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

控

首席科学家：张守攻中国林业科学研究院起止年限：2009.1至2013.8

依托部门：国家林业局

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。

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。

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。

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：

课题一：林木植物速生与细胞周期调控的分子机理

承担单位：北京大学、北京林业大学

负责人：郭红卫教授；

学术骨干：尹伟伦、安丰英、于祥春、彭金英、李中海、夏新莉、周晓阳、魏志刚

研究内容：以模式植物中与激素响应及细胞周期相关的突变体为材料，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互作关系；通过

生化及遗传手段，分离和鉴定植物激素调控细胞周期的新基因，研究林

木细胞周期调控的特有规律；通过比较基因组学及生物信息学，在林木

树种中克隆一批和植物激素信号转导及细胞周期调控相关的各类基因，

通过转入模式植物中研究其功能及调控方式；进而将其引入林木树种，

研究其对林木生长的效应；探索遗传工程技术改良林木生长的新方法。研究目标：分离10个以上与植物激素介导及细胞周期相关的突变体，克隆其中2-3个突变体所对应的新基因，并通过模式体系揭示其功能；以遗传分

析和高通量的基因组学手段，阐明植物激素信号组分对应于细胞周期的

调控机理，揭示乙烯调控细胞周期的分子机理；完成3-5个新克隆基因

在林木中的遗传转化，并分析对林木速生的效应；在本领域相关国际学

术杂志上发表12-16篇SCI论文；其中国际一流杂志（IF>10）1-2篇以

上；（IF>5）论文4-6篇以上，申请发明专利2-4项；培养博士后2-4

名，硕士和博士研究生10-15名。

经费比例：15％

课题二：林木营养生长和生殖生长转变的调控机理

承担单位：东北林业大学、中国科学院植物研究所

负责人：杨传平教授

学术骨干：张大明、刘桂丰、刘关君、邓辉胜、王宝生

研究内容：采用谱系基因组学（phylogenomics）、基因芯片、表观遗传学和信号转导等方法，研究林木生殖转变相关的四类调控基因（FT,

FLC-SOC1, LEAFY, AP1）和生殖转变中光周期、赤霉酸、春化、生长

点识别的机理，研究立地与环境信号对生殖转变和滞长的调控机理；

分离、鉴定林木MADS-box基因家族成员，揭示林木与模式植物直系

基因（orthologs）间的功能分化，阐明林木生长滞长期发生的遗传

和环境效应，及延长童期速生的调控途径，为林木遗传改良提供理论

依据和相关基因。

研究目标：分离、鉴定林木MADS-box基因家族成员和生殖转变相关的四类调控基因（FT, FLC-SOC1, LEAFY, AP1）及其表达样式，阐明生殖转变中

光周期、赤霉酸、春化、生长点识别的机理，阐明林木立地和环境信

号对滞长期的调控机理，揭示林木滞长期发生的调控机制，提供滞

长期发生的解决方案和延长童期速生的调控途径。克隆改变滞长期相

关基因5-10个，发表论文20篇，其中SCI刊物论文10-14篇，IF>5

的论文5篇以上；培养博士6名，硕士8名。

经费比例：13.5％

课题三、优质林木树形决定的分子基础

承担单位：中国农业大学、清华大学

负责人：杨淑华教授

学术骨干：刘栋、李珍、张晓燕、张海荣、周晓峰、郭万里、雷明光

研究内容：以模式植物为对象，研究植物主、侧枝轴向生长与径向生长的分子调控机理，发现并克隆植物株型决定相关的新基因；研究模式植物中发

现的相关基因对林木树种主、侧枝轴向生长与径向生长的影响，揭示

林木树形决定的特有机制；探索林木优质干形形成的遗传基础及速生、

高产、高出材率、高生物量的生长调控机制，克隆一批林木树形决定

的相关基因，并通过转入模式体系揭示其功能；探索遗传工程技术改

良林木生长的新方法。

研究目标：获得约10个以上植物株型相关的突变体；克隆2-3个模式植物株型决定的关键基因，5-10个林木树形决定相关基因；鉴定3-5个基因对林

木树形决定中的效应，揭示林木树形决定的分子基础；建立关键基

因在改良林木生长中的新方法。在本领域相关国际学术杂志上发表

12-16篇SCI论文；其中在国际一流杂志（IF>10）发表论文1-2篇，在

国际有影响力的杂志（IF>5）上发表论文5篇以上，申请发明专利3-5

项；培养博士后4-6名，硕士和博士研究生16-20名。

经费比例：14.5％

课题四、优质林木抗逆生长的功能基因组学

承担单位：中国科学院植物研究所

负责人：王晓茹研究员

学术骨干：曾庆银、杨海灵、陆海、董玉柱、潘锦、毛建丰、蔡清

研究内容：从基因组、转录组、功能基因组三个层次上，开展林木抗逆的细胞转录组以及逆境生长关键基因或基因家族的功能研究，揭示林木逆

境反应的调控机制：采用Solexa测序技术，建立逆境条件下不同组织

的转录组，揭示林木在逆境下不同组织的转录组差异；研究与干旱、

高寒、盐碱、污染等逆境相关的基因、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；克隆与

逆境相关的关键基因或基因家族，尤其是海藻糖合成代谢与GST相关

基因等，表达和纯化相关蛋白，并研究蛋白质结构和功能，进而将

这些基因转入模式生物进行体内功能研究。

研究目标：建立逆境胁迫下不同组织和细胞的转录组；揭示林木对逆境胁迫下全基因组的表达调控网络；阐释逆境胁迫下的转录调控机制。分离、

鉴定并克隆与逆境生长关键基因或基因家族，并揭示其表达产物即

蛋白质的结构与功能，从体外（in vitro）和体内（in vivo）两方面全

面揭示其抗逆生长功能。在林木抗逆研究领域的国际主流杂志上发

表SCI系列论文12-17篇，其中国际一流杂志（IF>10）2篇以上；（IF>5）

论文5篇以上，培养博士和硕士研究生10-15名。

经费比例：14％

课题五、杂种林木超亲速生性状的形成和固定的基因组学

承担单位：南开大学、中国科学院植物研究所

负责人：宋文芹教授

学术骨干：林金星、王春国、陈成彬、陈力、李秀兰、许文胜、郝怀庆、陈彤

研究内容：采用杂种速生针叶和阔叶模式树种为对象，开展杂种林木超亲优良性状形成、固定与繁育的分子机理研究。通过转录特征、表观遗传调控

和功能分析，揭示杂种林木超亲优良性状形成机制，发现并克隆相关

的基因；分析基因差异表达谱，构建不同组织、不同发育时期的基因

组甲基化谱；研究基因组重排、共线性缺失、等位基因互作、转座子

激活在超亲速生性状形成中的作用机理；探究杂种速生林木优良性状

的固定途径和基因调控因子；揭示杂种速生优质林木繁育的遗传基

础，分离并鉴定相关基因。为杂种超亲速生林木的利用奠定基础。研究目标: 获得参与杂种速生林木优良性状形成、固定与繁育调控的相关基因，揭示相关基因的结构、功能及在染色体上的定位；揭示相关基因的转

录调控机制及DNA甲基化变化特征；阐释优良性状发生规律和固定

途径，从基因组水平揭示优良性状固定维持的内在机制，创新优良性

状的固定与繁育途径。在国际相关SCI刊物上发表文章10-14篇：IF>5

以上的文章3-5篇，申请2项以上发明专利，培养研究生20-30名。经费比例：12.5％

课题六、杂种林木无性系与干细胞繁育的分子调控系统

承担单位：中国林业科学研究院

负责人：齐力旺研究员

学术骨干: 孙晓梅、李新民、杨文华、杨秀艳、史胜青、王建华

研究内容：以现有的杨树（Populus）、落叶松（Larix）速生及其对照无性系，模拟生命状态下落叶松胚性干细胞人工调控发育模型，构建不同生长速

率并能够稳定遗传的细胞系，根据生产上存在的生长速率不稳定遗传

的实践问题，构建不同程度的不稳定遗传的生长速率细胞系。在细胞

和个体水平上，采用miRNA、基因芯片、实时荧光定量PCR及荧光

原位杂交技术，纵向（从速生到不速生）和横向（从稳定到不稳定）

研究miRNA及其目标基因的表达和生长速率之间及速生的稳定性之

间的关系。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；通过miRNA inhibitor和sense/antisense RNA等技术，

人为改变（过量表达或印制其表达）这些相关miRNA及目标基因的

表达，从而在细胞水平上证明它们对速生性状的形成及遗传稳定性的

调控功能。进而用人工创制及天然选育的速生林木无性系或干细胞

系，在个体水平上，用QRT-PCR技术验证这些关键miRNA及目标

基因对速生性状的形成及其稳定性调控的普遍性；揭示miRNA及目

标基因在林木速生无性系生长过程中的调控规律和分子机制。

研究目标：建立优化杨树速生无性系和落叶松胚性干细胞人工调控发育模型，揭示林木生长发育过程中关键基因表达和调控方式的时空变化格局，在

细胞水平上证明相关miRNA及其目标基因对速生性状的形成及遗传

稳定性的调控功能，确定关键基因表达的实时和定量数据；以miRNA

或显微切割方法，获得或鉴定速生性状关键基因及其在体外表达的证

据并做荧光原位定位。阐述林木速生优质无性系生长过程中miRNA

及其目标基因等在速生优质林木无性系生长过程中的调控规律和分

子机制。在国际相关SCI刊物上发表文章10-13篇：IF≥5以上的文章

3-5篇。申请2项以上发明专利。

经费比例：13.5％

课题七：速生优质林木的聚合育种与分子改良

承担单位：中国林业科学研究院

负责人：张守攻研究员

学术骨干：苏晓华、韩素英、费本华、张冰玉、黄秦军、黄敏仁、潘惠新

研究内容：采用分子诊断、RNAi、高通量干细胞繁育及分子育种等方法，突破林木遗传改良关键技术，与经典的林木遗传改良技术有机结合，建立

杨树、落叶松超高产、高抗逆、生长超速等所需目标高效稳定的技术

平台，转化课题一～六机理研究所分离的速生优质相关基因，研究杨

树、落叶松速生和优良性状形成的人工调控、品种改良及优良杂种稳

定的途径，构筑速生优质性状的分子诊断与预测体系。进行新种质创

制的示范研究，开创林木分子育种新模式。

研究目标：建立林木特有的分子育种与规模化繁育技术体系，解决杂种优良性状固定和繁育的技术瓶颈，建立3-5个超高产、高抗逆、生长超速等高

效稳定的技术平台，创制6-10个超高产、高抗逆、生长超速等林木新

种质。在国际相关SCI刊物上发表文章7-10篇，申请6个以上林木遗传

改良关键技术的发明专利或新品种注册权，在国际相关SCI刊物上发

表文章5-7篇。

经费比例：17％(包括项目管理机动费用、课题总结与学术研讨会等）

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

技术途径：

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。

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。

四、年度计划