作者:陈欢欢 来源:中国科学报 发布时间:2016/12/26 10:25:58
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植物激素重大研究计划八年:从跟踪到超越

①李家洋(左二)院士指导实验。

②国内首个专业性植物激素分析平台。

③研究人员在实验室工作。

编者按:我国是农业大国,植物激素的基础生物学研究将为实现我国粮食安全和农业提质、增产、高效、抗逆等奠定基础。2007年,国家自然科学基金委员会启动了重大研究计划项目“植物激素作用的分子机理”。经过八年发展,在该计划支持下,我国植物激素研究取得一系列突破性进展,实现了从跟踪到超越的跨越式发展。近日,该重大计划通过验收,并获得“优秀”评估成绩。本期基金版通过总结该计划取得的经验及三项代表性的科研成果,以期充分展现这一重大项目。

■本报记者 陈欢欢

植物激素调控着植物生长的方方面面。目前,全球植物生长调节剂市场达几十亿美元,2015年我国使用植物生长调节剂的农田面积超过2亿亩。

然而,作为粮食大国,在十年前,我国却并不是植物激素研究大国。2007年,国家自然科学基金委员会(简称基金委)启动了重大研究计划项目“植物激素作用的分子机理”,目标瞄准促进我国植物激素研究的跨越式发展。

近日,该重大计划通过验收。经过八年发展,在该计划支持下,我国植物激素研究取得一系列突破性进展,实现了从跟踪到超越的跨越式发展。

应运而生

植物激素是植物体内合成的微量有机物质,控制着植物生长发育的方方面面。通过研究其结构和作用机制,可以人工合成类似效应的生长调节剂,提高农作物产量、品质和抗性。

项目总体负责人、指导专家组组长、中国科学院院士李家洋告诉《中国科学报》记者,植物激素是植物科学中的前沿和热点,涉及植物生长、发育、适应、抗逆等所有环节,除了具有基础研究的意义,还同农业生产直接相关。近年来随着植物分子生物学和基因组学的飞速发展,植物激素研究进入快速发展阶段。

自从上世纪30年代发现植物激素以来直至本世纪初,国际上植物激素研究形成了美国、欧洲和日本三足鼎立的格局。然而,2008年金融危机之后,这些国家大幅削减研究经费,相应的研究受到较大影响。

而在我国,对农业生产安全高效的需求日益强烈,“植物激素研究是国家有重大需求的基础性科学问题,恰逢从国外回来了一批从事相关研究的年轻科学家,加上基金委的远见卓识,这个项目应运而生。”李家洋告诉记者。

2007年,基金委启动了重大研究计划“植物激素作用的分子机理”(以下简称“计划”),成为生命科学学部支持的第一个重大研究计划。

资料显示,该“计划”在2011年国家自然科学基金委组织的重大研究计划中期评估中被评为优秀并获得5000万元追加经费;在2016年国家自然科学基金委组织的重大研究计划结束评估中被评为优秀。指导专家组和管理工作组对该计划的顶层设计和有效管理体现了基金委“有限目标、稳定支持、集成升华、跨越发展”的项目组织原则,为围绕核心科学目标组织重大科学项目提供了成功范例。

“这就给国外回来的人才提供了施展才华的机会。”项目组成员之一、中科院遗传与发育生物学研究所研究员李传友回忆道。

在国外大幅削减研究经费之时,我国大力度的支持令国际同行羡慕不已。李家洋表示,在我国,确保粮食安全、发展农业生产仍是重中之重。

突破瓶颈

项目启动前,我国的相关研究跟国际前沿差距较大。李家洋表示,这同植物激素研究的“门槛”有关。

当时,植物激素测定被美国、欧洲和日本的几个实验室所垄断,我国由于缺乏相关的人才、仪器设备和技术手段,不能独立地进行超微精准定量分析。

“当时只有两种办法。”李家洋回忆说:“一是用没有达到国际认可的方法做,成果无法刊登在有影响力的杂志上;二是去国外测定,受到很多限制,比如拖半年才测、要求共同第一作者等,有竞争关系的研究也不利于保密”。

针对这一瓶颈问题,项目一启动,指导专家组加强顶层设计,迅速促成了与化学学科的交叉合作,有针对性地在北京、武汉、长沙、大连等地布局了多个激素测定分析平台,快速建立了具有国际先进水平的激素常规测定技术体系,能够对所有已知激素进行精准超微定量分析,具备了为国内外科学家提供国际一流激素检测分析服务的能力。据不完全统计,激素平台为国内外科学家提供测定数据2.4万~2.7万份,合作发表高水平论文80余篇。

这一突破实现了我国植物激素检测分析“从无到有”和“从有到强”的跨越式发展,也奠定了全面提升我国植物激素研究总体水平的基础,确保“计划”取得了一系列重大突破。

不过,李家洋指出,未来还需要探索原位、实时、单细胞水平的激素测定和跟踪检测技术体系,“计划”结束后,如何对这些激素测定平台进行后续支持,实现更高水平的可持续发展是一个亟待解决的问题。

学科交叉出创新

值得一提的是,自“计划”组织实施以来,指导专家组和管理工作组围绕激素生物学与化学、信息科学、物理学等交叉领域的科学前沿,加强顶层设计,开展了一系列原始创新性研究。

“计划”的科学目标是:以模式植物为材料,综合采用多学科交叉的手段,从激素代谢、信号转导、激素间信号互作等不同的层面研究激素发挥其生物学效应的分子基础,阐明激素调控植物器官形成和对非生物环境适应性的分子机制,达到全面深入认识植物生长发育基本规律。

据李传友介绍,“计划”实施过程中,植物学研究实现了与化学、物理学、信息科学等学科之间的交叉。上述超微精准定量分析平台的建立就是同有机化学、无机化学、分析化学等相关学科的有效交叉。其次,与物理学交叉,通过引入结构生物学的研究手段,促进了激素受体的确定及受体蛋白空间结构的解析,有效推动了茉莉酸、独脚金内酯及脱落酸受体的鉴定及作用机理的阐明,使我国跃升为该领域的强国。第三,引入计算生物学的手段,有效推动了激素信号互作关键节点的发现和系统生物学机制的阐明。

此外,指导专家组充分发挥作用,紧密把握学科前沿,及时资助新的生长点。如在项目实施第三年,增加数据整合平台;2010年鼓励结构生物学家加盟植物激素研究,促进生物学家和结构生物学家的合作;2010年适时资助植物激素标准品的合成与提取纯化研究项目等。

从跟踪到超越

“计划”最初部署了6个研究方向,4年后又凝练整合为四大集成方向:植物激素代谢及修饰的生物学效应、植物器官发生的激素调控、植物对非生物逆境适应性的激素调控、植物激素检测分析。

李传友表示,“计划”启动之前,我国植物激素研究基本上处于跟踪国际先进水平的状态。通过努力,这四个方面都经历了从“跟踪”到“并行”到“总体水平上全面跻身世界先进水平”的跨越式发展。

计划启动前,我国对激素代谢及信号转导新途径、特别是激素受体的研究几乎是空白。计划结束时,发现了多条新的激素代谢、修饰新途径;发现并阐明了茉莉酸、独脚金内酯、脱落酸的受体及作用机理,在多数激素的代谢、信号转导机理研究中起引领或主导作用。

在激素调控植物生长发育的分子机理方面,计划启动前,我国在本领域的工作多为跟踪性研究。结束时,建立了独脚金内酯调控株型建成的基本框架模型;发现了棉纤维发育的激素调控新机理;发现了激素调控植物年龄和再生的新机理,在本领域的研究达到国际领先水平。

计划启动前,我国在激素调控植物对环境适应性的分子机制的工作多为跟踪性研究。计划结束时,在乙烯信号转导研究中取得一系列重大突破;发现了茉莉酸通过改变干细胞活性调控根系可塑性发育的新机制;发现了多种激素互作调控植物对逆境适应性的新机制。在本领域的研究与国际先进水平并行,在某些方面起主导和引领作用。

李家洋指出,与国外相比,我国有两个方面的优势,一是人才优势;二是研究材料以农作物为主,基础研究与应用研究紧密结合,有利于创新性成果的转移转化。

后来居上

由于中国在植物激素研究领域的崛起,目前国际上植物激素研究领域的发展态势呈现出新的趋势。

2005年之前,我国在《植物细胞》发表的有关植物激素研究的论文为零。而到2015年,我国在《植物细胞》上发表植物激素研究论文的实验室数目累计已经达到了36个,其中包括20个科学院研究所的实验室,主要分布于中国科院学遗传与发育生物学研究所、植物研究所和上海植物生理与生态学研究所等;包括高校的实验室16个,主要分布于北京大学、中国农业大学、清华大学、华中农业大学等。近两年(2014年和2015年)更是呈现井喷式的大发展,每年在《植物细胞》上发表的激素研究论文均在10篇以上。更为可喜的是,中科院遗传与发育生物学研究所、北京大学和清华大学的实验室还实现了在《自然》、《科学》和《细胞》等杂志上发表研究成果的突破。

李传友表示,目前我国无论从论文发表质量、数量还是人才队伍建设来看,都已经超越日本,成为与欧美比肩的另一个中心。

不过,我国植物激素研究领域也存在需要加强的薄弱环节,如:测定分析专业人才队伍的培养;激素调控植物干细胞建立、维持和分化机理的研究;植物激素作用机理的表观遗传学研究等。

放眼未来,李家洋指出,我国对已知九大植物激素的代谢、信号转导及作用机理有了较为深入的认识,下一步需要加强研究不同激素信号之间相互作用的机理,同时加强新的植物激素或生长调节物质的发现及相关研究。

李家洋提醒到,我国是农业大国,植物激素的基础生物学研究将为实现我国粮食安全和农业提质、增产、高效、抗逆等奠定基础,未来继续支持已经建立起来的检测平台和人才队伍至关重要。

 

《中国科学报》 (2016-12-26 第6版 基金)
 
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