植物激素調(diào)控著植物生長的方方面面。目前，全球植物生長調(diào)節(jié)劑市場達幾十億美元，2015年我國使用植物生長調(diào)節(jié)劑的農(nóng)田面積超過2億畝。
然而，作為糧食大國，在十年前，我國卻并不是植物激素研究大國。2007年，國家自然科學(xué)基金委員會（簡稱基金委）啟動了重大研究計劃項目“植物激素作用的分子機理”，目標(biāo)瞄準促進我國植物激素研究的跨越式發(fā)展。
近日，該重大計劃通過驗收。經(jīng)過八年發(fā)展，在該計劃支持下，我國植物激素研究取得一系列突破性進展，實現(xiàn)了從跟蹤到超越的跨越式發(fā)展。
應(yīng)運而生
植物激素是植物體內(nèi)合成的微量有機物質(zhì)，控制著植物生長發(fā)育的方方面面。通過研究其結(jié)構(gòu)和作用機制，可以人工合成類似效應(yīng)的生長調(diào)節(jié)劑，提高農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性。
項目總體負責(zé)人、指導(dǎo)專家組組長、中國科學(xué)院院士李家洋告訴《中國科學(xué)報》記者，植物激素是植物科學(xué)中的前沿和熱點，涉及植物生長、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，植物激素研究進入快速發(fā)展階段。
自從上世紀30年代發(fā)現(xiàn)植物激素以來直至本世紀初，國際上植物激素研究形成了美國、歐洲和日本三足鼎立的格局。然而，2008年金融危機之后，這些國家大幅削減研究經(jīng)費，相應(yīng)的研究受到較大影響。
而在我國，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全高效的需求日益強烈，“植物激素研究是國家有重大需求的基礎(chǔ)性科學(xué)問題，恰逢從國外回來了一批從事相關(guān)研究的年輕科學(xué)家，加上基金委的遠見卓識，這個項目應(yīng)運而生。”李家洋告訴記者。
2007年，基金委啟動了重大研究計劃“植物激素作用的分子機理”（以下簡稱“計劃”），成為生命科學(xué)學(xué)部支持的第一個重大研究計劃。
資料顯示，該“計劃”在2011年國家自然科學(xué)基金委組織的重大研究計劃中期評估中被評為優(yōu)秀并獲得5000萬元追加經(jīng)費；在2016年國家自然科學(xué)基金委組織的重大研究計劃結(jié)束評估中被評為優(yōu)秀。指導(dǎo)專家組和管理工作組對該計劃的頂層設(shè)計和有效管理體現(xiàn)了基金委“有限目標(biāo)、穩(wěn)定支持、集成升華、跨越發(fā)展”的項目組織原則，為圍繞核心科學(xué)目標(biāo)組織重大科學(xué)項目提供了成功范例。
“這就給國外回來的人才提供了施展才華的機會。”項目組成員之一、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。
在國外大幅削減研究經(jīng)費之時，我國大力度的支持令國際同行羨慕不已。李家洋表示，在我國，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
項目啟動前，我國的相關(guān)研究跟國際前沿差距較大。李家洋表示，這同植物激素研究的“門檻”有關(guān)。
當(dāng)時，植物激素測定被美國、歐洲和日本的幾個實驗室所壟斷，我國由于缺乏相關(guān)的人才、儀器設(shè)備和技術(shù)手段，不能獨立地進行超微精準定量分析。
“當(dāng)時只有兩種辦法。”李家洋回憶說：“一是用沒有達到國際認可的方法做，成果無法刊登在有影響力的雜志上；二是去國外測定，受到很多限制，比如拖半年才測、要求共同第一作者等，有競爭關(guān)系的研究也不利于保密”。
針對這一瓶頸問題，項目一啟動，指導(dǎo)專家組加強頂層設(shè)計，迅速促成了與化學(xué)學(xué)科的交叉合作，有針對性地在北京、武漢、長沙、大連等地布局了多個激素測定分析平臺，快速建立了具有國際先進水平的激素常規(guī)測定技術(shù)體系，能夠?qū)λ幸阎に剡M行精準超微定量分析，具備了為國內(nèi)外科學(xué)家提供國際一流激素檢測分析服務(wù)的能力。據(jù)不完全統(tǒng)計，激素平臺為國內(nèi)外科學(xué)家提供測定數(shù)據(jù)2.4萬~2.7萬份，合作發(fā)表高水平論文80余篇。
這一突破實現(xiàn)了我國植物激素檢測分析“從無到有”和“從有到強”的跨越式發(fā)展，也奠定了全面提升我國植物激素研究總體水平的基礎(chǔ)，確保“計劃”取得了一系列重大突破。
不過，李家洋指出，未來還需要探索原位、實時、單細胞水平的激素測定和跟蹤檢測技術(shù)體系，“計劃”結(jié)束后，如何對這些激素測定平臺進行后續(xù)支持，實現(xiàn)更高水平的可持續(xù)發(fā)展是一個亟待解決的問題。
學(xué)科交叉出創(chuàng)新
值得一提的是，自“計劃”組織實施以來，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，加強頂層設(shè)計，開展了一系列原始創(chuàng)新性研究。
“計劃”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、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、激素間信號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非生物環(huán)境適應(yīng)性的分子機制，達到全面深入認識植物生長發(fā)育基本規(guī)律。
據(jù)李傳友介紹，“計劃”實施過程中，植物學(xué)研究實現(xiàn)了與化學(xué)、物理學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科之間的交叉。上述超微精準定量分析平臺的建立就是同有機化學(xué)、無機化學(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，通過引入結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究手段，促進了激素受體的確定及受體蛋白空間結(jié)構(gòu)的解析，有效推動了茉莉酸、獨腳金內(nèi)酯及脫落酸受體的鑒定及作用機理的闡明，使我國躍升為該領(lǐng)域的強國。第三，引入計算生物學(xué)的手段，有效推動了激素信號互作關(guān)鍵節(jié)點的發(fā)現(xiàn)和系統(tǒng)生物學(xué)機制的闡明。
此外，指導(dǎo)專家組充分發(fā)揮作用，緊密把握學(xué)科前沿，及時資助新的生長點。如在項目實施第三年，增加數(shù)據(jù)整合平臺；2010年鼓勵結(jié)構(gòu)生物學(xué)家加盟植物激素研究，促進生物學(xué)家和結(jié)構(gòu)生物學(xué)家的合作；2010年適時資助植物激素標(biāo)準品的合成與提取純化研究項目等。
從跟蹤到超越
“計劃”最初部署了6個研究方向，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、植物對非生物逆境適應(yīng)性的激素調(diào)控、植物激素檢測分析。
李傳友表示，“計劃”啟動之前，我國植物激素研究基本上處于跟蹤國際先進水平的狀態(tài)。通過努力，這四個方面都經(jīng)歷了從“跟蹤”到“并行”到“總體水平上全面躋身世界先進水平”的跨越式發(fā)展。
計劃啟動前，我國對激素代謝及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)新途徑、特別是激素受體的研究幾乎是空白。計劃結(jié)束時，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、獨腳金內(nèi)酯、脫落酸的受體及作用機理，在多數(shù)激素的代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機理研究中起引領(lǐng)或主導(dǎo)作用。
在激素調(diào)控植物生長發(fā)育的分子機理方面，計劃啟動前，我國在本領(lǐng)域的工作多為跟蹤性研究。結(jié)束時，建立了獨腳金內(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)控新機理；發(fā)現(xiàn)了激素調(diào)控植物年齡和再生的新機理，在本領(lǐng)域的研究達到國際領(lǐng)先水平。
計劃啟動前，我國在激素調(diào)控植物對環(huán)境適應(yīng)性的分子機制的工作多為跟蹤性研究。計劃結(jié)束時，在乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究中取得一系列重大突破；發(fā)現(xiàn)了茉莉酸通過改變干細胞活性調(diào)控根系可塑性發(fā)育的新機制；發(fā)現(xiàn)了多種激素互作調(diào)控植物對逆境適應(yīng)性的新機制。在本領(lǐng)域的研究與國際先進水平并行，在某些方面起主導(dǎo)和引領(lǐng)作用。
李家洋指出，與國外相比，我國有兩個方面的優(yōu)勢，一是人才優(yōu)勢；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。
后來居上
由于中國在植物激素研究領(lǐng)域的崛起，目前國際上植物激素研究領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢呈現(xiàn)出新的趨勢。
2005年之前，我國在《植物細胞》發(fā)表的有關(guān)植物激素研究的論文為零。而到2015年，我國在《植物細胞》上發(fā)表植物激素研究論文的實驗室數(shù)目累計已經(jīng)達到了36個，其中包括20個科學(xué)院研究所的實驗室，主要分布于中國科院學(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；包括高校的實驗室16個，主要分布于北京大學(xué)、中國農(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)的實驗室還實現(xiàn)了在《自然》、《科學(xué)》和《細胞》等雜志上發(fā)表研究成果的突破。
李傳友表示，目前我國無論從論文發(fā)表質(zhì)量、數(shù)量還是人才隊伍建設(shè)來看，都已經(jīng)超越日本，成為與歐美比肩的另一個中心。
不過，我國植物激素研究領(lǐng)域也存在需要加強的薄弱環(huán)節(jié)，如：測定分析專業(yè)人才隊伍的培養(yǎng)；激素調(diào)控植物干細胞建立、維持和分化機理的研究；植物激素作用機理的表觀遺傳學(xué)研究等。
放眼未來，李家洋指出，我國對已知九大植物激素的代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及作用機理有了較為深入的認識，下一步需要加強研究不同激素信號之間相互作用的機理，同時加強新的植物激素或生長調(diào)節(jié)物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)及相關(guān)研究。
李家洋提醒到，我國是農(nóng)業(yè)大國，植物激素的基礎(chǔ)生物學(xué)研究將為實現(xiàn)我國糧食安全和農(nóng)業(yè)提質(zhì)、增產(chǎn)、高效、抗逆等奠定基礎(chǔ)，未來繼續(xù)支持已經(jīng)建立起來的檢測平臺和人才隊伍至關(guān)重要。
