速生优质林木培育的遗传基础及分子调控(3)

七个课题的相互关系如下：

速生优质林木培育的遗传基础及分子调控

第一部分 林木生长速率、营养分配 课题1：速生与细胞周期调控的分子机理 课题2：营养分配与生殖生长转换的调控 课题3：优质树形决定的分子基础 课题4：抗逆及逆境生长的功能基因组学 课题5：杂种超亲速生课题7：速生优质林木聚合育种与分子改良 关键科学问题： 林木生长调控 第二部分 林木速生与优良性状形成 生长速率、营养分配、逆境生长、树形决定与 径向轴向生长、超亲速生性状 的遗传与调控 第三部分 林木超亲速生性状形成与固定 性状的形成和固定的基因组学 课题6：杂种无性系与干细胞繁育的分子调控系统 速生、优质 林木培育 第四部分 “质”“量”兼优的林木培育途径

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技术途径：

提高林业生产力的国家经济发展和环境改善的重大需求 提高“林木产量”与“林木质量”的优质林木培育体系 速生优质林木培育的遗传基础及分子调控 “林木产量”与“林木质量”的两个关键问题 速生、优质树种培育的遗传基础及生长调控与功能基因组学研究 丰富的林木速生、优质性状新种质与育种材料 优质林木培育速生林木培育 的分子基础 的遗传基础 优质林木林木营养分林木植物速优质林木 抗逆生长配与生殖生生与细胞周树形决定长转变及滞的功能基长期的调控期调控的分的分子基 子机理 因组学 机理 础

速生、优质综合优势林木繁育的分子调控 林木遗传改良与分子育种新途径 杂种超亲速生性状形成和固定的基因组学研究 优质林木无性系与干细胞繁育的分子调控系统 速生、优质林木培育的遗传基础及分子调控 170篇学术论文（100篇SCI论文） 申报22分离、鉴定因 2个速生优质与培育研究体系 林木的遗传改良与分子育种体系 3-5个技术平台 10-15个新类型、新种质 项专利 20-30个基

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与国内外同类研究相比的创新点与特色 创新点

1. 本项目首次从林业科学基础研究的角度，从功能基因组和分子调控机理去揭

示林木特有的生物学问题，把“基因组研究从草本延伸到木本（”Nature Review Genetics,2006,7:827），开展“缩短成材周期”“缩短育种周期”林木培育的林业科学发展研究，从机理上解决林木优质和速生的矛盾，实现优质、抗逆并速生的人工调控途径，全面揭示提高“林木产量”、“林木质量”的速生优质林木培育的遗传基础与分子调控机制；

2. 本项目在方法上首次实现中国特有的针叶树胚性干细胞模式体系和转基因

体系，与功能基因组、表观遗传调控等现代方法的结合，为建立林木模式体系、突破草本模式的局限、形成我国特有的林木研究平台奠定基础。 3. 与国内外同类研究相比，本项目从功能基因组学、分子遗传学、细胞生物学等不同角度，从树形决定、细胞周期调控、转录组、信息大分子到激素小分

子等不同层次，全面研究林木“生长调控”核心问题，把我国基础相对薄弱的林业科学研究推向国际科学前沿。

4. 本项目首次探索与构建针叶林木逆境生长转录组和抗逆调控网络，为探索林木抗逆的分子机理，培育优质高抗林木新品种开辟一个新途径。

5. 项目综合的研究技术平台使本研究更富有创新活力。综合运用生物信息、基

因芯片、反义核酸和RNAi、蛋白质组学、基因敲除等技术，将其有机的整合在一起，形成一个高效的基因筛选和功能验证技术平台，为发现和确证与速生优质相关基因提供有力的技术保障。

6. 首次从延长林木速生高峰机制的 “不中断与不减速生长”的内外因子调控机

制，来研究林木的生长调控与如何克服生长滞长期问题，从而使“成材周期”缩短一半以上，从基础科学入手，加速国民经济中“林木产量”、“林木质量”的稳步快速发展。

研究特色：

1. 本项目利用功能基因组学、分子调控等一年生草本模式植物研究思路，首次

在多年生木本植物中开展逆境胁迫下的基因表达和抗逆调控网络、胚性干细胞分子调控、杂种超亲性状形成和固定的基因组学规律等研究，填补了用材树种研究的多项空白。

2. 木本植物个体发育周期长、遗传操作困难，本研究通过生长速率的细胞周期

调控、生殖生长调控、优良品系干细胞培育调控等途径，将基础理论成果延伸到应用技术，增加营养生长期延迟成龄树开花来增加木材的生物量，缩短成材周期，从而加速育种速度，使分子育种等遗传改良新途径在林木中得以应用。

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3. 中国林科院是中国林业科学研究的窗口，50年来在林木培育和育种领域，一

直注重把最新科学及其技术手段引入生产一线，创制和积累的丰富育种材料，正是本项目研究的根本。所以，本项目的实施必将解决我国林业重大的生长问题、提出林业新理论并获得一系列新基因和具有自主知识产权的新种质、新技术，对未来林业发展会产生重大影响，具有重要引领作用。

取得重大突破的可行性分析

1. 根据项目任务研究内容与要求，本项目集成国内基因组学与蛋白质组学、生物化学和分子生物学、遗传学和细胞生物学、林学和林业分子生物学等优势学科，汇聚北京大学、中国农业大学、南开大学、清华大学、北京林业大学和中科院植物研究所等国内最优秀的研究团队，平均年龄38.56岁，其中院士1人、“国家杰出青年”3人、“长江学者”1人、 “百人计划”3人，在本领域有瞩目建树，已发表SCI刊物论文300余篇，其中Cell，Science，Nature，PNAS，Plant Cell等国际顶尖刊物12篇。本研究群体在学科、科研基地和实验材料、实验室、生物信息及技术资源上优势互补，协作攻关，使该项目的顺利完成及取得重大突破成为可能。

2. 本项目实施依托于4个国家重点实验室、7个部门重点实验室，已经具备以下技术平台：基因组测序分析平台、基因芯片制备与检测平台、生物信息技术平台、表观遗传学研究技术平台、成熟的分子生物学和细胞生物学技术平台、裸子植物胚性干细胞和人工种子大规模培养平台等，为本项目的实施和重大突破提供了坚实的技术保障。

3. 项目组已经拥有速生优质林木重要的变异和野生型成对的实验材料，如速生优质的杨树与落叶松杂种品系和高代育种材料、生长超亲的杂种黑杨、针叶树营养生长与生殖生长转换突变体、松树树形决定突变体“独干松”、模式植物激素响应突变体、细胞周期突变体和株型突变体，特别是处于国际领先地位的落叶松胚性干细胞模式体系，这些丰富的原始材料为本项研究的实施与突破奠定了材料基础。

4. 本项目针对“速生优质林木培育的遗传基础与分子调控”重大科学问题，采取系统和多角度研究方案，从分子到基因组不同水平、从激素响应到表观遗传调控不同角度，采用从转录组到基因芯片等不同手段，对速生优质林木的形成机制、遗传基础及分子调控等进行综合攻关与全面系统研究，具有较大可能在林木速生优质树种培育的分子调控机理和功能基因组研究方面取得重大突破。

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四、年度计划

研究内容 1. 以模式植物为材料分离与植物激素及细胞周期相关的突变体；研究植物激素信号通路中的组分和细胞周期调控相关组分之间的相互作用关系。 2. 利用已有突变体克隆相关基因；构建必要的新实验材料等。包括对已经筛选到的影响株型的模式植物突变体进行详细的表型及相关生理指标的分析；构建作图群体；对相关基因进行粗定位。 3. 着手建立模拟生命状态下落叶松胚性干细胞人工调控发育模型；建立基因芯片、miRNA技术平台。 4. 依据目标构建多个杨树microarray芯片；建立消减文库；筛选、鉴定与杂种超亲性状相关的差异表达基因。 5. 采用Solexa测序技术，建立逆境条件下不同组织和细胞的转录组。 6. 利用基因芯片和信号转导等方法，研究林木生殖转变相关的四类调控基因和生殖转变中光周期、赤霉酸、春化、生长点识别和环境等调控环节的作用机理 1. 对克隆筛选的突变体所对应的新基因开展基因功能测定和分析。 2. 对模式植物突变体相关基因进行精细定位，克隆影响植物株形的基因；完成RNAi或候选基因敲除及功能互补试验；分析基因表达图谱，从形态学、生理学、分子学等方面对这些基因进行功能分析。 3. 利用SSH-cDNA芯片等方法，研究不同组合材料基因组表达差异谱，筛选不同组合DNA甲基化差异性片断。 4. 继续完善胚性干细胞人工调控发育模型以及基因芯片、实时定量表达、miRNA技术平台。 5. 分离、鉴定林木MADS-box基因家族成员，研究林木与模式植物直系基因（orthologs）间的功能分化， 6. 研究与干旱、高寒、盐碱等逆境相关的基因、基因家族、转录组操纵基因、调控元件以及ncRNA在逆境条件下的基因表达和调控网络； 7. 利用所获得的与生长、抗逆等优良性状的特异分子标记，结合常规育种的方法筛选性状优良的株系。 预期目标 1. 获得与植物激素及细胞周期相关的突变体及所对应的新基因。 2. 获得与植物株形相关的突变体，对其中1-2个进行粗定位。 3. 完成杨树microarray芯片初步构建；建立消减文库，筛选、鉴定超亲性状相关的差异表达基因。 4. 完成超亲性状形成过程中染色体行为、空间分布的解析。 5. 完成构建逆境胁迫下不同组织细胞的转录组差异图 6. 分离、鉴定与林木生殖转变相关的四类调控基因。 7. 发表学术论文20篇，其中SCI刊物论文5篇以上，申请专利1个以上。 第 一 年 第 二 年 1. 分离和鉴定植物激素调控细胞周期的新基因2-3个 2. 精细定位与植物株形相关的基因1-2个；从转录及翻译水平分析其生物学功能。 3．完成胚性干细胞人工调控发育模型，以及基因芯片、实时定量表达、miRNA、技术平台。 4. 完成不同组合材料基因组表达差异谱的构建。 5. 揭示林木与模式植物直系基因间的功能分化。 6. 阐释逆境胁迫下的转录调控机制。 7.分离、鉴定与超常性状的相关基因3-5个，创制林木速生优质林木新种质、新类型1-2个,发表学术论文30篇，其中SCI刊物论文10篇以上，含国际一流杂志（IF≥10）论文2篇以上。申请2项以上发明专利。 14

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