山東省高校能源植物種質創新與改良重點實驗室簡介

實驗室聚焦于山東省新舊動能轉換重大工程-“十強產業”中的新能源，以改良和培育產量高、易降解的耐鹽耐旱能源植物新種質為主要的研究目標，以期在關鍵研究環節上取得突破，為下游的能源植物產業化利用提供優良的原材料，服務于國家能源戰略和黃河流域生態保護及高質量發展戰略。

圍繞研究目標，分解為四個研究方向：（1）能源植物生物量控制機理：研究能源植物生物量控制分子作用機理，鑒定生物量調控的關鍵功能基因；（2）能源植物品質改良機理：研究植物細胞壁形成的分子控制機理，鑒定生物質品質改良基因；（3）功能基因數據挖掘及分子設計：結合上述研究結果，利用生物信息學等方法，系統挖掘耐逆能源植物品質和生物量相關的功能基因，進行分子模塊優化設計；（4）能源植物種質培育：結合分子模塊優化設計的結果，綜合利用分子育種與常規育種技術手段，培育高產、優質的耐逆能源植物新種質。

2012年以來，學校加大科研投入，依據國家《農業生物質能產業發展規劃》要求，從海內外定向引進部分優秀人才，整合現有研究人員，組建了校級能源植物資源與功能基因研究人才團隊。2015年，該團隊成功入選山東省高等學校優勢學科人才團隊培育計劃首批入選名單，2017年，重點實驗室成功入選“十三五”山東省高等學校重點實驗室，標志實驗室在人才隊伍建設、科研創新能力等方面實現了新的突破，取得了階段性成果。目前，實驗室現有固定研究人員48人，其中具有高級專業技術職務的27人，具有博士學位的34人。大多數團隊成員來自于國內外知名高?；蚩蒲性核渲?人具有海外留學、博士后研究或合作研究經歷。

經過十多年建設，“十三五”山東省能源植物種質創新與改良高校重點實驗室完成了較為豐厚的研究累積。在省級人才團隊培育項目及近20項國家、省部級項目的支持下，目前實驗室已形成了明確的研究定位和目標，制定了較為成熟的研究策略和規劃，積累了充足的研究材料和資源，并在植物器官大小調控、細胞壁形成機理及植物環境應答機制等方面取得突破性進展，克隆到多個重要的生物質累積調控基因。多項成果發表在Plant Cell、Molecular Plant、New Phytologist、PLoS Genetics、Plant Physiology等國際著名雜志上。

能源植物生物量控制機理方向，我們首次揭示ZED1及其家族同源蛋白ZRKs是一類關鍵的植物生物量控制基因。ZED1和ZRKs感知外界溫度變化，在細胞核內與轉錄因子TCPs相互作用，通過調控SNC蛋白的表達，控制了莖的生長，在近細胞膜側與SZE1互作介導植物的免疫應答反應，這些結果發表在植物學國際頂級雜志New Phtologist和Plant Cell & Environment上。我們前期工作還發現植物特有轉錄因子IDD14、IDD15和IDD16通過改變生長素在植物器官內的分布，影響了擬南芥器官的發育，揭示了植物生長素空間分布和器官發育的一個新機制。相關研究結果發表在國際知名期刊PLoS Genetics上。近來，我們更深入的研究結果表明這三個IDD14、IDD15和IDD16與多個重要蛋白相互作用，參與植物地上器官的生物量控制和對逆境的應答過程。此外我們還在擬南芥和水稻中鑒定到TCPs、AIGs、HTGs、SMO2、OsXET和OsRWC3等多個生物量調控和逆境應答基因。相關結果在Plant Journal，Journal of Experimental Botany等國際期刊上發表，授權國家發明專利5項。

能源植物品質改良機理方向，我們以模式植物擬南芥為研究材料，發現擬南芥囊泡運輸轉運蛋白EXO70家族參與了細胞特異的囊泡運輸過程，該研究將胞內運輸機制和植物次生壁形成關聯起來，前期成果已經發表在了Plant Physiology和Plant Cell，引起了國內外同行的關注；為了進一步研究囊泡運輸機制參與次生壁物質沉積的分子機理、挖掘植物次生壁形成的關鍵基因，本實驗室在成功建立了一個體外導管細胞誘導體系（國家發明專利：ZL201611019431.8），在單細胞水平上對植物導管細胞次生壁的形成（特別是木質素的累積）過程進行了研究，發現EXO70家族家族的一個成員EXO70A1特異的參與了導管細胞次生壁木質素的累積過程，是植物次生壁形成的關鍵基因。

功能基因數據挖掘及分子設計方向，我們已完成擬南芥和玉米的不同組織在不同發育階段以及不同脅迫條件下轉錄組、代謝組和蛋白質組等功能基因組學數據的收集整理，并初步完成了能源植物品質和產量功能基因挖掘算法的開發，另外完成了能源植物品質和產量功能基因數據庫的設計；同時與國內外多家科研機構合作，多篇學術論文正在整理、發表中。

能源植物種質資源培育與選育方向，我們已建立了玉米轉化體系，正將一些重要的生物質品質和產量的控制基因轉化到玉米體系中，預期培育出幾個玉米秸稈高產、高效利用的新玉米品種；在耐鹽能源植物研究方面，我們已經引種收集了多份具有能源植物開發潛力的耐鹽植物，其中不乏多種植物具有較高的生物量或經濟器官產量并且可以大量積累淀粉或脂類物質，可望形成新品種；建立了完善的高通量組分分析平臺，對獲得的能源植物新種質進行系統的成分分析。

綜上所述，實驗室已為能源植物種質創新研究奠定了堅實的工作基礎，尤其是在近三年來，承擔6項國家自然科學基金項目，已發表SCI論文31篇、授權國家發明專利9項，取得了一批標志性的科研成果：(1)發現ZED1、ZRKs、TCP14、TCP15、TCP16等是控制植物生物量的重要因子，相關結果發表在國際著名期刊Molecular Plant、New Phytologist、Plant Cell & Environment上，授權國家發明專利5項；（2）在國內首次成功建立了一個體外導管細胞誘導體系，利用該體系成功揭示EXO70家族的EXO70A1是決定植物次生壁形成的關鍵基因，相關研究結果已獲批一項國家發明專利；（3）篩選獲得幾個抗逆的能源植物新種質，建立了它們的基因轉化再生體系，目前已獲批一項國家發明專利；建立纖維素降解效率評價體系，目前已在國際著名期刊Applied Microbiology and Biotechnology發表相關論文一篇。

上述研究結果在國內外同行所關注，文章發表后，已被引用近五百次，“科學網”“新浪網”對部分研究成果進行了報道。這些成績推動了帶動了生物學學科與專業建設的快速發展，2015年依托實驗室組建的“生物質品種改良”團隊成功入選山東省高等學校優勢學科人才團隊培育計劃首批入選名單，2016年生物科學專業群于2016年獲山東省高水平應用型建設培育專業立項，2017年實驗室成功入選山東省“十三五”高校重點實驗室，2018年生物科學人才培養模式的探索實踐獲得山東省省級教學成果一等獎，2019年生物科學專業入選山東省一流本科專業，2020年園林植物分子育種實驗室入選濟南市工程實驗，2021年生物科學專業入選國家一流本科專業建設點。

除了推動專業發展和學科建設外，能源植物種質創新與改良重點實驗室還對自然生境下抗逆性強的能源植物品種進行評價和篩選，同時開展植物次生壁物質沉積、器官發育與抗逆等機理研究，進而將通過分子設計和遺傳改良獲得潛在的優良能源植物新種質，并對選出的能源植物新種質進行抗逆性及發酵效率等方面的鑒定和評價，為產業化利用提供優良的種質資源。

2022年9月

初審：段廣有

終審：崔大勇