CB设施作物的环境适应机制与产品安全调控的基础研究.docx

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项目名称：

设施作物的环境适应机制与产品安全调

控的基础研究

首席科学家：

喻景权浙江大学

起止年限:

2009.1至2013.8

依托部门：

教育部浙江省科技厅

一、研究内容

（-）拟解决的关键科学问题

科学问题一：

设施作物生长发育中对亚适宜环境的获得性适应机制植物在长期进化中形成了多种机制来感受环境变化、调整生长发育状态以减少不良环境的影响。

我国缺乏设施农业生产的专用品种，设施农业中所用的品种基本上是针对露地生产要求选育的。

这些旨在用于露地生产的蔬菜品种在设施生产中处于亚适宜的生长发育环境，会产生明显的适应性差异。

因此，不同作物/品种如何适应设施亚适宜环境从而达到与环境相协调的生长发育是一个需要研究来解决的科学问题。

研究设施亚适宜环境下作物发育可塑性（如构型、单性结实）和代谢可变性（如呼吸作用、能量代谢途径、养分高效利用）及其调控机理、主要生理代谢途径对环境的响应及其与抗逆性的关系，不仅可以揭示植物对亚适宜环境或逆境的适应机制，而且还可通过常规育种技术和分子手段提高抗逆性、抗坏血酸和类胡萝卜素等次生代谢产物含量，提高资源利用率，为改善设施园艺产品的品质提供科学依据。

科学问题二：

设施环境驱动病虫害和连作障碍频发的生物学和生态学机理设施生产存在高湿、弱光和阶段性低温等亚适宜环境条件及常年连作、过度施肥施药等栽培方式。

在这些特殊的设施环境和栽培条件下，为什么病虫害种类繁多、发生频率高？

这是不同于露地栽培病虫害发生规律的一个显著特点，其中蕴涵了设施环境因子与病虫害的相互作用、环境条件与栽培方式影响病虫生物微进化与致害机理、设施环境下作物抗性表达与调控等迫切需要研究解决的基础科学问题。

这些问题的研究阐明与突破，不仅可以揭示设施环境下病虫害和连作障碍发生规律，而且也为设施作物病虫害和连作障碍的有效控制奠定理论基础。

科学问题三：

农药在设施土壤一植物体系中的迁移与代谢规律设施生产中因为病虫害高发频发，农药（特别是杀菌剂）使用频率和投入量均3〜5倍于露地生产。

设施亚适宜环境下作物对农药的降解能力下降，设施环境封闭性减缓土壤中残留农药的降解，导致农药在设施作物和土壤中的持久性均远高于露地环境。

因此，研究农药在设施土壤一植物体系中的迁移与代谢规律，有助于寻找有效强化作物体内代谢系统活性和土壤降解潜能的途径，加速农药在作物和土壤中的代谢速率，从根本上降低残留水平，提高蔬菜食用安全性和设施土壤健康水平。

（二）主要研究内容

本项目将以番茄、黄瓜等作物为主要对象，研究设施作物环境适应机理与产品安全调控方面的关键科学问题。

选择设施番茄和黄瓜为研究对象，主要基于以下考虑：

（1）重要性番茄和黄瓜分别代表了茄科和葫芦科蔬菜类群，是我国南北设施农业中的主要作物。

（2）基础信息完整性国内外正在对番茄、黄瓜进行基因组测序，部分序列信息已经公布。

（3）研究工作继承性我国科学家对番茄、黄瓜等作物对设施亚适宜环境适应性、病虫害发生与控制等方面进行了大量研究，这些现有研究工作积累可促进本项目研究的顺利进行，完成预期的目标。

主要研究内容如下：

1、设施作物对亚适宜环境的适应机制与生长发育调控研究亚适宜环境对作物重要生理过程的影响机制，分析设施作物通过单性结实等发育可塑性以及代谢能量途径动态性等代谢可变性的适应性机制，分离和鉴定调控功能基因，研究参与调控抗逆和重要发育性状的激素等信号分子的作用机制，研究能量产生、利用和过剩能量的耗散机制以及同适应性的关系。

研究设施特殊环境导致植物对营养元素的吸收利用效率低下的原因，调控N、P、K高效吸收利用的生理和遗传机理，分离鉴定相关功能新基因并阐明其作用机理。

2、设施环境驱动病虫害和连作障碍频发机制及其调控研究设施环境对病虫生物致害性的影响及其机制、病虫生物致害性的微进化机制、设施土壤微生物与病虫生物互作及连作障碍形成，设施环境对作物抗性表达的影响及其调控机理、病虫抗性诱导及其分子机制以及病虫害生态、生物控制机理。

围绕设施环境下作物抗性表达的分子调控机理病虫害控制，研究设施环境对番茄、黄瓜等作物抗性表达的影响及其调控、病虫抗性诱导及其分子机制以及病虫害生态、生物控制机理等。

3、农药在土壤一植物体系中的迁移、代谢、积累及其调控研究农药在设施土壤一植物体系中的迁移机制，农药在作物体内和土壤中的的代谢与积累规律，残留农药根际的界面过程和转运机制，作物体内农药代谢关键功能基因、作用机理及其表达调控机理，设施土壤中残留农药的生物有效性及其生态效应，土壤中残留农药降解的强化机制。

二、预期目标

（-）总体目标

面向国家对现代农业与安全农产品的重大需求，服务现代农业发展，以主要设施园艺作物番茄和黄瓜同生物与非生物因子的相互作用与调控为核心，在理论上建立和完善设施作物生长发育与代谢适应性调控的理论体系，发展设施作物病虫害高效控制的新策略，提出设施作物安全生产的新理论。

在实践上，分离鉴定设施作物重要性状的功能基因或调控因子，创制设施作物新种质，为运用常规育种、基因和代谢工程技术改善设施作物抗性和产品质量提供技术平台，建立设施作物病虫害和农药残留的环境友好控制新途径，带动设施农业瓶颈问题的解决，满足设施农业高产高效、优质安全和可持续发展的国家需求。

同时，培养和造就一批学科带头人和学术骨干，提升我国设施农业科学的发展水平，推动我国设施农业的可持续发展。

（二）五年预期目标

1、理论上阐明亚适宜环境下作物生长发育的适应性调控机制，探明设施环境影响作物抗性表达及其协调环境控制机理，构建植物体内农药残留降解调控理论与技术体系

2、构建目标营养成分提高20%以上，肥料减少40%以上，农药残留下降50%以上的技术策略；

3、挖掘利用具有重要功能的关键调控基因20个以上；

4、申请基因和以基因工程手段改良作物适应性、抗性或调控发明专利15-20项；

5、创造具有设施品种优异性状（单性结实等）的中间种质材料10份以上；

6、在SCI源期刊发表论文120篇以上；

7、培养3〜5位中青年学科带头人，硕士生80名、博士生80名，培养造就一支高素质的设施农业科研队伍。

三、研究方案

（-）总体研究思路和研究的技术路线及可行性

1、总体研究思路

面对国家现代农业和农产品安全的重大需求，以主要设施作物即番茄和黄瓜对环境条件的适应性为核心，解析设施作物在亚适宜环境下的生长发育与代谢适应变化及调控机制，阐明设施生境导致病虫害高发中的寄主一病虫生物一环境间的关系，探索作物对养分高效吸收利用和农药降解代谢的调控机理，为实现园艺作物生长、品质与安全的有效调控奠定理论基础。

在作物适应性调控方面，围绕作物对环境条件的适应性，从发育可塑性和代谢变容性的角度，在分子、生理、代谢等水平上研究亚适宜环境下设施作物生长发育性状的变化、主要生理代谢途径的响应及养分高效利用特征，解析设施作物对亚适宜环境的适应机制，创制设施专用核心种质，解决生产中资源利用和产量品质问题。

在病虫害和连作障碍发生与控制方面，围绕作物-病虫生物-环境三者的互作关系，从设施环境对病虫生物致害性以及作物抗性表达的影响与调控机理两个方面入手，解析设施栽培中病虫害高发频发的规律和机理，提出设施作物病虫害控制的新策略，降低农药施用量。

在农药降解代谢方面，从设施土壤一作物系统角度探明农药在作物、土壤中的代谢规律，解析农药降解过程的基因、蛋白和代谢物的变化，寻找有效提高农药降解的方法手段，解决农药高残留问题。

2、技术途径

综合运用转录组学、功能基因组学、蛋白组学、代谢组学、分子生态学、环境化学等学科的研究方法，在分子水平上研究植物生长发育与养分利用及其抗逆反应、病虫致害性变异等重要科学问题，鉴定并阐明关键生物学过程中的功能基因及其作用机制，从而揭示植物生长发育与抗逆、病虫致害和农药降解的分子调控机理，实现设施作物高效、优质、安全生产的目标（图1）。

（1）运用转录组学、蛋白组学方法研究亚适宜环境下设施作物生长发育、抗性表达、养分吸收和农药代谢等变化中的关键因子，分离获得功能基因，通过

基因沉默或者超量表达等方法，验证目标基因的功能。

（2）利用代谢组学、生物化学方法研究亚适宜条件下设施作物的代谢响应,根据代谢途径的保守性，利用基因组信息克隆鉴定相应基因，明确环境因子引起植物代谢响应的关键因子及其机理。

（3）利用模式病虫生物研究信息，运用生物信息学、基因组学方法分离鉴定设施作物重要病虫致害基因并验证其功能，采用分子生态学、群体遗传学方法研究设施条件下病虫群体变异与微进化规律。

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（4）运用分子生态学、环境基因组学研究设施土壤微生物群体的特征及其与土传病害的关系，利用环境化学、分子生态学方法研究农药在作物和土壤中的代谢及其规律。

3、可行性分析

（1）立论充分、目标明确项目以国内现有研究工作为基础、结合国内外农业生命科学特别是设施农业研究的最新成果和进展而设计，具有充分的立论依据；针对我国现阶段和今后一个时期内设施农业中的实际问题，安排亚适宜环境下作物适应性、病虫害控制和农药化肥安全使用等研究内容，针对性强，目标明确。

（2）研究基础扎实开展了与本项目有关的基础性研究工作，近5年内承担了国家自然科学基金重点项目和一批面上项目、国家863计划、国家支撑计划等项目或专项研究任务八十余项，获得了国家自然科学二等奖1项、发明奖1项、科技进步二等奖3项、省部级一等奖3项等，在高影响因子的SCI刊物发表论文81篇。

项目主体内容是现有工作积累的延伸和拓展，具有明显的继承性，为实现预期目标奠定了坚实的基础。

（3）研究材料丰富参加单位在长期从事相关研究工作中已积累了大量极富价值的宝贵材料，包括适应不同环境条件的品种或基因型、抗病基因型以及与适应性相关的叶黄素、ABA和BRs等抗性和发育突变体等，克隆获得了多个参与抗逆、抗病等性状的调控基因。

这些独特的实验材料和基因资源为本项目取得既定研究内容的重大突破提供了保障。

（4）支撑体系强大依托4个密切相关的国家重点实验室、多个部级重点实验室，通过国家创新体系、重点实验室、211和985工程等的建设，参加单位拥有了先进的科研设施、实验平台，并建立了基因组学、蛋白组学、代谢组学、分子生态学、环境化学等相应的先进实验技术体系。

项目开展期间通过这些资源和技术的相互共享、相互补充和合作，可加快本项目的开展速度，提升本项目的研究水平。

（5）研究团队优秀整合了中国科学院、中国农业科学院和教育部所属院校相关学科的精兵强将以及一些地方院校的优秀人才，组成一支从事设施农业研究的跨学科优秀研究团队。

团队成员不仅具有较好的专业背景和丰富的从事相关研究的阅历，而且90%以上曾在国外从事过相关研究，并在包括PNAS、PlantCell等刊物发表过高水平的论文。

这支优秀研究团队是本项目取得突破的根本保证。

（二）创新点

以设施作物对环境条件的适应性为核心，运用基因组学、蛋白组学、代谢组学、分子生态学等现代先进技术，在国内现有工作基础上，从分子、生理、代谢等不同层次研究阐明设施亚适宜环境下作物的适应性机理、病虫害高发频发机制以及农药代谢降解规律，具有明显的创新性学术思想。

在具体科学问题上，本项目具有以下创新点：

1、率先开展亚适宜环境下设施作物生长发育和生理代谢的获得性适应机理研究，揭示设施作物的单性结实、重要代谢途径环境响应等的调控机理，初步构建起设施作物适应性调控的理论框架。

2、解析设施环境下病虫生物种群微进化与致害规律、环境条件对作物抗性表达的影响及其调控机理，揭示设施栽培中病虫和连作障碍高发频发的生物学和生态学机理，创新发展设施作物病虫害和连作障碍高效控制的策略。

3、重点研究设施作物体内和土壤中残留农药代谢、积累机制，揭示农药在设施作物一土壤系统中的迁移转化规律及其调