植物胚乳发育及储藏物质累积的分子调控机制研究

项目名称： 植物胚乳发育及储藏物质累积的分子调

起止年限：

依托部门：控机制研究 薛红卫 中国科学院上海生命科学研究院 2012.1至2016.8 上海市科委 中国科学院 首席科学家：

一、关键科学问题及研究内容

植物胚乳发育的研究一直是植物生殖发育研究和作物遗传育种关注的热点，但对于其发育调控的具体分子机制尚不十分清楚，控制胚乳发育的关键基因也鲜有报道。本项目将瞄准这一科学前沿，以阐明胚乳发育和储藏物质积累的调控机制为重点，以培育优质作物重大需求为导向，系统研究植物胚乳发育的调控机理和分子调控网络，发掘被子植物早期胚乳发育中的关键基因，揭示其表达调控规律和生物学功能，深入探讨早期胚乳发育与合子和早期胚胎发生的相互关系。通过分离胚乳发育过程的关键控制基因和调控网络的构建，阐明胚乳储藏物质累积的分子调控机制。研究将进一步加深对植物胚乳细胞分化、发育和储藏物质累积等重要基础科学问题的了解。研究结果不仅对全面深入了解和揭示植物胚乳发育的分子调控机理具有重要意义，同时也将为作物产量和品质的分子改良奠定基础。

本项目拟解决的关键科学问题包括：

1. 建立胚乳早期发育的基因调控网络，揭示早期胚胎发育与胚乳发育之间互作的信号传导及调控机制；

2. 阐释胚乳发育的分子调控机理，揭示作物品质性状形成和改良的遗传基础和调控路径；

3. 界定表观遗传调控在胚乳发育和印记基因表达中的作用；

4. 阐明胚乳发育过程中淀粉与储藏蛋白等储藏物质累积与代谢的调控网络及环境因子(高温)影响胚乳淀粉等储藏物质累积的分子机理。

主要研究内容：

本项目将从胚乳早期分化的调控机理、胚乳发育过程中的遗传调控机理、胚乳发育过程中的表观遗传调控和胚乳中储藏物质累积的分子调控机制四个方面开展研究。具体内容包括：

(一) 胚乳早期分化的调控机理

1. 早期胚胎对胚乳发育的调控机制

构建合子特异表达基因DD45启动子驱动的显性抑制(dominant negative，

DN)DN-ROP2的突变表达载体，利用rop2突变体为背景进行转基因，筛选可能参

与ROP2信号通路并调控合子极性建成的基因，以期建立ROP信号通路调控合子极性建成的分子机制。利用诱导型启动子在胚胎发生早期的不同阶段诱导显性抑制DN-ROP2和组成型激活CA-ROP2的表达，观察胚胎和胚乳表型，确定ROP2信号调控胚胎和胚乳发育的具体时期和相关机制，揭示ROP信号调控合子的极性建立并影响胚乳早期发育的分子机制。

2. 早期胚乳对胚胎发育的调控机制

为了验证胚乳核在激活早期合子发育中的功能，利用前期研究获得的两例合子激活及早期胚乳发育均有缺陷的拟南芥突变体poe1(parent of origin effect 1)和poe2，通过与胚乳中特异表达的FIS2-GUS marker line杂交，观察poe1和poe2突变体中胚乳发育过程，系统分析和验证POE1和POE2在早期胚乳的核分裂过程中的功能，深入探讨上述蛋白通过胚乳发育调控合子激活的可能分子机制。通过获得拟南芥和/或水稻早期胚乳细胞分裂和分化的若干突变体，在克隆并获得其相关的若干重要基因的基础上, 对拟南芥和水稻胚乳早期发育特性进行比较研究。

3. 胚乳感知胚胎信号的研究

有证据表明胚乳的发育受到胚胎和珠被信号的调控，而胚乳对这些信号的感知很可能由RLK(receptor-like kinase)介导的。对胚乳RLKs进行系统进化树分析，从中挑选在胚乳中高表达或表达相对特异的代表性RLKs。克隆胚乳表达的RLKs基因，通过突变体和转基因分析鉴定参与胚乳生长发育调控，并参与胚胎信号感知的关键RLK基因。

4. 细胞分裂相关基因对早期胚乳发育调控的研究

筛选和克隆早期胚乳核分裂及细胞化过程中细胞分裂相关的重要基因，研究目标基因的表达调控规律，揭示它们在早期胚乳核分裂及细胞化过程中的调控机制。研究早期胚乳核分裂和细胞化过程中DNA复制(En10)、DNA损伤修复(En46，En61)、蛋白质氨基酸修饰(En49，En62)等基因的生物学功能。通过系统分析细胞分裂相关基因的表达调控机制及其调控网络关系，揭示植物胚乳早期发育中细胞分裂相关基因的生物学功能及分子机制。

(二) 胚乳发育过程中的遗传调控机理

1. 胚乳发育调控关键基因、特异表达基因的分析和功能鉴定

通过水稻胚乳不同发育时期(如授粉后灌浆初期、灌浆旺盛的乳熟期和蜡熟期)转录组学的对比分析，以及表达模式、遗传学分析等手段，鉴定特异表达基因在水稻胚乳发育中的功能。克隆关键胚乳特征表达基因；获得胚乳关键候选基因的表达模式图谱；比较水稻和拟南芥胚乳发育关键调控因子的差异。

2. 水稻胚乳发育特征表达蛋白的鉴定及其调控网络解析

通过蛋白组学分析鉴定水稻胚乳发育相关的特征表达蛋白，并参照转录组学分析数据，对特定胚乳发育阶段(如灌浆旺盛期)的蛋白表达谱进行重点分析，系统分析特异表达蛋白编码基因在胚乳发育和淀粉累积中的功能，揭示水稻胚乳发育关键的调控蛋白，以及这些蛋白表达在调控胚乳细胞中淀粉体的排列和填充过程中的作用。进一步通过蛋白相互作用分析和表达调控基因下游靶基因的鉴定，构建胚乳发育基因调控途径和网络。

3. 水稻胚乳发育突变体的分离鉴定和功能基因调控途径分析

通过水稻胚乳发育后期(乳熟期和蜡熟期)籽粒灌浆异常突变体的分离和鉴定，发掘参与胚乳形成关键阶段的重要调控基因，进一步构建特定基因参与的水稻胚乳发育调控信号途径。综合利用已有的胚乳发育异常突变体che1-1(chalky endosperm1)，系统研究OsCHE1在调控胚乳发育中的功能，揭示水稻胚乳发育的关键调控节点和分子途径。

4. 激素调控水稻胚乳发育的机理研究

综合利用已有资源和技术平台，采用生物信息学、遗传学等手段，对激素调控水稻胚乳发育过程的分子网络进行深入研究，包括利用已获得的驱动水稻胚或胚乳特异表达的启动子驱动激素合成或信号相关基因在水稻胚或胚乳的特异发育阶段表达；系统研究激素在水稻胚乳发育及胚对胚乳发育影响中的调控作用。

5. 水稻胚乳发育和控制籽粒大小关键基因的QTL克隆及关键基因的调控机制

分离克隆控制水稻胚乳发育和籽粒大小的QTL或基因，阐明相关基因的功能，寻找与籽粒大小控制基因的互作蛋白，建立水稻籽粒发育的分子遗传调控途径。

(三) 胚乳中储藏物质累积的分子调控机制

1. 水稻胚乳淀粉累积及代谢调控的分子机制

以胚乳淀粉合成及其代谢途径为中心，利用具不同品质的水稻种质资源和相

关突变体库，并结合转基因等手段，研究淀粉合成代谢相关基因对胚乳发育及淀粉结构与稻米品质形成的影响；同时，进一步发掘鉴定胚乳发育和淀粉品质异常的种质资源或突变体，通过关联分析和基因定位等方法，鉴定并克隆影响淀粉成分和淀粉粒形成及其发育的相关基因，研究胚乳发育过程中淀粉累积与淀粉粒发育的分子机制及其调控机理。

2. 储藏蛋白和重要氨基酸累积与代谢的分子调控机制

借助突变体和转基因技术途径，调控水稻种子中主要储藏蛋白基因和重要氨基酸代谢相关基因的表达，分析储藏蛋白和重要氨基酸累积及其与胚乳发育和稻米营养品质形成的关系。同时，利用染色体单片段替换系等遗传分析材料，通过多点重复试验，克隆控制蛋白质含量的关键基因。

3. 胚乳淀粉等储藏物质累积与代谢的重要调控因子的克隆与功能解析

通过胚乳淀粉累积相关转录组学数据和水稻相关数据库的分析，筛选水稻胚乳特异表达相关转录因子，分析相应水稻突变体，并结合反向遗传学方法研究相关调控因子的生物学功能，阐明其在胚乳储藏物质累积与代谢中的作用机理。

4. 胚乳淀粉等代谢相关基因响应高温胁迫的调控机制

对高温影响淀粉合成相关关键酶基因的表达、活性和功能进行系统的综合分析。鉴定水稻胚乳淀粉合成关键酶基因的启动子和相关的顺式元件，为分离参与淀粉代谢关键酶基因响应高温胁迫的转录因子建立基础。

(四) 胚乳发育过程中的表观遗传调控

1. 水稻胚乳发育DNA甲基化谱的构建及相关基因参与胚乳发育调控的功能研究

通过MeDIP-sequencing方法在全基因组水平对胚乳发育过程的甲基化水平变化进行系统的综合性分析，同时结合相关基因表达谱的分析，筛选胚乳发育中受表观修饰特异表达的候选基因，进行功能鉴定，研究其调控胚乳发育的分子机制。基于获得的胚乳甲基化谱分析数据，利用杂交稻为材料，从胚乳发育的角度，研究表观修饰表达的基因在杂种优势形成中的作用。

2. 水稻胚乳发育相关DNA甲基化酶和去甲基化酶的功能验证

通过同源比对，分析水稻中DNA甲基化酶和去甲基化酶基因，通过分子生物学与生物化学等方法分析候选基因在胚乳发育中的功能，研究可能存在的调控水稻胚乳发育基因表达的甲基化和去甲基化调控途径。

3. 水稻胚乳发育基因表达的DNA与组蛋白甲基化修饰的协同调控分析

基于建立的水稻种子胚乳发育的DNA甲基化谱，并结合组蛋白甲基化程度分析，比较分析和研究DNA与组蛋白表观遗传修饰调控胚乳发育相关基因表达的差异和关联性，对以上两种表观遗传修饰途径调控胚乳发育基因的特征进行界定。通过同源比，以拟南芥中参与表观遗传调控的基因作为候选基因，分离水稻中DNA甲基化酶和去甲基化酶基因，利用T-DNA插入突变体和转基因策略，开展水稻和拟南芥胚乳发育过程中DNA与组蛋白表观遗传修饰功能的比较研究。

4. 高温胁迫对胚乳发育相关基因表达的表观遗传调控的影响机制

利用籼稻、粳稻为材料，根据上述研究中建立的胚乳发育相关基因的表观遗传调控分析数据，针对关键目标基因，研究其表达水平响应高温胁迫的变化，同时分析目标基因表观遗传修饰对粳稻胚乳灌浆影响的分子机制。

5. 水稻胚乳发育相关sRNAs的功能研究

利用大规模平行信号测序技术(MPSS)测定了水稻种子中的sRNAs组成，发现sRNAs可能通过抑制种子中转座子的跳跃，或者参与基因组印记而影响种子胚乳的发育过程。根据已有的研究结果，继续深入分析和鉴定sRNAs在种子发育特别是胚乳发育中的功能和作用。

二、预期目标

总体目标：

通过项目的实施，提升我国在植物发育生物学和生殖生物学胚乳发育研究领域中的国际地位和竞争力，加强我国在农业科技方面的自主创新能力，培养一批高水平的植物发育和生殖科学研究的专门人才，为我国主要农作物产量及品质的分子改良育种提供理论和技术指导。

五年预期目标：

本项研究拟以水稻和拟南芥为材料，基于已有研究基础，综合分子生物学、遗传学、细胞生物学、生物信息学等技术，在胚乳发育调控关键基因及其调控网络、胚乳储藏物质累积及其调控机制方面开展系统研究，发掘一批控制植物胚乳和胚胎发育的重要功能基因，揭示水稻胚乳发育调控的遗传网络及表观遗传调控胚乳特异表达基因的机理，阐明水稻胚乳发育过程中淀粉和蛋白等储藏物质累积的分子调控机制，为通过分子设计进行稻米的高产育种和品质改良提供理论依据、遗传基础和技术创新途径。

具体指标包括：

1、分离克隆30-40个控制胚乳发育和主要储藏物质累积与代谢的重要功能基因和控制元件；

2、初步阐明植物胚乳早期分化、胚乳发育的遗传与表观遗传调控机制；

3、初步阐明胚乳储藏物质累积及其调控的分子机理；

4、 在国际主流学术杂志发表高水平论文30篇以上(其中Plant Cell及以上论文6篇以上)，累计影响因子达到150以上；

5、申请相关发明专利4-7项；

6、培养本领域的学术带头人3-5人，培养博士研究生10-15人，形成一支优秀的科研团队。

三、研究方案

(一)研究方案和技术路线：

1. 总体研究方案：

2. 学术思路：

胚乳作为为胚胎生长提供营养物质的组织，在种子发育过程中起到至关重要的作用。在植物生殖发育生物学研究中，胚乳因其结构特殊、部位重要而成为一个优良模式系统。本项目重点研究胚乳发育过程中的基因调控机理和网络，初步阐明它们与其它途径互作的分子机制；研究早期胚乳发育和胚胎发育之间存在的互作关系和调控机制；探求胚乳感应来自胚胎和母体组织信号的分子途径。以水

稻为模式，揭示胚乳发育关键基因的激素信号调节通路和表观遗传调控机制，对于胚乳发育的精确遗传调控路径和节点进行全面的阐释和解析，建立胚乳发育的遗传调控网络。水稻胚乳发育及其储藏物质合成等生物学过程是决定水稻产量与品质的重要基础。本项目的另外一个重要研究目标是阐明种子发育过程中淀粉与储藏蛋白累积与代谢的调控网络，揭示水稻产量与品质这两大复杂经济性状形成的分子机制，为水稻高产与优质育种提供理论与技术基础。

3. 技术途径：

（1） 胚乳早期分化的调控机理

(a) 利用生物信息学的手段，寻找胚乳特异和优先表达基因，并对基因功能进行

生物信息学分析；获得早期胚乳细胞分裂和分化相关的突变体，研究其相关基因的生物学功能。

(b) 利用胚乳特异表达的启动子驱动基因表达，通过转基因，探讨候选基因在胚

乳发育过程中的作用。

(c) 利用显微切割技术分离获得早期发育的胚乳和胚胎组织，获得早期胚乳和胚

胎发育的基因表达谱。

(d) 采用Real time-PCR和Northern杂交等实验技术，研究早期胚乳细胞分裂和

分化相关基因的时空表达模式；采用原位杂交技术对相关基因转录水平的表达进行组织定位和分析；采用启动子和GFP/GUS基因融合的方法，研究它们的表达模式和表达规律。

(e) 采用体外表达系统获得并纯化早期胚乳细胞分裂和分化相关基因的蛋白产

物，通过免疫技术制备抗体；采用免疫组织化学技术，对不同发育时期的早期胚乳进行组织和细胞定位及分析，研究早期胚乳发育相关基因表达产物的分布规律和特点；同时利用体内外表达系统，表达或纯化早期胚乳发育相关基因所编码的蛋白，研究它们的生化功能。

(f) 采用酵母双杂交、双分子荧光互补、染色质免疫共沉淀等技术，寻找并分析

与早期胚乳细胞分裂和分化相关基因有互作的蛋白；确定它们的上/下游基因，揭示这些基因与其它相关基因的网络关系，探讨它们在调节和维持早期胚乳细胞分裂和分化中的功能。

（2）胚乳发育过程中的遗传调控机理

(a) 通过水稻胚乳不同发育时期转录组学的对比分析，鉴定具有明显胚乳发育、

成熟动力学特征的表达基因；通过报告基因或原位杂交技术分离和鉴定胚乳特异表达的水稻基因启动子。

(b) 对于胚乳发育特异表达候选基因，通过分离相应编码基因的突变体、RNAi

和过表达转基因植株，鉴定特异表达基因在水稻胚乳发育中的功能。

(c) 通过蛋白组学分析鉴定水稻胚乳发育相关的特征表达蛋白；对特定胚乳发育

阶段(如灌浆旺盛期)的蛋白表达谱进行重点分析，通过质谱鉴定特征表达蛋白的序列。

(d) 利用酵母双杂交、Co-IP以及染色质免疫共沉淀等技术，鉴定胚乳发育关键

调控因子的互作蛋白以及下游的调控靶点基因。

(e) 利用已获得的驱动水稻胚或胚乳特异表达的启动子在胚乳特异发育阶段表达

激素合成或信号相关基因，系统研究激素在水稻胚乳发育中的调控作用。 (f) QTL定位、克隆水稻胚乳发育和控制籽粒大小形成的关键基因；利用酵母双

杂交等技术筛选与籽粒大小控制基因的互作蛋白。

（3）胚乳中储藏物质累积的分子调控机制

(a) 利用具不同品质的水稻种质资源和相关突变体库，并结合转基因等手段，研

究淀粉合成代谢相关基因对胚乳发育及淀粉结构与稻米品质形成的影响。 (b) 通过关联分析和基因定位等方法，鉴定并克隆影响淀粉成分和淀粉粒形成及

其发育的相关基因。

(c) 利用染色体单片段替换系等遗传分析材料，通过多点重复试验，克隆控制蛋

白质含量的关键基因。

(d) 借助芯片数据和水稻相关数据库，筛选水稻胚乳中特异表达的相关转录因子，

并结合分析相应水稻突变体，研究相关调控因子在胚乳储藏物质累积与代谢中的作用机理。

(e) 克隆淀粉合成关键酶基因的启动子，进而获得不同片段长度的启动子，并将

不同长度的启动子与GUS基因融合后转入水稻日本晴中，分离受高温诱导或抑制的顺式元件。

（4）胚乳发育的表观遗传调控

(a) 以日本晴与93-11为研究对象分别取受精后6天、12天的胚以及6天、16天

的胚乳，做MeDIP，IP产物通过Illumina 1G Genome Analysis高通量测序。 (b) 生物信息学分析测序数据再与基因表达谱结合，筛选出胚乳发育不同时期不

同亚种之间的DNA甲基化与基因表达的关联性，进一步研究受DNA甲基化调控的基因功能。

(c) 以拟南芥中同源基因为候选基因应用分子细胞分析，遗传筛选，生化分析等

方法鉴定水稻胚乳发育过程中的甲基化和去甲基化修饰调控基因表达的分子机制。

(d) 利用大规模平行信号测序技术(MPSS)测定了水稻种子胚乳中的sRNAs组成，

深入研究sRNAs在胚乳发育中的功能。

(e) 基于建立的水稻种子胚乳发育的DNA甲基化谱，并结合组蛋白甲基化程度

分析，比较分析和研究DNA与组蛋白表观遗传修饰调控胚乳发育相关基因表达的差异和关联性。

(二) 本项目的特色与创新之处

(1) 科学问题研究前沿性与国家需求的结合：本项目以解决我国粮食的重大需求

为导向，瞄准学科发展的前沿，凝炼研究目标和内容，深入揭示胚乳发育的调控机制及其网络关系。

(2) 关键科学问题研究的创新性：被子植物胚乳发育是一个种子发育中相当重要

的阶段，从中央细胞和卵细胞开始接受来自父本的精子并起始双受精，受精后首先启动胚乳细胞分裂、增殖和分化，其后伴随着合子分裂和发育，二者的相互关系极其重要。虽然雌配子体的中央细胞和卵细胞接受来自同一花粉管中的精细胞，但具有根本不同的发育命运。本项目通过系统研究，旨在揭示早期胚乳细胞的发育调控机制及胚乳早期发育与合子早期发育之间的互作关系，胚乳发育的遗传调控和表观遗传调控机制，以及储藏物质累积的机理，具有重要的科学意义。

(三)优势特色与可行性

优势特色：

(1) 项目研究内容涵盖了胚乳发育的早期分化，胚乳特异组织形成直至储藏物质

累积的整个发育过程。以往的大多数研究主要是针对胚乳发育后期淀粉累积

突变体的分析而展开，往往关注突变基因在某个特定发育节点的功能研究。以上的研究现状造成人们对于胚乳发育调控机制认知的局限性。本项目分别以拟南芥和水稻为模式植物，较为系统地全面分析和阐述胚乳发育各个特定阶段的时空发育调控特性，分别鉴定各个阶段的特异表达基因和发育调控因子，并对各个特异发育阶段的调控路径进行全方位的综合分析，以期建立胚乳发育调控的整个遗传网络。

(2) 表观遗传调控研究是目前植物发育生物学研究领域的热点和前沿领域。本项

目的研究以建立水稻全基因组甲基化图谱和分离胚乳发育相关小RNA为出发点，系统研究胚乳发育中的表观遗传调控机制。以上的研究内容着眼于在胚乳发育调控研究的前沿取得突破性进展，为胚乳发育调控和后续的水稻品质性状改良提供新的手段和调控靶点，增加以生物技术为主要手段的作物品质分子改良体系的多样性和可行性。

(3) 水稻作为重要的农作物和模式植物，人们对于其胚乳发育调控的认识还十分

有限。本项目除胚乳发育早期分化研究利用拟南芥为模式植物外，其他科学问题的探索均以水稻为模式植物展开，项目的实施将建立以水稻为主体的胚乳发育调控模式，这方面的研究成果和突破性研究进展将极大地提升我国在这一研究领域的前沿领导地位。与此同时，以水稻为模式建立的胚乳发育调控网络，将为分子设计育种提供理论指导和技术解决途径。

可行性分析：

(1)项目团队成员具有较为深厚的研究基础和长期的研究积累

项目首席科学家和各个课题的研究骨干在胚乳发育和淀粉累积代谢调控方面已经建立了较为成熟的研究体系和技术平台。尤其是中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所薛红卫课题组在国家973项目“水稻重要农艺性状的功能基因组和分子基础研究”子课题“胚乳发育和种子形成”以及科技部“水稻突变群体的建立”等项目的资助下，系统研究了水稻种子发育相关转录因子的表达谱及在种子发育中的作用；分离鉴定了大量水稻种子发育阶段的miRNA并研究了其表达规律。发表了多篇与水稻种子发育和转录因子调控相关的研究论文。“水稻优质、抗逆功能基因组学研究”获上海市科技进步奖二等奖(2005年度)。项目组其他研究骨干成员已经获得了大量的水稻胚乳发育相关突变体，并对部分

突变体进行了遗传定位，克隆了相关基因。项目组中中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态所相关课题组长期从事“水稻蜡质基因表达调控”、“水稻组织特异性表达基因及其启动子的分离”等方面的研究，在国际上最先报道关于水稻蜡质基因转录水平调控的分子机制；在水稻中建立了promoter trap系统，为分离参与水稻胚乳发育和种子形成的特异基因提供了强有力的技术平台。项目团队中扬州大学相关课题组长期从事水稻品质性状遗传及分子育种研究，在水稻高效转基因技术体系、稻米食用和营养品质遗传与改良等方面开展了较为系统的研究工作。上述研究基础为本项目的顺利实施提供了必要保证，研究团队已有有关胚乳发育方面的转录组学分析数据、突变体资源和研究体系为项目在较短时间内取得突破性进展提供了可能性。

(2)项目依托于四个国家级重点实验室，为开展研究提供了强有力的技术支撑和研究平台

本项目依托于中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所“植物分子遗传国家重点实验室”，北京大学“蛋白质和植物基因研究国家重点实验室”，中国科学院遗传与发育生物学研究所“植物基因组学国家重点实验室”，武汉大学“杂交水稻国家重点实验室”。上述国家重点实验室拥有大型植物代谢分析平台和各种大型的分子生物学及生物化学设备和技术平台，尤其是具有多种开展胚乳发育细胞学研究所需的各种电子显微镜和激光共聚焦显微镜仪器平台和有经验的工作人员，具有长期从事植物生殖与发育生物学研究的试验体系和技术储备。

(3)项目团队聚集了国内胚乳发育研究相关领域的学术带头人和骨干

根据项目的研究目标、研究内容和相关课题组的研究积累和既有成果，项目负责人和参加的科研骨干涵盖了国内在植物胚乳发育生物学研究领域的主要研究力量，其中包括国家杰出青年基金获得者1人，中国科学院高层次人才(千人计划)入选者1人，中国科学院百人计划入选者2人，省市学科带头人和各专业学会学科带头人作为本项目研究骨干。

(四)课题设置

课题间关系示意图：

课题四

项目拟设置四个课题：

(1)植物胚乳早期分化的调控机理；

(2)胚乳发育过程中的遗传调控机理；

(3)胚乳中储藏物质累积的分子调控机制；

(4)胚乳发育过程中的表观遗传调控。

这四个课题的设置充分体现了胚乳发育各个阶段的特性，研究内容涵盖了早期分化、细胞组织特化成熟和储藏物质累积等重要的胚乳发育关键阶段，并着重突出了关于胚乳发育表观遗传调控机制的研究，以期在胚乳发育研究领域的前沿取得突破性的研究进展。四个课题组间相互衔接、相互联系，课题1-3的研究内容界定主要是根据胚乳发育的进程来划分，主要针对各个特定发育阶段的特征和储藏物质代谢调控节点设计，重点解析胚乳发育的调控网络关系。课题1早期发育阶段的研究，可以为课题2的灌浆与发育协同调控研究提供胚乳细胞分裂和快速增殖方面的关键基因和调控节点；课题2灌浆早期调控关键基因和调控路径的建立，将为课题3的储藏物质累积调控提供关键的调控靶点基因和进行储藏物质累积动力学分析的遗传依据；课题4的表观遗传调控研究，通过全基因组甲基化课题三

图谱的分析和胚乳发育相关小RNA的鉴定，将为其他三个课题从表观遗传调控的角度，提供新颖的和代表领域前沿的研究视角和切入点，将极大提高其他课题取得突破性研究进展的可能性。与此同时，其他三个课题有关表观遗传调控基因和蛋白的鉴定，也为丰富胚乳发育的表观遗传调控机制提供必要的遗传基础和信号调控途径。

课题一、植物胚乳早期分化的调控机理

设置思路：本课题拟围绕植物胚乳发育，着重研究胚乳发育过程中关键蛋白的生物学功能，阐明胚乳发育和胚胎发育互作的分子调控机制及生物学意义。

主要研究内容：本课题主要以拟南芥为材料，综合利用遗传学、细胞生物学、分子生物学、生物化学和基因组学等手段，重点研究胚乳发育过程中的基因调控机理和网络，初步阐明它们与其它途径互作的分子机制；研究早期胚乳发育和胚胎发育之间存在的互作关系和调控机制；探求胚乳感应来自胚胎和母体组织的信号的分子途径。

预期目标：

1、鉴定2-4个ROP2信号通路成员和2-4个在胚乳中负责感知胚胎以及母体组

织信号的受体RLK基因；

2、解析ROP信号对合子极性建成及早期胚胎发生和胚乳发育之间的调控机制；

3、克隆胚胎和胚乳发育的关键基因10个，并对其中的3-5个基因进行详细的基

因结构、表达调控、基因功能等研究，建立相关调控网络；

4、国际著名学术刊物上发表有较大学术影响论文5篇，累计影响因子达30以上；

5、申请专利1-2项。

6、培养学术带头人2-3人以上，博士研究生10-15人，博士后3-5人。

课题承担单位：北京大学，中国科学院上海植物生理生态研究所，武汉大学 课题负责人： 刘敬婧，副研究员，博士，北京大学

主要学术骨干：顾红雅，教授，博士，北京大学

杨贞标，研究员，博士，上海植物生理生态研究所

赵洁，教授，博士，武汉大学

秦源，副研究员，博士，上海植物生理生态研究所

经费占比：占项目经费的24%。

课题二、胚乳发育过程中的遗传调控机理

设置思路：以水稻为模式，系统分析和鉴定胚乳灌浆初期和乳熟期等发育阶段的关键调控基因，揭示胚乳发育关键基因的激素信号调节通路，对于胚乳发育的精确遗传调控路径和节点进行全面的阐释和解析，建立胚乳发育的遗传调控网络。 主要研究内容：鉴定胚乳发育调控关键基因、特异表达基因和进行基因功能的系统分析；通过水稻胚乳发育特征表达基因和蛋白的鉴定，解析胚乳调控网络；分离和鉴定水稻胚乳发育突变体，对目标功能基因依赖的调控途径进行综合分析；进行激素调控水稻胚乳发育的机理研究；QTL定位克隆水稻胚乳发育和控制籽粒大小形成关键基因，并对关键基因的调控机制进行解析。

预期目标：

1、揭示胚乳发育(尤其是灌浆期)的遗传调控分子机制；

2、分离胚乳发育关键基因以及激素调控关键基因5-10个；

3、建立胚乳灌浆期特征蛋白表达谱，揭示蛋白表达的胚乳发育动力学规律；

4、申请国家发明专利1-2项；

5、在国际著名学术刊物上发表有影响的论文5-7篇，累计影响因子大于30；

6、培养博士研究生5名，博士后2名。

课题承担单位：中国科学院上海植物生理生态研究所

课题负责人： 郭房庆，研究员，博士，上海植物生理生态研究所

主要学术骨干：高继平，副研究员，博士，上海植物生理生态研究所

宋丽，副研究员，博士，上海植物生理生态研究所

经费占比：占项目经费的22%。

课题三、胚乳中储藏物质累积的分子调控机制

设置思路：水稻胚乳发育及其储藏物质合成等生物学过程是决定水稻产量与品质的重要基础。淀粉和储藏蛋白是水稻胚乳中最主要的两大储藏物质。因此，阐明种子发育过程中淀粉与储藏蛋白累积与代谢的多基因调控网络，将有助于我们认识水稻产量与品质这两大复杂经济性状形成的分子机制，为水稻高产与优质育种提供理论与技术基础。

主要研究内容：本课题主要以水稻为材料，基于已有研究基础，开展水稻胚乳主

要储藏物质累积及其代谢调控的分子机制研究。重点研究胚乳发育过程中控制淀粉、储藏蛋白和重要氨基酸等主要储藏物质累积与代谢的关键基因，分离相关基因中响应高温协迫等环境变化的顺式元件，阐明其分子调控机制；借助芯片数据和水稻相关数据库，鉴定水稻胚乳中特异表达的相关转录因子，通过水稻突变体研究相关调控因子的生物学功能，阐明其在胚乳储藏物质累积与代谢中的作用机理。

预期目标：

1、阐明水稻胚乳发育过程中淀粉和蛋白等储藏物质累积的分子调控机制，为通

过分子设计进行稻米的高产育种和品质改良提供理论、技术和物质基础；

2、分离克隆淀粉和储藏蛋白累积与代谢调控中的关键控制基因及相关调控元件

6-8个，结合分子育种选育一批优质水稻新品系；

3、发表SCI论文10篇以上，累计影响因子30以上；

4、申请发明专利2-3项；

5、培养研究生8-10名。

课题承担单位：扬州大学，中国科学院上海植物生理生态研究所，中科院遗传与发育生物学研究所，浙江省农业科学院

课题负责人： 刘巧泉，教授，博士，扬州大学

主要学术骨干：蔡秀玲，副研究员，硕士，中国科学院植物生理生态研究所

方 军，副研究员，博士，中国科学院遗传与发育生物学研究所

朱 英，研究员，博士，浙江省农业科学院

韦存虚，副教授，博士，扬州大学

经费占比：占项目经费的27%。

课题四、胚乳发育过程中的表观遗传调控

设置思路：本课题利用水稻为材料，综合遗传学、生物化学、转录组学、表观遗传组学、生物信息学等现代生物学研究手段和工具，研究水稻胚乳发育的表观遗传调控机制，揭示胚乳中受表观修饰特异表达基因的功能，为实现水稻产量和品质的分子调控提供理论依据和基础。

主要研究内容：本课题以粳稻日本晴与籼稻93-11为研究对象，在全基因组水平对胚乳发育过程的甲基化水平变化进行系统的综合性分析，同时结合相关基因表

达谱的分析，筛选胚乳发育中受表观修饰特异表达的候选基因，进行功能鉴定，研究其调控胚乳发育的分子机制。基于获得的胚乳甲基化谱分析数据，利用杂交稻为材料，从胚乳发育的角度，研究表观修饰表达的基因在杂种优势形成中的作用。在获得水稻胚乳不同发育时期的DNA甲基化谱的基础上，通过胚乳中受表观修饰特异表达基因功能的验证，阐明水稻胚乳发育过程中的表观遗传调控机理。

预期目标：

1、获得水稻胚乳发育的DNA甲基化表达谱；

2、分离胚乳中受表观修饰特异表达的基因5-10个；

3、研究参与表观修饰的酶及sRNA在胚乳发育中的调控作用；

4、揭示胚乳发育的表观遗传调控机理；

5、在国际著名学术刊物上发表有影响的论文5-8篇，累计影响因子大于40；

6、培养博士研究生5名，博士后2名。

课题承担单位：中国科学院上海植物生理生态研究所

课题负责人： 薛红卫，研究员，博士，上海植物生理生态研究所

主要学术骨干：邢梅青，助理研究员，硕士，上海植物生理生态研究所 经费占比：占项目经费的27%。

四、年度计划