文档介绍：项目名称: 作物高效利用氮磷养分的分子机理
首席科学家: 吴平浙江大学
起止年限: 至
依托部门: 教育部浙江省科技厅
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一、研究内容
植物高效利用土壤养分的生物学基础包括:感受和转导养分信号,根系适应
性发生发育及根构型的改变(发育水平)、关键调控因子的表达或转录后变化(分
子水平)、养分活化、吸收、利用及其能量代谢相关的一系列生理生化途径的变
化(生理水平)。阐明上述过程的分子机理,在发育、分子与生理水平上了解植
物对养分高效吸收利用的调控机理,从而为挖掘养分高效与高产优异种质中的关
键基因、进而提出作物养分高效分子育种策略。由此,本项目拟解决的关键科学
问题是:植物高效吸收氮、磷养分以及氮、磷养分代谢高效促进作物产量关键
途径的分子机理及其在优异种质中的聚合效应;以聚合效应为基础的基因标记
辅助选择理论与方法。
针对关键科学问题的解决,确定主要研究内容如下。
1、磷信号途径调控系统:水稻、拟南芥氮、磷信号受体,氮、磷信号与激
素信号互相作用分子机制研究。养分信号与激素信号互作的现象已有一些初步证
据,如,磷饥饿胁迫信号受外源 CTK 抑制,高浓度氮抑制植物侧根伸长与 ABA
信号关系密切,磷饥饿胁迫与生长信号均能改变根向地性等。一些磷信号特异性
标记基因也已被发现与克隆,表明磷信号具有相对独立的途径。因此把氮、磷信
号途径与激素信号途径节点的研究作为本研究的切入点,同时利用磷信号标记基
因启动子与报告基因构建的融合基因,发展研究磷信号途径突变体,以期在养分
信号途径研究中取得突破。
2、磷高效根构型形成的遗传基础与分子机理:根构型形态参数定量分析及
磷高效根构型标记基因分子诊断系统;磷调控根系伸长和向地性变化关键基因克
隆及功能分析;磷调控根毛发生伸长的分子机理研究。利用自行设计的纸培、根
箱栽培系统结合计算机图像分析技术,建立大豆(直根系代表)、水稻(须根系
代表)的三维根形态构型观测与分析系统,获得不同基因型材料在不同磷水平下
的根构型原位几何参数,创建三维根构型参数分析计算及图形视觉计算机模型。
利用大豆、水稻磷饥饿信号标记基因(Gm4,OsIPS1)分析不同根构型的大豆与
水稻在不同土壤条件与磷水平下的表达,确定根构型表型参数与磷吸收效率的遗
传相关性。利用已获得的大豆、水稻、拟南芥根伸长与向地性突变体,研究磷调
控根系伸长和向地性变化关键基因及功能。同时利用不同根系性状亲本(如大豆
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深根构型基因型 BD2,浅根构型基因型 BX10)发展的遗传群体,进行根构型参数
的 QTLs 分析,为分析突变体的基因背景提供遗传信息。利用拟南芥根毛突变体
材料,用激光镊子获取单细胞RNA 进行单细胞基因表达谱分析,揭示磷信号调控
细胞位置效应及根毛发生分析机制。
3、氮、磷转运关键基因功能鉴定及其调控因子:根据已有基础及生产中的
突出问题,开展水稻高亲和磷酸盐转运体Pht1 基因家族功能鉴定及调控因子研
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究;水稻NO3 高亲和转运体NRT2/NAR2 基因家族功能鉴定及其调控因子研究。创
建水稻 11 个Pht1 基因敲除(RNA干涉)与超表达转基因材料,创建所有OsPht1
基因启动子与GUS报告基因及GFP荧光蛋白报告基因的融合基因转基因材料。利用
上述材料分析各基因功能与表达规律并指导发展双突变、三突变等材料,分析转
运体间的相互作用及对磷吸收的影响;指导分析重要的顺式作用元件,开展上游
调控因子研究。OsPht1-11 和西红柿的LePT4 是受菌根侵染特异诱导的磷转运体
基因,利用这两个基因敲除与超表达的转基因材料研究菌根在根细胞释放磷的转
运机制。
在水稻中开展高亲和硝酸根转运体基因家族 NRT2/NAR2 的功能与调控机制
研究。发展所有 NRT2 和 NAR2 基因启动子与 GUS 报告基因及 GFP 荧光蛋白报告基
因的融合基因转基因材料。利用上述材料分析各基因功能与表达规律并指导发展
双突变、三突变等材料,分析转运体间的相互作用及对氮吸收的影响;指导分析
重要的顺式作用元件,开展上游调控因子研究。用酵母双杂技术和 BiFC
(bimolecular plementation)技术研究NRT2/NAR2 蛋白的相
互作用,将利用酵母单杂交技术分析其调控转录因子。
4、土壤磷活化相关基因功能鉴定与调控系统:植酸酶对饲料有机磷与外泌
性植酸酶对土壤有机磷分解利用效率的研究。分别从黑霉菌和假单胞菌分离
Phytase A基因,从玉米、水稻中克隆其同源基因。将植酸酶基因构建在载体pSp