山东省高校能源植物种质创新与改良重点实验室简介

实验室聚焦于山东省新旧动能转换重大工程-“十强产业”中的新能源，以改良和培育产量高、易降解的耐盐耐旱能源植物新种质为主要的研究目标，以期在关键研究环节上取得突破，为下游的能源植物产业化利用提供优良的原材料，服务于国家能源战略和黄河流域生态保护及高质量发展战略。

围绕研究目标，分解为四个研究方向：（1）能源植物生物量控制机理：研究能源植物生物量控制分子作用机理，鉴定生物量调控的关键功能基因；（2）能源植物品质改良机理：研究植物细胞壁形成的分子控制机理，鉴定生物质品质改良基因；（3）功能基因数据挖掘及分子设计：结合上述研究结果，利用生物信息学等方法，系统挖掘耐逆能源植物品质和生物量相关的功能基因，进行分子模块优化设计；（4）能源植物种质培育：结合分子模块优化设计的结果，综合利用分子育种与常规育种技术手段，培育高产、优质的耐逆能源植物新种质。

2012年以来，学校加大科研投入，依据国家《农业生物质能产业发展规划》要求，从海内外定向引进部分优秀人才，整合现有研究人员，组建了校级能源植物资源与功能基因研究人才团队。2015年，该团队成功入选山东省高等学校优势学科人才团队培育计划首批入选名单，2017年，重点实验室成功入选“十三五”山东省高等学校重点实验室，标志实验室在人才队伍建设、科研创新能力等方面实现了新的突破，取得了阶段性成果。目前，实验室现有固定研究人员48人，其中具有高级专业技术职务的27人，具有博士学位的34人。大多数团队成员来自于国内外知名高校或科研院所，其中4人具有海外留学、博士后研究或合作研究经历。

经过十多年建设，“十三五”山东省能源植物种质创新与改良高校重点实验室完成了较为丰厚的研究累积。在省级人才团队培育项目及近20项国家、省部级项目的支持下，目前实验室已形成了明确的研究定位和目标，制定了较为成熟的研究策略和规划，积累了充足的研究材料和资源，并在植物器官大小调控、细胞壁形成机理及植物环境应答机制等方面取得突破性进展，克隆到多个重要的生物质累积调控基因。多项成果发表在Plant Cell、Molecular Plant、New Phytologist、PLoS Genetics、Plant Physiology等国际著名杂志上。

能源植物生物量控制机理方向，我们首次揭示ZED1及其家族同源蛋白ZRKs是一类关键的植物生物量控制基因。ZED1和ZRKs感知外界温度变化，在细胞核内与转录因子TCPs相互作用，通过调控SNC蛋白的表达，控制了茎的生长，在近细胞膜侧与SZE1互作介导植物的免疫应答反应，这些结果发表在植物学国际顶级杂志New Phtologist和Plant Cell & Environment上。我们前期工作还发现植物特有转录因子IDD14、IDD15和IDD16通过改变生长素在植物器官内的分布，影响了拟南芥器官的发育，揭示了植物生长素空间分布和器官发育的一个新机制。相关研究结果发表在国际知名期刊PLoS Genetics上。近来，我们更深入的研究结果表明这三个IDD14、IDD15和IDD16与多个重要蛋白相互作用，参与植物地上器官的生物量控制和对逆境的应答过程。此外我们还在拟南芥和水稻中鉴定到TCPs、AIGs、HTGs、SMO2、OsXET和OsRWC3等多个生物量调控和逆境应答基因。相关结果在Plant Journal，Journal of Experimental Botany等国际期刊上发表，授权国家发明专利5项。

能源植物品质改良机理方向，我们以模式植物拟南芥为研究材料，发现拟南芥囊泡运输转运蛋白EXO70家族参与了细胞特异的囊泡运输过程，该研究将胞内运输机制和植物次生壁形成关联起来，前期成果已经发表在了Plant Physiology和Plant Cell，引起了国内外同行的关注；为了进一步研究囊泡运输机制参与次生壁物质沉积的分子机理、挖掘植物次生壁形成的关键基因，本实验室在成功建立了一个体外导管细胞诱导体系（国家发明专利：ZL201611019431.8），在单细胞水平上对植物导管细胞次生壁的形成（特别是木质素的累积）过程进行了研究，发现EXO70家族家族的一个成员EXO70A1特异的参与了导管细胞次生壁木质素的累积过程，是植物次生壁形成的关键基因。

功能基因数据挖掘及分子设计方向，我们已完成拟南芥和玉米的不同组织在不同发育阶段以及不同胁迫条件下转录组、代谢组和蛋白质组等功能基因组学数据的收集整理，并初步完成了能源植物品质和产量功能基因挖掘算法的开发，另外完成了能源植物品质和产量功能基因数据库的设计；同时与国内外多家科研机构合作，多篇学术论文正在整理、发表中。

能源植物种质资源培育与选育方向，我们已建立了玉米转化体系，正将一些重要的生物质品质和产量的控制基因转化到玉米体系中，预期培育出几个玉米秸秆高产、高效利用的新玉米品种；在耐盐能源植物研究方面，我们已经引种收集了多份具有能源植物开发潜力的耐盐植物，其中不乏多种植物具有较高的生物量或经济器官产量并且可以大量积累淀粉或脂类物质，可望形成新品种；建立了完善的高通量组分分析平台，对获得的能源植物新种质进行系统的成分分析。

综上所述，实验室已为能源植物种质创新研究奠定了坚实的工作基础，尤其是在近三年来，承担6项国家自然科学基金项目，已发表SCI论文31篇、授权国家发明专利9项，取得了一批标志性的科研成果：(1)发现ZED1、ZRKs、TCP14、TCP15、TCP16等是控制植物生物量的重要因子，相关结果发表在国际著名期刊Molecular Plant、New Phytologist、Plant Cell & Environment上，授权国家发明专利5项；（2）在国内首次成功建立了一个体外导管细胞诱导体系，利用该体系成功揭示EXO70家族的EXO70A1是决定植物次生壁形成的关键基因，相关研究结果已获批一项国家发明专利；（3）筛选获得几个抗逆的能源植物新种质，建立了它们的基因转化再生体系，目前已获批一项国家发明专利；建立纤维素降解效率评价体系，目前已在国际著名期刊Applied Microbiology and Biotechnology发表相关论文一篇。

上述研究结果在国内外同行所关注，文章发表后，已被引用近五百次，“科学网”“新浪网”对部分研究成果进行了报道。这些成绩推动了带动了生物学学科与专业建设的快速发展，2015年依托实验室组建的“生物质品种改良”团队成功入选山东省高等学校优势学科人才团队培育计划首批入选名单，2016年生物科学专业群于2016年获山东省高水平应用型建设培育专业立项，2017年实验室成功入选山东省“十三五”高校重点实验室，2018年生物科学人才培养模式的探索实践获得山东省省级教学成果一等奖，2019年生物科学专业入选山东省一流本科专业，2020年园林植物分子育种实验室入选济南市工程实验，2021年生物科学专业入选国家一流本科专业建设点。

除了推动专业发展和学科建设外，能源植物种质创新与改良重点实验室还对自然生境下抗逆性强的能源植物品种进行评价和筛选，同时开展植物次生壁物质沉积、器官发育与抗逆等机理研究，进而将通过分子设计和遗传改良获得潜在的优良能源植物新种质，并对选出的能源植物新种质进行抗逆性及发酵效率等方面的鉴定和评价，为产业化利用提供优良的种质资源。

2022年9月

初审：段广有

终审：崔大勇