调控品质保障品质关键品质基础图1所示的总体方案中，各课题将根据研究内容，采取相应的技术方案和路径。对于果实品质形成基础及调控（课题1，2，3），项目将通过生理生化、细胞生物学、分子生物学、比较基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等手段分析果实品质成分的基本组分；建立果实品质代谢组谱；鉴定果实品质形成途径关键结构基因及调控因子。通过RNAi和超量表达进行功能鉴定；通过分析果实生物活性物质的结构与生物效价，探讨提高果实品质形成的农艺措施和作用机制。围绕果实采后品质保持与调控机制（课题4），通过转录组学、蛋白质组学、代谢组学研究果实采后品质动态分布规律，具体包括组成成分分析及变化规律，调控相关代谢的蛋白组谱和代谢组谱，以及参与调控的功能基因和调控因子，从而明晰影响品质的关键组分因子和代谢途径，揭示调控品质变化的主要蛋白，进而确定调控品质变化的关键基因；并进一步探索环境因子对果实采后品质的变化规律。为积累果实品质基础数据，以及认识品质性状遗传规律（课题5），从资源鉴定和遗传规律入手，发掘优质种质资源，构建优质核心种质库，明确果实主要品质性状的物质基础和遗传多样性，了解物种地理起源与品质之间的关联；运用不同遗传分析群体，研究品质性状的加性/非加性效应、细胞质效应等遗传特点，挖掘关键品质基因及其分子标签或紧密连锁的分子标记，建立果实品质分子育种技术平台。针对果实优质性状的种质创新问题（课题6），项目组将基于各课题研究中产生的有价值的基因资源和材料资源，发掘品质优异种质资源和创建一批优异遗传群体，培育果实品质资源纯合株系，研究提高种质创新效率的方法，通过细胞工程和分子育种技术，创制品质优异的新种质。同时对所有的目标基因，将采用分子生物学及遗传学方法开展基因分离和功能鉴定研究。（二）创新点和特色1．主要创新点（1）突破了以往果实品质形成和调控研究仅注重单个果实品质性状有关基因的思维模式，系统地研究果实品质形成相关基因及其调控机制。与已有研究相比，本项目在代谢途径基础上，加强从调控机制的层面着手研究果实糖、有机酸、香气、色泽及功能性成分形成的途径网络、关键步骤、调控机制以及品质组分动态变化规律，并关注不同途径间的互作效应，这有别于以往仅关注单一基因或单一品质性状的研究模式。同时，本项目将充分利用国际上陆续释放的植物基因组公共信息，以及迅速发展的先进生物技术和化学分析技术。（2）在系统研究果实主要品质变化规律的基础上，揭示参与糖、酸和维生素C代谢途径的重要信号分子及网络调控方式，以及外源因子对果实采后品质保持的调控机制，阐明果实品质再分配的分子基础，在学术思想和研究路线上具有创新性。（3）建立果实品质基础数据库。本项目预期将首次较全面地鉴定我国重要园艺作物的果实品质性状基本组分，建立果实品质性状代谢组谱，明晰果实品质基础数据，不仅有利于果实优质资源的发掘和优质育种骨干亲本的筛选，而且将有力地推动果实品质基础研究。2．主要特色（1）项目研究的是园艺作物主产品—果实，园艺作物果实的研究具有特殊性，其果实品质特性的内涵及其形成和保持机制不同于其它作物（禾谷类果实或种子），二者存在着很大的差异。加深对园艺作物这一重要的农业基础科学分支的研究工作，对丰富和完善我国整个作物学科学理论体系具有重要战略意义。（2）项目研究选用的园艺作物对象为柑橘、苹果和番茄等，既考虑试材的经济重要性，又很好地结合了科学性；既有果实研究的模式植物，又有常绿型和落叶型果树；既有呼吸跃变型果实、又有非呼吸跃变型果实；有利于全面了解和认识不同种类园艺作物果实品质形成与调控的共性机理和特殊机制。（3）本项目充分结合近年我国在果实研究过程中积累的一些特殊突变体材料，同时利用国际同类研究的技术平台，加深对这些基础材料的研究，有利于形成我国果实品质研究的鲜明特色。（4）项目研究目标中既强调当前大众公认的品质性状，又着眼于未来潜在性的新品质目标，如功能性物质成分（含苦味物质），突破传统的品质视野，适应饮食结构和保健需求。（5）在项目总体设计上既兼顾了项目产出的基础理论和技术平台建设，又将基础研究与生产实践紧密结合，研究成果将直接指导和服务产业。（三）取得重大突破的可行性1.精干的研究队伍和良好的前期研究积累项目组集中整合了我国果实品质研究的优势单位和优势人才队伍，以院士、长江学者和杰青为骨干的研究队伍，代表了我国在果实品质研究的优势力量。项目组在园艺作物优异品质资源收集、种质资源创新、品种选育、细胞及基因工程操作技术等方面有较好的积累，取得突出成绩。另一方面，现代生物技术与果实品质基础研究相结合，项目组在果实品质研究方面取得了一批具有国际影响的结果，有多篇基础性研究结果发表在国际一流期刊。2.丰富的园艺作物资源我国园艺作物种质资源丰富，经过长期的栽培驯化和资源发掘，有大量的优异品质的园艺种质资源可供研究。我国是许多重要园艺作物的发源地，开展本项目研究具有得天独厚的优势。3.充分的研究材料积累经过项目组前期研究积累，发掘了一批与品质相关的果实突变体，变异性状涉及糖、酸、色泽、香味、无核、成熟期、童期缩短等，构建了一批果实研究遗传群体，建立了大量优异果实的基因文库，建设了一批园艺作物的种质资源圃，为本项目的实施积累了充分的研究材料。4.先进的技术平台项目组在果实品质研究方面已经建立起一系列先进的研究体系和技术平台，分子标记开发、基因文库构建、基因分离克隆、基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学、遗传转化、细胞工程、遗传育种等技术在项目组已成为常规技术。在果实品质形成与调控的分子基础研究方面已取得一批成果，研究结果进入国际同类研究的主流，有较大影响。5.完备的实验条件和设施项目组所在单位具备本项目研究所需要的实验条件和设备。项目研究将依托作物遗传改良国家重点实验室、作物生物学国家重点实验室、园艺作物生物学教育部重点实验室、园艺植物生长发育与生物技术农业部重点实验室、国家柑橘育种中心、国家柑橘品种改良中心、国家苹果工程技术研究中心、国家蔬菜改良中心、国家植物基因研究中心（武汉）等一批国家级科研基地，具备良好的实验设备和实验条件。6.广泛而实质的国际合作项目组研究人员在果实品质研究方面开展了广泛而有实质性的国际合作，承担了一批实质性的国际科技合作研究计划，并取得阶段性进展。本项目的主要学术骨干均有国外留学的经历，与本项目研究内容相关的国际知名大学或研究机构，如美国康奈尔大学、佛罗里达大学、伊利诺伊大学、加州大学河滨分校、美国农业部食品品质与安全研究所，英国诺丁汉大学和JoneInnesCentre，法国LANGUEDOC科技大学，加拿大农业部园艺研发中心，日本果树研究所和鹿儿岛大学，荷兰瓦赫宁根大学，意大利国家新技术能源与环境署及博洛尼亚大学，以色列农业部NeweYa'ar研究中心和希伯来大学，澳大利亚CSIRO园艺部，新西兰植物和食品研究所和HortResaerch，以及德国、韩国的知名大学和研究所建有密切而实质的合作关系。项目首席科学家邓秀新院士在担任国际柑橘学会主席期间与外国专家广泛交流，深入探讨了果实品质基础研究的前沿问题。广泛而有效的国际交流与合作，将有效保持本项目研究的先进性，为取得预期的研究成果提供良好的国际视野。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年分离调控果实色素物质（类胡萝卜素、花氰苷）、风味物质（糖、酸）以及功能性物质（抗坏血酸、苦味物质）等品质组分生物合成的关键酶基因，研究上游调控元件及其关键调控因子，解析关键基因和调控因子对果实品质形成的调控机制和互作网络。研究果实品质的基本组分、代谢组谱、积累动态、遗传规律、环境响应和调控机制。创建果实研究群体，开发果实品质分子标记，开展果实纯系材料培育。初步了解果实品质形成的主要路径、调控机制、互作网络，初步掌握果实品质主要组分，积累规律和代谢组谱，明确果实采后物质再分配规律和环境调控机制，了解果实品质组分的环境响应特征，初步建立果实品质基础数据库，创建苹果F1研究群体，开发果实品质分子标记1000个，申请专利1-2项；发表SCI论文9-10篇。第二年利用突变体、研究群体和转基因株系，研究果实品质关键基因的时空表达谱以及基因型表达差异，分别从转录谱，蛋白组谱以及代谢组谱分析果实品质的形成积累规律以及采后的动态变化规律，探索关键基因和调控因子在果实品质形成与保持中的作用，并以番茄为模式果实进行基因功能分析。继续研究果实品质的基本组分和遗传规律。通过有性杂交、胚胎抢救、遗传转化等不同手段创制并发掘具有优质性状的果实种质资源。明确果实品质形成与积累的关键分子途径；阐明关键基因在果实品质形成中的作用机制及关键调控因子，发掘调控果实品质形成的关键基因20-25个；补充和完善果实品质基础数据库；创制柑橘三倍体和纯系材料，分离果实发育基因2-4个；申请专利3-4项，发表SC