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ISSN:1004-0374
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《生命科学》 2007, 19(3): 251-
国家自然科学基金委员会启动“植物激素作用的分子机理”重大研究计划促进我国植物激素研究的跨越发展
谷瑞升,杜生明
国家自然科学基金委员会生命科学部,北京100083

      国家自然科学基金委员会遵循“有限目标、稳定支持、集成升华、跨越发展”的总体思路,把握战略性和前瞻性特征,结合我国研究基础和优势领域,加强顶层设计,设立重大研究计划,以具有相对统一目标或方向的项目群的方式进行重点部署与集成,凝聚优势力量,通过长期、稳定和较高强度的支持,实现若干重点领域或重要方向的跨越发展,提升我国基础研究创新能力,为国民经济和社会发展提供科学支撑[1]。
      生命科学部根据国家自然科学基金委员会“十一五”重大研究计划立项原则和要求,于2006年初启动了“十一五”生命科学重大研究计划立项程序。首先,生命科学部分析了生命科学基础研究的发展动态、趋势以及我国的现状和特点,提出了生命科学“十一五”重大研究计划的设想。在此基础上,生命科学部于2006年10月召开了专家咨询委员会与学科评审组组长会议,讨论了立项领域,征求咨询专家和学科评审组专家的意见和建议,会上初步形成了植物发育调控机制、表观遗传学和小分子RNA调控机制、天然变异的遗传和分子机制、免疫识别的分子机制、细胞增殖和分化机制和动植物杂交优势的遗传和分子机制等等八个方面的建议。生命科学部通过组织专家研讨,进一步征求意见和建议,最后确定将“植物激素作用的分子机理”作为首批启动的重大研究计划,并根据立项程序向国家自然科学基金委员会委务会(简称“委务会”)汇报。委务会听取汇报后,建议在进一步凝练科学问题的基础上提出立项建议书。之后,生命科学部组织相关专家进行了多次研讨和充分凝练,提出了“植物激素作用的分子机理”重大研究计划建议书。该建议书提交委务会,经过讨论和投票表决,正式批准立项。
1 立项的科学意义
     “植物激素作用的分子机理”是植物科学的一个重要和基本问题。植物激素是植物体内合成的一系列微量有机物质,它由一个部位产生运输到另一部位,在极低浓度下引发生理反应,控制着植物生命活动的方方面面,从种子休眠、萌发、营养生长和分化到生殖、成熟和衰老。除此之外,激素还是植物感受外部环境条件变化,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。自1928年发现生长素以来,植物激素研究一直是植物科学最为前沿和热点的领域之一。以激素为主体的研究几乎涉及到植物学研究的各个领域,激素调控机制的研究已成为人们认识和理解纷繁神秘植物生命现象的重要途径。近年来,随着分子遗传学的发展及其方法体系的建立和应用,以及植物分子生物学和基因组学的飞速发展,特别是以拟南芥和水稻为代表的模式植物基因组研究的重大突破以及带来的便利平台条件,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。在2002年和2005年,有关植物激素的研究均被Science杂志评为年度信号转导领域的重大突破[4-5]。
2 立项的实践意义
      植物激素调控植物的生长与发育,并进而影响植物(农作物)的产量、品质和抗性。20世纪中期,水稻和小麦半矮秆品种的育成和大面积推广,使粮食产量大幅度提高,极大地缓解了世界范围内的人口快速增长给粮食安全带来的严峻危机,成为众所周知的“绿色革命”。经过了40多年的探索和研究,人们认识到,为“绿色革命”做出重要贡献的原来是植物激素赤霉素合成与信号转导相关的基因,即水稻的SD1和小麦的RHT1基因[7-8]。在人类历史上,没有任何其他单个基因对粮食生产、对全人类的发展做出过如此巨大的贡献!另外,最近一系列研究结果表明,通过调控细胞分裂素、油菜素内酯、生长素的代谢可以显著的改良作物的株型结构和产量构成,这些结果预示着通过激素调控再次大幅度提高作物产量和品质是完全可能的[6,11-12], 也预示着基于激素功能的品种设计将会成为未来农作物产量、品质和抗性改良的重要途径。因此,开展植物激素作用机制的基础研究具有巨大的潜在应用价值。
      国家中长期科学和技术发展规划将保证粮食安全、突破资源约束、提高农业综合生产能力作为优先发展主题[2]。国家自然科学基金委员会在“十一五”优先发展领域中将农业生物的产量、品质和抗性形成的分子机制和网络调控列为综合交叉优先领域[3]。植物激素作用机理的深入研究将解释作物产量、品质和抗性形成的分子基础,为农作物高产优质育种提供理论基础。因此,深入认识植物激素作用分子机理已成为我国科技发展中的关键和重要战略领域,成为我国基础研究发展规划中重要内容。
3 立项基础
      我国在植物激素研究方面具有雄厚的知识积累和坚实的工作基础。20世纪早期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发展的基础。80年代末至今,随着分子遗传学研究的突破以及我国激素研究团队的形成和发展壮大,我国科学家在植物激素代谢调控、激素受体的鉴定以及作物株型的激素调控等诸多方面取得了具有世界影响的成果,表现出了强大的创新能力和国际竞争能力。例如,我国科学家成功地鉴定出了脱落酸(abscisic acid, ABA)结合蛋白ABAR和 GCR2,前者为镁离子螯合酶的H亚基, 作为ABA信号转导的正调控因子参与了调控种子萌发、植物生长发育以及气孔开闭等重要生理过程[13],后者为定位于细胞膜的G-蛋白偶联受体,参与介导已知的ABA生理功能[10]。这些研究是近年来植物激素生物学领域的重大突破。在激素调控植物株型形成中,我国科学家采用图位克隆法分离了水稻分蘖控制基因MOC1,发现该基因不仅控制腋生分生组织的起始和分蘖芽的形成,还具有促进分蘖芽生长发育和影响株高的功能[9]。这些研究填补了国际上单子叶植物株型形成机理研究空白,打开了从激素调控的角度研究植物顶端优势形成机制的突破口,受到学术界的高度关注。据不完全统计,2000年以来我国科学家在Cell、Science、Nature等杂志上发表论文10篇,在植物学科影响因子排名前5%的国际主流期刊上,如Plant Cell等发表学术论文70余篇,我国已成为国际上推动该领域发展的重要国家之一。
      我国拥有一支具有自主创新能力的优秀植物激素研究队伍。近年来,随着我国经济的持续快速发展和综合国力的不断增强,一大批活跃在世界植物激素研究最前沿的中青年科学家回国创业。在国家有关部门的大力支持下,这些科学家不但适应了国内的条件,开辟出新的研究方向,而且做出了出色的研究成果,我国植物激素研究的总体实力有较大的加强。目前已经形成了以中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国农业大学、中国科学院植物研究所、北京大学、中山大学、中国科学院上海植物生理生态研究所、上海交通大学等单位为强势主体的研究队伍。国家自然科学基金委员会4个创新研究群体成为一支核心力量。不同单位的20余位国家杰出青年基金获得者已成为该领域不同方向上的领军人物,他们的研究内容基本涵盖了生长素、赤霉素、细胞分裂素、脱落酸、乙烯、油菜素内酯素、茉莉酸等主要植物激素的重要领域。这些科学家在各自的研究领域都建立了独具特色的研究体系,研究组之间已建立了广泛的合作关系,具有良好的学术氛围。
4 拟解决的科学问题
“植物激素作用的分子机理”重大研究计划旨在以模式植物(拟南芥、水稻等)为材料,采用多学科交叉的综合手段,从激素代谢、信号转导、激素间信号互作等不同层面研究激素发挥其生物学效应的分子基础,揭示激素调控植物重要器官和性状形成和对环境适应性的分子机制,深入认识植物生长发育的基本规律。具体科学问题或学术方向包括:(1)植物激素代谢及其调控的分子机制;(2)植物激素信号感知及传递的分子机制;(3)植物激素间的信号互作网络;(4)激素调控植物重要器官形成的分子基础;(5)激素调控植物对环境适应性的分子机制;(6)植物激素成分分析、超微定量检测和原位检测。
5 组织和实施
     “研究计划”的组织实施将充分体现“依靠专家、科学管理、环境宽松、有利创新”的宗旨,加强顶层设计,实行专家学术管理与项目资助管理相结合、目标导向与科学家自由探索相结合的管理模式。重大研究计划设立指导专家组,负责“计划”的科学规划和学术指导。重大研究计划管理工作组负责“计划”的组织及项目管理。
     “研究计划”实行课题制,主要以“面上项目”和“重点项目”的形式予以资助。项目负责人对项目组织实施、计划执行与完成和经费核算进行负责和管理。面上项目执行期一般为3年,而重点项目为4年。
    “研究计划”根据科学目标和拟解决科学问题,分年度立项并发布申请指南,每个年度明确具体的资助方向和需要解决的科学问题。申请人本着以科学问题为先导,有限目标和重点突破的原则,撰写和提出申请书。项目评审采用通讯评议与会议评审相结合的评审机制。项目遴选时,除考虑国家自然科学基金委员会规定的择优遴选项目准则外,还强调研究项目对计划总体目标的实现和解决核心科学问题所起的作用。
      本研究计划自2007年始,实施期限为8年,拟投入经费15 000万元,立项工作集中在2007-2011年的5年中,前3年立项将采取点面结合的方式,以自由探索为主,同时给予一定的宏观引导。后2年重点进行项目和研究的集成。2007年的项目申请指南即将发布,请有意于申请项目的科学家关注自然科学基金委员会网页上的重大研究计划项目信息(http://www.nsfc.gov.cn/Portal0/default99.htm),根据申请指南要求撰写和提交申请书。
总之,植物激素作用的分子机理研究充分体现了前瞻性、基础性和重要性特点,特别是我国在该领域具有良好的研究基础和拥有一支优秀创新人才队伍,已经具备了取得重大突破的条件。“植物激素作用的分子机理”重大研究计划的适时启动,将会凝聚国内优势力量开展系统和集成研究,促进学科交叉和融合,提高多学科综合研究水平,在关键问题和重点方向实现突破,发展新的交叉学科和新的学术生长点,进一步提升我国植物激素研究水平,造就一批具有国际影响力的杰出科学家和进入国际科学前沿的研究团队,推动我国植物激素研究跨跃式发展。
致谢:感谢中国科学院遗传与发育生物学研究所的李家洋院士和李传友研究员提供的植物激素研究背景材料,感谢“植物激素作用的分子机理”重大研究计划专家指导组成员的意见和建议。

[参 考 文 献]
[1] 国家自然科学基金委员会计划局. 国家自然科学基金委员会“十一五”重大研究计划实施方案. 2006, 12
[2] 《国家中长期科技发展规划纲要》[EB/OL]. http://gh.most.gov.cn /zcq/ kjgh_default.jsp
[3] 《国家自然科学基金“十一五”发展规划》[EB/OL].http://www.nsfc.gov.cn /nsfc/fzjh10-1-5/index.htm
[4] Adler E M, Gough N R, Ray L B. 2002: Signaling breakthroughs of the year. Sci STKE, 2003, 164, eg1
[5] Adler E M, Gough N R, Ray L B. 2005: Signaling breakthroughs of the year. Sci STKE, 2006, 316: eg1
[6] Ashikari M, Sakakibara H, Lin S, et al. Cytokinin oxidase regulates rice grain production. Science, 2005, 309: 741-745
[7] Khush G S. Green revolution: preparing for the 21st century. Genome, 1999, 42: 646-655
[8] Khush G S. Green revolution: the way forward. Nat Rev Genet, 2001, 2: 815-822
[9] Li X Y, Qian Q, Fu Z M, et al. Control of tillering in rice. Nature, 2003, 422: 618-621
[10] Liu X G, Yue Y L, Li B, et al. A G protein-coupled receptor is a plasma membrane receptor for the plant hormone abscisic acid. Science, 2007, 315: 1712-1716
[11] Multani D S, Briggs P S, Chamberlin M A, et al. Loss of an MDR transporter in compact stalks of maize br2 and sorghum dw3 mutants. Science, 2003, 302: 81-84
[12] Sakamoto T, Morinaka Y, Ohnishi T. Erect leaves caused by brassinosteroid deficiency increase biomass production and grain yield in rice. Nat Biotechnol, 2006, 24: 105-109
[13] Shen Y Y, Wang X F, Wu F Q, et al. The Mg-chelatase H subunit is an abscisic acid receptor. Nature, 2006, 443: 823-826

 
 
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