植物激素調(diào)控著植物生長(zhǎng)的方方面面。目前，全球植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑市場(chǎng)達(dá)幾十億美元，2015年我國(guó)使用植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的農(nóng)田面積超過(guò)2億畝。
然而，作為糧食大國(guó)，在十年前，我國(guó)卻并不是植物激素研究大國(guó)。2007年，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（簡(jiǎn)稱基金委）啟動(dòng)了重大研究計(jì)劃項(xiàng)目“植物激素作用的分子機(jī)理”，目標(biāo)瞄準(zhǔn)促進(jìn)我國(guó)植物激素研究的跨越式發(fā)展。
近日，該重大計(jì)劃通過(guò)驗(yàn)收。經(jīng)過(guò)八年發(fā)展，在該計(jì)劃支持下，我國(guó)植物激素研究取得一系列突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了從跟蹤到超越的跨越式發(fā)展。
應(yīng)運(yùn)而生
植物激素是植物體內(nèi)合成的微量有機(jī)物質(zhì)，控制著植物生長(zhǎng)發(fā)育的方方面面。通過(guò)研究其結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制，可以人工合成類似效應(yīng)的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，提高農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性。
項(xiàng)目總體負(fù)責(zé)人、指導(dǎo)專家組組長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士李家洋告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，植物激素是植物科學(xué)中的前沿和熱點(diǎn)，涉及植物生長(zhǎng)、發(fā)育、適應(yīng)、抗逆等所有環(huán)節(jié)，除了具有基礎(chǔ)研究的意義，還同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)直接相關(guān)。近年來(lái)隨著植物分子生物學(xué)和基因組學(xué)的飛速發(fā)展，植物激素研究進(jìn)入快速發(fā)展階段。
自從上世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)植物激素以來(lái)直至本世紀(jì)初，國(guó)際上植物激素研究形成了美國(guó)、歐洲和日本三足鼎立的格局。然而，2008年金融危機(jī)之后，這些國(guó)家大幅削減研究經(jīng)費(fèi)，相應(yīng)的研究受到較大影響。
而在我國(guó)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全高效的需求日益強(qiáng)烈，“植物激素研究是國(guó)家有重大需求的基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題，恰逢從國(guó)外回來(lái)了一批從事相關(guān)研究的年輕科學(xué)家，加上基金委的遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)，這個(gè)項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。”李家洋告訴記者。
2007年，基金委啟動(dòng)了重大研究計(jì)劃“植物激素作用的分子機(jī)理”（以下簡(jiǎn)稱“計(jì)劃”），成為生命科學(xué)學(xué)部支持的第一個(gè)重大研究計(jì)劃。
資料顯示，該“計(jì)劃”在2011年國(guó)家自然科學(xué)基金委組織的重大研究計(jì)劃中期評(píng)估中被評(píng)為優(yōu)秀并獲得5000萬(wàn)元追加經(jīng)費(fèi)；在2016年國(guó)家自然科學(xué)基金委組織的重大研究計(jì)劃結(jié)束評(píng)估中被評(píng)為優(yōu)秀。指導(dǎo)專家組和管理工作組對(duì)該計(jì)劃的頂層設(shè)計(jì)和有效管理體現(xiàn)了基金委“有限目標(biāo)、穩(wěn)定支持、集成升華、跨越發(fā)展”的項(xiàng)目組織原則，為圍繞核心科學(xué)目標(biāo)組織重大科學(xué)項(xiàng)目提供了成功范例。
“這就給國(guó)外回來(lái)的人才提供了施展才華的機(jī)會(huì)。”項(xiàng)目組成員之一、中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李傳友回憶道。
在國(guó)外大幅削減研究經(jīng)費(fèi)之時(shí)，我國(guó)大力度的支持令國(guó)際同行羨慕不已。李家洋表示，在我國(guó)，確保糧食安全、發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍是重中之重。
突破瓶頸
項(xiàng)目啟動(dòng)前，我國(guó)的相關(guān)研究跟國(guó)際前沿差距較大。李家洋表示，這同植物激素研究的“門檻”有關(guān)。
當(dāng)時(shí)，植物激素測(cè)定被美國(guó)、歐洲和日本的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室所壟斷，我國(guó)由于缺乏相關(guān)的人才、儀器設(shè)備和技術(shù)手段，不能獨(dú)立地進(jìn)行超微精準(zhǔn)定量分析。
“當(dāng)時(shí)只有兩種辦法。”李家洋回憶說(shuō)：“一是用沒(méi)有達(dá)到國(guó)際認(rèn)可的方法做，成果無(wú)法刊登在有影響力的雜志上；二是去國(guó)外測(cè)定，受到很多限制，比如拖半年才測(cè)、要求共同第一作者等，有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的研究也不利于保密”。
針對(duì)這一瓶頸問(wèn)題，項(xiàng)目一啟動(dòng)，指導(dǎo)專家組加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，迅速促成了與化學(xué)學(xué)科的交叉合作，有針對(duì)性地在北京、武漢、長(zhǎng)沙、大連等地布局了多個(gè)激素測(cè)定分析平臺(tái)，快速建立了具有國(guó)際先進(jìn)水平的激素常規(guī)測(cè)定技術(shù)體系，能夠?qū)λ幸阎に剡M(jìn)行精準(zhǔn)超微定量分析，具備了為國(guó)內(nèi)外科學(xué)家提供國(guó)際一流激素檢測(cè)分析服務(wù)的能力。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，激素平臺(tái)為國(guó)內(nèi)外科學(xué)家提供測(cè)定數(shù)據(jù)2.4萬(wàn)~2.7萬(wàn)份，合作發(fā)表高水平論文80余篇。
這一突破實(shí)現(xiàn)了我國(guó)植物激素檢測(cè)分析“從無(wú)到有”和“從有到強(qiáng)”的跨越式發(fā)展，也奠定了全面提升我國(guó)植物激素研究總體水平的基礎(chǔ)，確保“計(jì)劃”取得了一系列重大突破。
不過(guò)，李家洋指出，未來(lái)還需要探索原位、實(shí)時(shí)、單細(xì)胞水平的激素測(cè)定和跟蹤檢測(cè)技術(shù)體系，“計(jì)劃”結(jié)束后，如何對(duì)這些激素測(cè)定平臺(tái)進(jìn)行后續(xù)支持，實(shí)現(xiàn)更高水平的可持續(xù)發(fā)展是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
學(xué)科交叉出創(chuàng)新
值得一提的是，自“計(jì)劃”組織實(shí)施以來(lái)，指導(dǎo)專家組和管理工作組圍繞激素生物學(xué)與化學(xué)、信息科學(xué)、物理學(xué)等交叉領(lǐng)域的科學(xué)前沿，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，開展了一系列原始創(chuàng)新性研究。
“計(jì)劃”的科學(xué)目標(biāo)是：以模式植物為材料，綜合采用多學(xué)科交叉的手段，從激素代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、激素間信號(hào)互作等不同的層面研究激素發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)的分子基礎(chǔ)，闡明激素調(diào)控植物器官形成和對(duì)非生物環(huán)境適應(yīng)性的分子機(jī)制，達(dá)到全面深入認(rèn)識(shí)植物生長(zhǎng)發(fā)育基本規(guī)律。
據(jù)李傳友介紹，“計(jì)劃”實(shí)施過(guò)程中，植物學(xué)研究實(shí)現(xiàn)了與化學(xué)、物理學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科之間的交叉。上述超微精準(zhǔn)定量分析平臺(tái)的建立就是同有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)等相關(guān)學(xué)科的有效交叉。其次，與物理學(xué)交叉，通過(guò)引入結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究手段，促進(jìn)了激素受體的確定及受體蛋白空間結(jié)構(gòu)的解析，有效推動(dòng)了茉莉酸、獨(dú)腳金內(nèi)酯及脫落酸受體的鑒定及作用機(jī)理的闡明，使我國(guó)躍升為該領(lǐng)域的強(qiáng)國(guó)。第三，引入計(jì)算生物學(xué)的手段，有效推動(dòng)了激素信號(hào)互作關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和系統(tǒng)生物學(xué)機(jī)制的闡明。
此外，指導(dǎo)專家組充分發(fā)揮作用，緊密把握學(xué)科前沿，及時(shí)資助新的生長(zhǎng)點(diǎn)。如在項(xiàng)目實(shí)施第三年，增加數(shù)據(jù)整合平臺(tái)；2010年鼓勵(lì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家加盟植物激素研究，促進(jìn)生物學(xué)家和結(jié)構(gòu)生物學(xué)家的合作；2010年適時(shí)資助植物激素標(biāo)準(zhǔn)品的合成與提取純化研究項(xiàng)目等。
從跟蹤到超越
“計(jì)劃”最初部署了6個(gè)研究方向，4年后又凝練整合為四大集成方向：植物激素代謝及修飾的生物學(xué)效應(yīng)、植物器官發(fā)生的激素調(diào)控、植物對(duì)非生物逆境適應(yīng)性的激素調(diào)控、植物激素檢測(cè)分析。
李傳友表示，“計(jì)劃”啟動(dòng)之前，我國(guó)植物激素研究基本上處于跟蹤國(guó)際先進(jìn)水平的狀態(tài)。通過(guò)努力，這四個(gè)方面都經(jīng)歷了從“跟蹤”到“并行”到“總體水平上全面躋身世界先進(jìn)水平”的跨越式發(fā)展。
計(jì)劃啟動(dòng)前，我國(guó)對(duì)激素代謝及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)新途徑、特別是激素受體的研究幾乎是空白。計(jì)劃結(jié)束時(shí)，發(fā)現(xiàn)了多條新的激素代謝、修飾新途徑；發(fā)現(xiàn)并闡明了茉莉酸、獨(dú)腳金內(nèi)酯、脫落酸的受體及作用機(jī)理，在多數(shù)激素的代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理研究中起引領(lǐng)或主導(dǎo)作用。
在激素調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的分子機(jī)理方面，計(jì)劃啟動(dòng)前，我國(guó)在本領(lǐng)域的工作多為跟蹤性研究。結(jié)束時(shí)，建立了獨(dú)腳金內(nèi)酯調(diào)控株型建成的基本框架模型；發(fā)現(xiàn)了棉纖維發(fā)育的激素調(diào)控新機(jī)理；發(fā)現(xiàn)了激素調(diào)控植物年齡和再生的新機(jī)理，在本領(lǐng)域的研究達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
計(jì)劃啟動(dòng)前，我國(guó)在激素調(diào)控植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的分子機(jī)制的工作多為跟蹤性研究。計(jì)劃結(jié)束時(shí)，在乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究中取得一系列重大突破；發(fā)現(xiàn)了茉莉酸通過(guò)改變干細(xì)胞活性調(diào)控根系可塑性發(fā)育的新機(jī)制；發(fā)現(xiàn)了多種激素互作調(diào)控植物對(duì)逆境適應(yīng)性的新機(jī)制。在本領(lǐng)域的研究與國(guó)際先進(jìn)水平并行，在某些方面起主導(dǎo)和引領(lǐng)作用。
李家洋指出，與國(guó)外相比，我國(guó)有兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，一是人才優(yōu)勢(shì)；二是研究材料以農(nóng)作物為主，基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究緊密結(jié)合，有利于創(chuàng)新性成果的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。
后來(lái)居上
由于中國(guó)在植物激素研究領(lǐng)域的崛起，目前國(guó)際上植物激素研究領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)出新的趨勢(shì)。
2005年之前，我國(guó)在《植物細(xì)胞》發(fā)表的有關(guān)植物激素研究的論文為零。而到2015年，我國(guó)在《植物細(xì)胞》上發(fā)表植物激素研究論文的實(shí)驗(yàn)室數(shù)目累計(jì)已經(jīng)達(dá)到了36個(gè)，其中包括20個(gè)科學(xué)院研究所的實(shí)驗(yàn)室，主要分布于中國(guó)科院學(xué)遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、植物研究所和上海植物生理與生態(tài)學(xué)研究所等；包括高校的實(shí)驗(yàn)室16個(gè)，主要分布于北京大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)等。近兩年（2014年和2015年）更是呈現(xiàn)井噴式的大發(fā)展，每年在《植物細(xì)胞》上發(fā)表的激素研究論文均在10篇以上。更為可喜的是，中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、北京大學(xué)和清華大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室還實(shí)現(xiàn)了在《自然》、《科學(xué)》和《細(xì)胞》等雜志上發(fā)表研究成果的突破。
李傳友表示，目前我國(guó)無(wú)論從論文發(fā)表質(zhì)量、數(shù)量還是人才隊(duì)伍建設(shè)來(lái)看，都已經(jīng)超越日本，成為與歐美比肩的另一個(gè)中心。
不過(guò)，我國(guó)植物激素研究領(lǐng)域也存在需要加強(qiáng)的薄弱環(huán)節(jié)，如：測(cè)定分析專業(yè)人才隊(duì)伍的培養(yǎng)；激素調(diào)控植物干細(xì)胞建立、維持和分化機(jī)理的研究；植物激素作用機(jī)理的表觀遺傳學(xué)研究等。
放眼未來(lái)，李家洋指出，我國(guó)對(duì)已知九大植物激素的代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及作用機(jī)理有了較為深入的認(rèn)識(shí)，下一步需要加強(qiáng)研究不同激素信號(hào)之間相互作用的機(jī)理，同時(shí)加強(qiáng)新的植物激素或生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)及相關(guān)研究。
李家洋提醒到，我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，植物激素的基礎(chǔ)生物學(xué)研究將為實(shí)現(xiàn)我國(guó)糧食安全和農(nóng)業(yè)提質(zhì)、增產(chǎn)、高效、抗逆等奠定基礎(chǔ)，未來(lái)繼續(xù)支持已經(jīng)建立起來(lái)的檢測(cè)平臺(tái)和人才隊(duì)伍至關(guān)重要。
