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植物激素与绿色革命
植物激素与绿色革命

    植物激素是植物体内产生的一系列天然小分子物质,以极微量的浓度引发生理效应,影响和控制着植物的生长发育及对环境的适应性。除生长素、赤霉素、乙烯、细胞分裂素和脱落酸外,越来越多的生长调节物质包括油菜素内酯、茉莉酸、水杨酸及一些多肽类信号分子也被归到植物激素家族中。自从20世纪初期发现植物激素以来,以植物激素为主题的研究几乎涉及到植物生物学的各个领域。其研究手段和认识水平不断进步和发展,研究的侧重点也有所变化。一个世纪以来的研究实践证明,植物激素研究的成果是人类进行作物遗传改良和育种的重要理论源头,对作物遗传改良和育种的实践起到了革命性的作用。
    新世纪之初,植物基因组学研究迅猛发展,以拟南芥、水稻基因组全序列解读为代表的一系列重大突破使我们有可能从系统的角度研究植物激素,在更深层次上认识激素在植物生长发育与代谢过程中的调控作用。作为植物科学最前沿、最活跃的领域,植物激素领域的基础研究在满足我国农业最迫切的需求——大幅度提高作物产量,保证国家粮食安全方面起着不可替代的作用。2006年10月18-20日在北京召开了以“植物激素与绿色革命”为主题的香山科学会议第286次学术讨论会。会议聘请许智宏研究员、李家洋研究员、薛勇彪研究员、薛红卫研究员担任执行主席。
    许智宏研究员作了题为“中国植物激素研究的回顾与展望”的主题评述报告。他在报告中把中国植物激素研究概括为三个历史阶段:在上个世纪早期,以李继桐、汤玉玮、崔徵等为代表的老一辈科学家做出了具有重要国际影响的工作,奠定了中国植物激素研究与国际同步的基础;五十年代起特别是七十至八十年代,激素在大规模组织培养中的应用以及生长调节物质的广泛施用对作物育种和农业生产起到了重要推动作用,也在国际学术界产生了重要影响;八十年代末至今,随着分子遗传学研究的突破,特别是随着一大批具有海外留学背景的中青年科学家回国后的成长和发展,我国已经形成了一支具有国际竞争力的强大的植物激素研究队伍,在激素受体鉴定、激素代谢调控以及激素调控株型发育等方面取得了具有重大国际影响的成果,成为国际上该领域的重要国家。
    李家洋研究员作了题为“植物激素与绿色革命”的主题评述报告。他从植物激素代谢调控、修饰及转运、识别及信号转导、激素信号互作、激素在农业生产中的应用五个方面综述了当今植物激素研究的最新进展及研究战略制高点。他在报告中说,“植物激素与绿色革命”这一主题很好地阐明了植物激素研究在基础科学和应用研究两方面的重要性,也很好地诠释了当代中国科学家的历史使命,即把最前沿的基础科学和最重大的国家需求紧密结合,埋头苦干,协同攻关,在世界基础科学的最前沿发出中国的声音,为保障国家的粮食安全做出实质性的贡献!
    与会专家分别就植物激素代谢及调控机理、植物激素信号转导及相互作用、植物对环境适应性的激素调控、植物激素与作物遗传改良四个中心议题作了评述报告,全体与会专家畅所欲言,进行了热烈讨论。
    一、植物激素代谢及调控机理
    自1928年发现生长素以来,有关植物激素的基础及应用研究一直是国际植物科学的前沿和热点领域。20世纪80年代后期,随着分子遗传学的思路及方法体系的建立和应用,植物激素研究进入一个“筛选获得激素相关突变体并分离相应基因”的快速发展阶段。近年来,随着植物分子生物学和基因组学的飞速发展,特别是以拟南芥、水稻为代表的模式植物基因组研究的重大突破以及由此而带来的便利的平台条件,使本身就处于科学前沿的植物激素研究进入全新的快速发展阶段,人们对植物激素代谢及调控机理也有了更进一步的认识。
    亟待解决的问题:1. 植物生长发育(重要农艺性状)是如何受激素代谢的严格调控,包括合成、降解、修饰、转运等;2. 不同激素代谢途径的交互作用;3. 调控在阐明机理的基础上,如何有效、合理的进行分子设计与操作;4. 精细调控和植物激素代谢的发育时空性。
    吲哚乙酸(IAA)的羧基对于植物生长素的活性的作用问题,探讨了IAA的羧基是如何激活的、植物生长素的缀合物是如何形成的、以及形成缀合物在植物生长素活性调节中的意义,并展望了IAA调控叶片卷曲这一特性在水稻剑叶(flag leaf)半卷直立株型的分子株型设计的作用。
    一研究员提出了对SA和GA研究过程中的几点不明确的前沿性学术问题:(1)SA不是SAR建立的移动信号, 是否有其它形式比如脂质结合的SA行使移动信号的功能?(2)植物是否存在及如何鉴定SA受体?(3)SA途径如何与GA, auxin介导的发育途径、ABA介导的抗逆途径正向或负向cross-talk,从而在分子育种上协调抗病、抗逆与发育?(4)GA12作为活性GA前体的代谢调控及其酶系鉴定? (5)是否存在和如何鉴定膜GA受体? (6)GA胞质受体(GID1)与膜受体如何协同作用? (7)GA信号如何与其它信号cross-talk影响植物的发育与抗病?
    关于细胞分裂素的最新研究进展,综述了在过去的十余年中,利用模式植物拟南芥在阐明细胞分裂素的代谢、转运与信号转导等方面的研究取得的重要的进展,介绍了一系列编码调控细胞分裂素代谢、转运与信号转导的酶及蛋白质的克隆及鉴定。
    二、植物激素信号转导与相互作用
    在激素化学本质的鉴定、激素生物合成的酶学过程、传统植物生理水平上激素的生物学效应等方面取得大量的知识积累的基础上,借助于分子遗传学和生物化学的思路和方法,当前对植物激素识别及信号转导的研究也处于一个快速发展的阶段。
    专家们介绍了激素受体的研究、激素作用信号途径的研究、siRNA和激素作用、激素间的相互作用研究等该领域的热点问题及脱落酸受体的研究中取得了重大的进展和植物激素乙烯对于植物生长发育的调控有着重要作用。深入研究禾谷类作物的乙烯信号传导和新的乙烯信号组分不仅能够对乙烯信号传导的研究做出更新的贡献,并且能够填补单子叶植物方面研究的不足,并开展新的研究方向。
    小分子功能化合物主要包括多肽、次生代谢物、核酸和离子。大量证据表明小分子功能化合物在动植物生长和蛋白质功能执行过程中发挥着非常关键的作用。其中多肽激素(或称为多肽配体)的作用尤其重要。对植物多肽的种类,多肽配体参与的植物短距离信号转导,控制和协调植物的生长发育及抗逆过程进行了系统的介绍。
    茉莉素是一种新型植物激素。它不仅调控植物的生长发育,而且介导植物的防御和伤害反应。茉莉素对植物生长发育及防御反应的调控作用已经很清楚,但是茉莉素信号传导的分子机理却知之甚少。
    与会专家指出植物激素研究中最令科学家着迷的信号转导领域中仍有很多亟待解决的问题,如:植物如何感受激素(即激素受体的鉴定)?受体识别激素后如何实现信号的级联放大和接力传递?信号转导导致哪些功能基因的表达发生变化?其生化功能为何?哪些代谢途径参与了激素最终生物学效应的体现?另外,人们开始认识到单纯研究某一个激素的合成、信号转导以及所引起的下游基因的表达对阐明其诱导的生物学效应是远远不够的。各种植物激素之间存在复杂的相互作用,激素信号转导途径形成错综复杂的网络系统,而我们对激素互作网络的研究还没有真正从系统生物学意义上开始。探讨和研究这些问题对于人们从根本上认识激素调控植物生长发育、特别是作物产量性状形成的分子遗传机制具有不可或缺的科学意义。
    三、植物对环境适应性的激素调控
    在这一中心议题下有多位专家就激素信号与光、温、湿及其它非生物性胁迫因子的信号互作展开讨论。李传友研究员系统的介绍了植物激素除调控生长发育外,还参与调控植物对环境适应性的能力。主要表现为激素信号与植物生长发育所必需的环境因子如光、温、湿、养分等信号途径之间存在广泛的互作,也表现为激素在调控植物对逆境胁迫的反应方面起重要作用。并提出了:1.植物激素在调控对病、虫侵害的抗性反应中起重要作用;2.相关研究在提高作物的丰产性、稳产性方面有重大应用前景;3.相关研究对于建立环境友好的、可持续的控制农业病虫害的策略有指导意义。
    植物激素和光信号共同参与调控植物生长发育的整个过程,包括种子萌发、形态建成、向光性弯曲、气孔运动和开花时间等。近年来利用拟南芥作为模式植物,通过遗传学、分子生物学和生物化学等手段,阐明的光信号传导途径和其中的重要因子。
    与会专家一致认为植物激素是高等植物感受外部环境变化,调节自身生长状态来抵御不良环境、维持生存必不可少的信号分子。在分子水平上阐明植物激素的调控作用及其调控植物抗性反应的分子机制,将为建立利用植物自身的抗性、因而是环境友好的、可持续发展农业提供重要的理论依据。
    四、 植物激素与作物遗传改良
    植物激素处于诸多调控信号所构成的网络系统的中心,在植物株型形成过程中发挥重要作用。生殖生长是植物发育的重要一环,种子发育直接关系到农作物产量。种子发育与植物激素有着非常密切的关系,发育种子中含有高浓度的植物生长激素,如细胞分裂素和赤霉素等。这些激素参与调控种子的胚胎和胚乳发育、碳源分配、淀粉代谢、库源关系、果实成熟和果荚开裂等发育和生理生化过程,另外,植物激素脱落酸和赤霉素分别是种子休眠和萌发的关键因子。
    五、对我国植物激素研究的建议
    与会专家通过交流和讨论,就我国植物激素研究提出了以下的建议:
    (一) 把我国植物激素研究队伍合理组织起来,紧密围绕国家粮食安全和技术科学前沿两方面的需求,加强协作,联合攻关。
    (二) 激素的微量和超微量测定技术是制约我国植物激素研究的最大瓶颈,与会专家一致呼吁,我国应该立即着手统筹布局,建立统一的重大仪器设备平台,重视相关技术人才的培养、引进和稳定,提高激素检测水平。
    (三) 作为植物科学最前沿、最具革命性的领域之一,植物激素作用分子调控机制的研究在满足我国农业最迫切的需求——大幅度提高作物产量,保证国家粮食安全方面起着不可替代的作用。本领域急需解决的重大科学问题包括两个方面:
    1. 植物激素代谢调控、信号转导及相互作用的分子基础及其生物学效应;
    2. 激素调控植(作)物生长发育及产量性状形成的分子基础。
    研究重点包括:
    1)植物激素信号感知(相关受体、结合蛋白)的机制;
    2)植物激素信号转导的机制;
    3)植物激素对特定细胞和器官的作用及其机理;
    4)植物激素间以及与其它信号途径间的相互作用;
    5)植物对环境适应性的激素调控机制;
    6)植物激素作用的蛋白组学研究;
    7)植物激素成分分析和超微定量检测;
    8)基于植物激素功能的作物分子设计研究。
发表时间:2010-2-21
 
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