CB设施作物的环境适应机制与产品安全调控的基础研究Word下载.docx

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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。

6

（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控途径，提出设施作物安全生产的理论体系。

4、分离鉴定与设施作物生长发育、代谢响应、抗性表达、农药代谢降解、养分高效利用等相关的重要功能基因，具有自主知识产权，成果具有广阔的应用前景。

（三）课题设置

课题一、园艺作物对设施环境变化的应答机理与生长发育调控

以番茄、黄瓜等重要设施作物为研究对象，以低温弱光等典型设施亚适宜环境为胁迫因子，应用生理学、生物化学、分子生物学、功能基因组学等手段研究环境变化影响作物重要生长过程和典型发育性状的基因网络，分析和鉴定调控功能基因，研究参与抗逆调控的重要激素的分子作用机制。

研究内容1、亚适宜环境影响作物生长过程的机理

（1）亚适宜环境与重要生长时期的细胞分裂与膨大

（2）亚适宜环境与光合作用和碳水化合物合成累积

（3）低温弱光等典型设施亚适宜环境下基因网络表达谱响应

2、亚适宜环境下典型发育性状形成及调控

（1）雌性系、单性结实、主枝连续结果等典型发育性状形成规律

（2）典型发育性状的激素调控作用

（3）典型发育性状形成中关键基因克隆与表达调控

3、亚适宜环境下重要逆境激素合成响应及抗逆性调控

（1）ABA、BRs和PAs等抗逆活性物质与亚适宜环境适应性的关系

（2）激素的合成与关键调控基因对环境变化的响应特征

（3）外源激素对抗逆性调控的生理与分子机制

（4）创制BRs等物质合成增加的抗逆株系

预期目标

（1）揭示植物生长应答亚适宜环境的基因响应谱及其同适应性间的关系

（2）明确亚适宜环境下典型发育性状变化及分子调控

（3）解析亚适宜环境下重要逆境激素合成响应特征及抗性调控

承担单位：

浙江大学、南京农业大学

课题负责人：

喻景权教授

经费比例：

19.33%

课题二、设施作物对亚适宜环境的代谢适应与调控机制

以番茄、黄瓜等重要蔬菜作物为研究对象，研究低温弱光等典型设施亚适宜环境下能量产生、利用和过剩能量的耗散机制以及同适应性的关系。

研究内容1、碳水化合物代谢的响应与糖信号的调控作用

（1）低温弱光、长期C02加富对不同组织中碳水化合物的代谢谱变化

（2）长期C02加富中的光合适应现象及其调控机制

（3）HXK1糖信号和Inv、SPS和SuSy表达修饰等与碳流和基因表达

（4）碳水化合物积累过程中关键基因表达调控机制与抗性形成

2、抗氧化代谢的响应与氧化还原信号的调控作用

（1）抗氧化基因表达谱以及抗氧化物质含量在组织与细胞器中的时空变化

（2）叶黄素类物质和抗坏血酸等营养物质在适应性中的作用与分子调控

（3）redox信号调控亚适宜环境适应性中的机制

3、呼吸代谢中能量产生和利用的适应机制与调控

（1）线粒体电子传递变化及其同获得适应性的关系

（2）交替呼吸电子传递在抗性形成中的作用机制

（3）线粒体电子传递的调控机制

（4）糖酵解中ATP利用过程的协同调节作用及其机制

（1）揭示碳水化合物代谢对环境变化响应及糖信号的调控作用，明确光合适应现象的调控机制

（2）明确叶黄素循环同Mehler-Asada途径在环境适应中的协同作用，揭示氧化还原早期信号在调节抗性中的作用模式

（3）解析亚适宜环境下呼吸代谢中能量产生和利用的适应性机制及调控

浙江大学、中国农业大学

汪俏梅教授

15.67%

课题三、设施作物营养元素吸收代谢与与高效利用调控

以番茄、黄瓜等为研究对象，应用分子生物学、离子组学、遗传学、植物生理学等学科知识和技术手段，明确设施环境下作物N、P、K吸收利用规律及其分子和生理机理，筛选营养高效种质资源并解析其生理和遗传学基础，分离研究营养高效利用相关功能基因，并进行表达调控，探索养分高效利用和克服土壤次生盐渍化的调控策略。

研究内容

1、设施作物营养高效种质鉴定及其生理和遗传基础

（1）不同生境下养分高效吸收利用优异种质资源筛选

（2）高效吸收的根系及根际生物学特性

（3）养分高效吸收利用的遗传基础与关键基因鉴定

2、设施环境对作物营养元素吸收利用效率的调控机理

（1）设施环境影响作物营养元素吸收利用效率规律

（2）作物营养元素吸收利用效率变化的生理生化机制

（3）园艺措施对作物营养高效吸收利用的调控机理

3、设施土壤次生盐渍化形成与调控

（1）环境因子、栽培模式与土壤中养分过渡积累的关系

（2）肥料种类、供应模式与土壤肥力形成及相关微生物等的关系

（3）土壤次生盐渍化的调控

（1）明确设施环境下作物营养吸收利用规律及分子和生理机理

（2）筛选设施环境下营养高效番茄和黄瓜种质，解析其生理学及遗传学基础（3）提出土壤次生盐渍化调控策略

中国科学院上海生命科学研究院、华中农业大学

龚继明研究员

课题四、设施环境下病虫害高发致害与连作障碍发生机理

以设施作物根结线虫病、枯萎病、灰霉病、粉虱、蓟马等重要病虫害为对象,采用生物化学、分子生物学、生态学和生物学等手段，重点研究设施环境对病虫致害性的影响及其机制、设施环境下病虫致害性的微进化规律、设施土壤连作障碍形成及其微生态机制。

1、设施环境对病虫生物致害性的影响及其机制

（1）环境因子与栽培模式对病虫发生的影响与规律

（2）设施环境影响重要病虫生物致害性的机理

（3）重要病虫生物致害性关键基因与调控因子

2、设施环境下重要病虫生物的微进化机制

（1）病虫生物对设施环境的适应及其种群微进化规律

（2）土传病原物种群分化与新致害类型形成

（3）土壤微生物区系与土传病原物互作及其与病害高发关系

3、设施土壤连作障碍形成的微生态机制与调控

（1）环境因子、栽培模式对作物根际微生物群落宏基因组结构特征的影响

（2）土壤微生物多样性与优势种群的演变规律及其微生态机制

（3）连作障碍各因子间的交互作用及其调控机制

（1）明确2〜3种重要病虫害发生规律及其环境因子的影响机理

（2）阐明土壤微生物群体与土传病害、连作障碍形成的关系

（3）解析1〜2种重要病虫生物的种群微进化规律

（4）鉴定病虫生物致害性关键基因

中国农业科学院蔬菜花卉研究所、中国农业科学院植物保护研究所课题负责人：

冯东昕研究员

18.00%

课题五、设施环境下作物抗性分子调控及病虫害控制

以设施番茄、黄瓜为对象，采用基因表达谱、基因组学、蛋白组学、环境生物学等技术研究设施环境下抗病抗虫性的表达及其调控、病虫抗性定向诱导及其分子机制以及病虫害生态、生物控制机理。

1、设施环境对作物抗性表达的影响及其调控机理

（1）温湿光肥对设施作物抗性表达的影响

（2）抗病基因的遗传分析和定位

（3）分离番茄、黄瓜抗性基因及调控基因

（4）抗性和调控基因的功能变化及其机制

2、病虫抗性诱导及其分子机制

（1）设施作物抗病抗虫性的免疫诱导及其协同调控

（2）茉莉酸、油菜素内酯与抗性的关系及其机理

（3）分离鉴定诱导抗性中的关键调控基因

3、病虫害生态、生物控制机理

（1）设施环境对病虫害发生的调节作用

（2）生防资源与病虫生物的互作

（3）生防资源高效利用与病虫害控制

（1）解析设施环境下番茄、黄瓜抗性表达的调控机制

（2）揭示抗性定向诱导与调控机理

（3）明确激素信号在抗性调控中的作用与机理

（4）阐明设施环境和生防资源对病虫害发生的调节作用与途径

华中农业大学、浙江大学

匡汉晖教授

16.33%

课题六、农药在设施作物和土壤中的代谢、积累及其调控

以黄瓜、番茄常用农药为研究对象，采用生态毒理学、环境生物化学、分子生物学等手段，阐明农药在设施作物一土壤系统中的迁移、转运规律，揭示作物体内和土壤中残留农药代谢与积累规律，建立代谢活性调控途径。

1、设施土壤中残留农药的迁移、转化及其调控

（1）土壤中残留农药残留形态特征与生物有效性

（2）残留农药根际界面过程和转运机制

（3）土壤中残留农药的代谢降解及其生物强化

（4）残留农药对土壤生物学功能的影响

2、设施作物中农药代谢与积累规律

（1）作物对农药的吸收及其手性差异

（2）农药在作物体内的转运、传导和分布

（3）农药在蔬菜各部残留的形态特征及其形成机制

3.作物体内农药代谢相关基因表达调控

（1）蔬菜对农药的应激响应机制

（2）农药代谢关键酶与功能基因鉴定及其作用机理

（3）生理活性物质在农药代谢关键功能基因表达调控中的作用

（1）揭示作物体内农药代谢机理及其关键功能基因

（2）探明土壤中农药降解的驱动机制及其调控途径

（3）建立基于强化内源代谢活性的农药残留控制新途径

（4）获得内源代谢活性强化剂1〜2种，土壤农药降解强化剂1〜2种，设施作物农药残留下降50%

浙江工业大学、浙江大学

盛光遥教授经费比例：

15.00%

（四）各课题间的有机联系以及与项目预期目标的关系

目前我国设施农业基础研究中，生长发育适应性、品质和安全是三个核心问题，而其中的根本问题在于作物如何感受气候环境因子（温、光等）、生物因子（病虫生物）和化学因子（农药和养分）三个要素的变化，产生从基因表达、蛋白修饰到代谢水平的变化。

基于这个认识，首先，我们有必要研究重要园艺作物如何响应设施环境的变化，研究符合设施条件的一些特殊发育性状形成规律（即课题一），解析这些作物如何通过代谢可变性来实现从露地环境到设施亚适宜环境的适应性即获得性适应（即课题二），研究亚适宜环境如何影响作物对养分的吸收、运转与同化，探讨如何通过调控离子吸收等途径来适应亚适宜环境，减少过量化肥对食品和生态环境造成的负面影响（即课题三）；

其次，我们有必要从病虫生物等角度研究设施环境下病虫害和连作障碍高发致害原因，阐明设施环境下病虫生物致害性的微进化机制（即课题四），继而从作物抗性的角度研究设施环境对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（即课题五）；

最后，研究亚适宜环境如何影响农药在土壤一作物体系中的迁移与代谢，解析如何通过作物体内的代谢调控来减少农药残留（即课题六）。

课题之间既联系，又有一定的独立性，围绕需要解决的3个关键科学问题形成了一个较为完整的研究体系（图2）。

四、年度计划

第

年

筛选对亚适宜环境具有适应性差异的种质材料并比较其生长发育及重要代谢过程对亚适宜环境的响应差异以及重要相关基因的克隆;

亚适宜环境与栽培模式影响主要设施病虫害的发生与致害、微生物种群、植物抗性、农药作物吸收的规律以及植物与病虫间的互作。

在番茄、黄瓜等主要设施作物中解析设施亚适宜环境影响植物生长发育、代谢、抗性、农药吸收及病虫害发生的规律，并初步明确相关的作用路径。

获得相关基因和调控因子3-5个，发表SCI研究论文20篇以上。

进一步研究设施亚适宜环境中生物与非生物因子影响作物生长发育与代谢、病虫害发生与农药残留的规律与特点；

研究碳水化合物代谢、激素响应、营养吸收、抗氧化营养物质代谢谱、基因响应谱、蛋白组学分析及其和环境适应性的关系；

以霉病、根结线虫等为代表研究病虫的致病遗传变异分子机理及植物的诱导抗性；

农药在土壤中的代谢降解及其选择性;

从优异种质及突变体中克隆相关途径上的基因，并从已克隆的基因中鉴定影响设施亚适宜环境下植物生长、发育与品质的关键基因。

了解生长发育与代谢变容在亚适宜环境中的适应作用及生理分子基础；

基本明确主要设施病虫害的致病性变异、微进化过程及诱导抗性的效果和机制；

明确土壤农药的立体降解行为及其对土壤生物学功能的影响；

分离相关基因3个以上;

初步