速生优质林木培育的遗传基础及分子调控

项目名称： 速生优质林木培育的遗传基础及分子调

起止年限：依托部门：控

张守攻 中国林业科学研究院 2009.1至2013.8 国家林业局

首席科学家：

一、研究内容

拟解决的关键科学问题

生长周期漫长是林木特有的生物学问题，也是提高“林木产量”与“林木质量”必须解决的核心问题。为此，必须揭示林木的生长速率、营养分配、逆境生长、径向-轴向生长、树形决定、杂种超亲性生长的遗传基础和分子调控机制。针对这个核心问题，本项目将探索与回答：

（1）林木激素响应、细胞周期与生长速率调控、营养分配与生殖转换的分子机制，是本项目首要解决的关键问题；

（2）林木主茎和侧枝的径向-轴向生长与理想树形决定、逆境生长与抗逆调控网络，是本项目第二个关键问题；

（3）林木杂种超亲性生长的基因组学和表观遗传学调控、形成规律和干细胞繁育的分子调控机制，这是第三个要解决的关键问题；

（4）整合上述机理并转化为林木人工调控系统，创制速生优质新种质、新材料，探索林木遗传改良与分子聚合育种新途径，是最终解决的关键问题。

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主要研究内容

根据本项目研究内容、综合各课题组特长，组织了国内最有特色的团队，依托本项目所在的4个国家重点实验室和7个部门重点实验室，从4个部分的7个方面，将本项目的林木特色材料与功能基因组学、分子遗传学、细胞生物学等方法及传统育种技术有机结合，选取杨树、落叶松等针阔叶模式树种为材料，参照模式植物体系，研究“速生优质林木培育的遗传基础与分子调控”。

第一部分 瞄准如何自身加快林木生长和如何使林木“不中断或不停滞生长”而“缩短成材周期”的首要关键问题，开展林木植物细胞周期调控的分子机制研究，克隆调控林木生长速率的关键基因，进行与林木营养分配与生长滞长期发生相关的外因（环境因子）与内因（生殖生长转换）的分子调控研究，揭示林木植物速生和木材快速成材的分子调控机理，为弄清速生性状发生和林木快速成材提供科学依据。

第二部分 瞄准林木“速生”前提下的“材性优质”和“品种特性优良”的关键问题，进行理想树形决定与林木抗逆分子机理研究，阐明与“材性优质”相关的林木主茎和侧枝的径向-轴向生长的分子基础；分离和鉴定“材性优质”和抗逆相关的基因，构建林木在逆境下的转录组，以功能基因组和microarray方法，揭示抗逆基因的表达和调控网络。

第三部分 瞄准如何挖掘林木速生及杂种超亲性状发生和利用的关键问题，在分子水平上研究“速生杂种超亲性状”发生规律、固定和繁育机制，采用miRNA、基因芯片等技术，纵向（速生性）和横向（稳定性）研究生长速率之间及速生的稳定性间的关系，研究速生优良性状形成中miRNA及其靶基因的表达调控系统；分离与鉴定调控林木速生与繁育调控的相关基因，探索与调控速生与杂种超亲性状的固定和繁育机制，解决制约优良树种无性系化的“瓶颈”问题。

第四部分 瞄准速生优质林木培育的遗传与调控机理转化为人工调控与分子聚合育种的途径，结合传统育种与生物技术以及上述机理研究所分离基因等，采用分子诊断、RNAi、高通量干细胞系繁育及转基因等方法，探索林木遗传改良关键技术，建立高效稳定的林木遗传改良、干细胞繁育与分子聚合育种技术平台，突破传统育种的局限，创制“缩短成材周期”的“品种特性优良”与“材性优质”等优良性状的新种质、新材料。

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二、预期目标

总体目标：

本项目紧紧围绕提高“林木产量”和 “林木质量”的需求，以杨树、落叶松等针阔叶模式树种为材料，瞄准林木生长的遗传基础与分子调控这个核心问题，研究林木植物细胞周期调控以及与营养生长滞长期相关的外因（环境因子）与内因（生殖生长转换）的分子机理与转录调控，揭示林木植物速生和木材快速成材的分子调控机理，探索理想树形决定与林木抗逆的分子机理，揭示林木逆境转录组与表达调控网络；阐明优质林木轴向生长和径向生长的分子基础；揭示杂种优良性状形成与稳定的遗传与表观遗传机制，挖掘速生杂种超亲性状发生潜力及林木优良性状的固定和干细胞无性系繁育体系调控机制，解决制约优良树种“无性系化”的瓶颈；建立速生优质林木培育的遗传改良与分子育种技术平台，创制“缩短成材周期”和“缩短育种周期”的速生优质林木新材料、新种质。本项目通过从基础到应用，应用到基础两个方向的研究，获得一批重大的自主知识产权，培养一支林业基础研究骨干队伍，将对速生优质林木培育及其理论带来飞跃发展。

五年预期目标：

1 形成2个速生优质林木培育的遗传基础及分子调控研究体系：

（1）揭示与速生相关的细胞周期调控、理想树形决定、抗逆的表达调控网

络、生长滞长期转换等机制，形成以优质林木生长的分子调控机制为核心的研究体系。

（2）揭示杂种超亲优良性状的发生规律和固定机制、以及速生林木培育、

特别是人工干细胞体系发育的调控网络与表观遗传学机制，形成林木优良性状培育的功能基因组学研究体系。

2. 建立3-5个杨树、落叶松超高产、高抗逆、生长超速等高效稳定的速生优质

林木技术平台。

3. 创制速生优质杨树、落叶松等林木新类型、新材料、新种质10-15个，分离、

鉴定与林木速生优质性状相关的基因20-30个，申请发明专利22项以上。 4. 本项目将发表学术论文170篇（含SCI论文100篇），其中国际一流刊物

（IF>10）论文4-6篇，本领域一流刊物（IF>5）论文12-17篇。

5. 通过本项目实施，将建立一支林木功能基因组学和分子生物学的骨干队伍，培养一批青年学术带头人，同时培养博士后20名、博士50名、硕士70名。

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三、研究方案

总体研究思路：

本项目分为四部分七个课题。第一部分包含第一、二课题，针对与“速生”相关的生长速率及滞长期问题，开展林木生长与细胞周期调控机制、营养生长滞长期与生殖生长转变研究，揭示与林木产量相关的速生的分子基础，克隆调控林木生长速率的关键基因，为高产林木培育提供科学依据。第二部分包含第三、四课题，针对“优质”性状形成的关键问题，研究林木理想树形决定的遗传基础与逆境生长的分子调控，揭示林木在逆境胁迫下的基因表达模式与调控网络；阐明林木轴向生长和径向生长的分子基础，分离和鉴定优质、抗逆相关基因，为提高林木质量提供科学依据；第三部分包含第五、六课题，瞄准如何挖掘林木速生杂种超亲性状利用的关键问题，研究超亲性状形成的基因组动态、等位基因互作、基因组重复和重排机制、超亲性状调控的表观遗传机制、杂种林木繁育的干细胞扩增途径、超亲性状的固定机制，发现和鉴定对速生及生长速率稳定性高度相关的miRNA及目标基因，阐明胚性干细胞繁育调控机理；第四部分包含第七课题，围绕林木“遗传改良”的瓶颈问题，与上述机理研究有机结合，采用分子诊断、RNAi、高通量干细胞繁育及转基因等分子育种方法，研究抗逆林木的遗传改良、林木分子育种技术平台、胚性干细胞人工调控模型、速生优质林木培育新途径，建立速生优质林木培育的遗传改良与分子育种技术平台，创制“缩短成材周期”和“缩短育种周期”的速生优质林木新材料、新种质。

课题设置

围绕项目所要解决的关键科学问题、研究重点和预期目标合理设置课题。说明课题设置的思路、各课题间的有机联系以及与项目预期目标的关系；详细、具体叙述各课题的名称、主要研究内容和目标、承担单位、课题负责人及主要学术骨干和经费比例等。

本项目将从生长的激素响应与细胞周期调控、营养分配和生殖转换调控、抗逆调控网络、树形决定、杂种优良性状形成、干细胞繁育和遗传改良新途径等角度和层次开展研究，从微观到宏观、从基础到应用形成相互联系的有机整体，旨在回答“速生优质林木培育”的关键科学问题。本项目将采取课题的“2＋3”管理模式，第一、二年课题经费比例附后，第三、四、五年的课题经费管理，将根据各课题任务完成情况，采取滚动模式，设置如下课题：

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