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“十三五”:植物学优先资助领域及重点交叉研究

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ecoliugy 发表于 2017-1-11 09:43:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 ecoliugy 于 2017-1-11 09:47 编辑

“十三五”学科发展战略报告:植物学优先资助领域及重点交叉研究


植物学是研究植物形态、结构、生理、生态、分类、分布、发生、发育、遗传和进化的学科,其宗旨是认识和揭示植物界所有生命现象和生命过程的客观规律,为开发、利用、改造和保护植物提供理论依据。

植物学研究要在揭示生命奥秘、探讨重要理论问题的同时,紧紧围绕国家需求,解决涉及国计民生的重大科学问题。植物学的发展还直接或间接推动了生命科学领域其他学科(如动物学、微生物学、遗传学、生理学和医学等)的发展。细胞理论的提出、遗传定律的阐明,以及转座子和RNA 干扰(RNA interference,RNAi)等现象的发现都是最初在植物中完成并逐渐扩展到其他生物类群中的。很多基因在动植物中保守并具有相似的功能,对植物基因的研究也因此能够为动物和微生物中的相关研究提供借鉴。此外,植物还有一系列特殊的形态、结构和生理机制(如细胞壁、光合作用等),对这些现象和问题的研究有助于全面理解生命的奥秘。

优先资助领域及重要的交叉研究领域


一、优先资助领域


1.   植物分类及植物信息的整合分析

植物分类学是植物学其他分支学科的基础,也是植物资源开发利用和生物多样性保护的基础。虽然《中国植物志》已经编撰完成,但已有的调查和研究并未覆盖到所有地域,对某些地域的调查和采集也不够深入,因而不排除存在尚未被发现或者未被深入研究过的植物物种。另外,受条件所限,已有的志书中还存在许多分类、鉴定和命名上的错误,高水平的专著性工作还比较少见。因此,利用多学科研究手段,对重要植物类群进行深入、细致的分类学和系统研究,澄清物种的范围和物种间的界限,确定物种的数目、特征和分布格局,提出新的、更科学的分类框架,仍是当前和今后一段时间内植物分类学研究的重要任务。此外,随着学科的发展、计算和分析技术的提升以及国家、社会和公众对植物学知识需求的增加,对植物数据进行整合分析、建立智能化“百科全书”式植物志书和数据库、完善以DNA 条码为代表的植物快速鉴定体系和植物图像的快速识别系统,也成为植物分类学的重要内容。

重要研究方向:a 重要和疑难植物类群的分类学修订和专著性研究;b 重要区域植物区系地理和植物类群空间分布研究;c 植物信息(物种、分布、进化关系和代谢物等)的大数据整合分析。




2.   植物资源的收集、保存和开发利用

我国对植物资源的研究和利用一直相对落后,不仅规模小、范围窄,而且存在低水平重复现象。现代分子生物学、基因组学和植物化学的快速发展以及一些快速、高效分析测试技术的应用,为高水平利用植物资源创造了良好条件。今后,我们不但要对重要野生种质资源进行引种、驯化和开发利用,还要探讨野生种质资源收集、管理和长期保存的有效措施,并对一些有重要战略意义的野生种质资源进行抢救性保护或者保护性发掘,建立种质资源库、功能基因库和生物活性成分分子资源库。此外,我们需要对重要天然活性产物的化学结构、生物合成及生物学和药学功能进行深入研究,为新药的研发和创制奠定基础。

重要研究方向:a 重要野生植物资源的评价、引种、驯化和保护;b 植物天然活性产物的化学结构、生物合成及生物学和药学功能。


3.   植物进化的过程、原因和机制研究

进化是生命的主旋律。植物的进化不仅表现在种类的更替和数目的增减,而且表现在形态、结构、生理和行为性状的变化。植物在进化过程中获得的各种重要性状,直接导致了植物的进化和生物多样性的产生。因此,对关键植物性状产生机制的研究是探讨植物进化和生物多样性形成机制的前提和基础。进化生物学与发育生物学、遗传学、生物信息学、生态学和地学的结合是重建进化历史、揭示进化机制的有效途径,新模式植物体系的建立和基因组学大数据的积累则能大幅度提高研究的水平和速度、推进植物进化生物学的快速发展。此外,由于物种形成是生物进化的核心,今后的研究还需要充分利用基因组等方面的信息,揭示物种形成和植物驯化的过程、原因和机制。

重要研究方向:a 化石植物与古气候、古环境和古地理重建;b 种间互作与协同进化研究;c 植物形态、结构、生理和行为性状的进化发育生物学研究;d 植物基因组进化和物种形成研究;e 栽培植物的起源和驯化研究。

4.   植物形态发生与结构功能

植物形态发生的正常进行在很大程度上取决于基因的特异时空表达。因此,特异细胞分离技术对于未来植物胚后发育的研究至关重要。目前,植物形态发生与结构功能的研究越来越多的集中于研究植物生长发育的动态调控过程,且研究数据的类型和规模也越来越大。不论是细胞内部的分子动态变化还是植物生长发育过程的形态变化,都涉及对生物图像数据的获取和处理。因此,建议加强与自动化、计算科学和影像科学等交叉学科的研究人员合作。注重超高分辨显微技术、单分子技术、生物传感技术和计算与模拟技术等在植物形态发生与结构功能研究中的实际利用。

重要研究方向:a 植物的全能性及干细胞的形成与维持;b 植物特殊细胞/ 组织(保卫细胞、形成层、木质部等)的分化与功能;c 植物器官发生与形态、大小决定(器官发生决定、细胞分裂和大小控制);d 植物的休眠及衰老控制(衰老信号和衰老进程)。

5.   植物生殖发育

在植物配子体发生、识别与受精机制方面的主要科学问题包括:体细胞如何转化形成生殖干细胞?生殖干细胞的数目如何调控?精、卵细胞分化的调控机制是什么?它们又是如何识别并完成受精的?花粉管与胚囊、精子与卵子和中央细胞之间的识别是双受精的前提,也是近年和未来研究的前沿和热点。胚囊分泌信号的鉴定开启了了解花粉管与胚囊互作的大门,花粉管与胚囊互作的分子遗传机制和进化是近来研究的热点,有望取得突破。在植物胚胎发生发育及其与胚乳互作的研究方面,目前研究重点是早期胚胎发生中合子的启动和胚胎模式建成的分子机制,在植物生长素极性运输与胚胎模式建成和对细胞/组织分化的分子遗传调控机理有了较为深入的认识;但对合子发育及其不对称分裂机制了解较少。对基因印记、父系和母系基因组激活的组学分析为了解重编程机制奠定了很好的基础,而对合子激活、MAPK 途径的调控及胚乳与胚胎之间的互作等知之甚少。因此,未来植物胚胎发育研究的重点应放在了解合子激活与不对称分裂、父/ 母源基因在早期胚胎发生中的作用、表观遗传调控、细胞分化与细胞命运决定、胚乳与胚胎的互作及植物激素在胚胎发育和种子形成中的作用等方面。
重点研究方向:a 种间生殖障碍与发育调控机制;b 植物雌雄配子体与配子发生的分子调控网络;c 植物受精卵激活、合子极性建立与胚胎早期发生的分子遗传机制;d 胚胎和胚乳发育及其互作的机制。

6.   植物细胞结构与功能

植物细胞结构与功能研究涉及与多个研究领域的交叉合作,同时也需要多种技术手段的配合。该领域近年来重点关注细胞内发生的动态过程,如细胞骨架和囊泡运输响应不同信号的组织动态变化等。活细胞成像技术和单分子成像技术被越来越多地应用到研究中,产生了大量的生物图像数据,对于这类大规模数据的分析及信息挖掘需要统计学、影像科学、数学和计算机模拟等学科的研究人员合作。在细胞壁研究方面,对于细胞壁结构、成分与形成的研究需要化学、物理学和数学学科的研究人员配合。此外,细胞壁研究还与材料领域和新能源领域交叉并相互促进:细胞壁是天然的载力网络结构,对其结构的解析也将为相关仿生材料的研制提供重要的设计思路与理念;细胞壁具有可降解为乙醇的潜力,对其形成机理的揭示可为培育高效转化能源植物提供理论依据。

重要研究方向:a 植物细胞壁及其组分产生的机制和细胞壁的生物学功能;b 植物细胞骨架的结构与功能;c 膜系统与蛋白质分选和囊泡运输的机制;d 不同细胞器(叶绿体、线粒体、高尔基体和过氧化物酶体等)间结构与功能的动态联系。


7.   植物在逆境环境中生长与发育的可塑性

植物抗逆性的增加往往影响其生长发育,从而引起减产。因此,逆境环境条件下植物生长发育的可塑性和稳定性是需要关注的重点科学问题。要想回答这一问题,需要重点了解植物在逆境下生长发育的分子机制,包括植物感受和应答各种环境因子的分子机理、逆境胁迫下植物生长发育和细胞活性调控的机制等。此外,内源激素和外源环境因子互作对植物生长发育的分子调控机制也将是重要的研究领域。为了全面阐明植物对逆境适应的分子机理,需要建立植物抵御逆境胁迫的新模式生物系统、挖掘植物抵御逆境胁迫的新生物学现象并开展其分子调控机理的研究。植物抗病与感病是植物免疫系统与病原微生物效应蛋白分子互作的两种结果。通过对病原菌中新的效应蛋白的研究,既能阐明病原微生物致病的分子机理,又可发现免疫受体识别这些新的效应蛋白的机理,为植物抗病机理的研究以及抗病育种提供了新思路和新方法。由于许多病原菌效应蛋白具有全新的生化功能,对这些蛋白的深入研究可以提升我们对植物抗病机理的认识,并可能促进生物技术的革新。

重要研究方向:a 植物感受和响应非生物胁迫的分子机制;b 植物对环境信号响应的可塑性;c 植物与微生物互作的分子机制。


8.   植物矿质营养的吸收与利用

植物对矿质营养的吸收、运输和利用具有明显的协同效应,但这种协同效应的分子调控机制仍不明确。近年来,研究人员利用全基因组关联分析和离子组学方法在不同植物中定位了大量控制各种矿质营养吸收的数量性状基因座(quantitative trait locus,QTL)位点。但是,我国在此领域的研究还比较薄弱。因而,利用我国丰富的植物遗传多样性资源,通过多种研究方法,挖掘植物中控制矿质营养高效吸收利用的QTL 或主效基因,将是新的学科生长点。此外,重金属污染是全球面临的环境问题之一。研究植物吸收、积累和外排重金属离子的分子机制,利用植物的富集作用治理重金属污染的土壤,降低重金属在植物体内的积累,也将是未来的支持重点。
重要研究方向:a 植物响应矿质营养胁迫的分子调控机理;b 矿质营养协同吸收、运输和利用的分子调控机理;c 植物吸收、积累和外排重金属离子的分子机制。

9.   植物光合作用和生物固氮的研究

叶绿体是高等植物进行光合作用的唯一场所,由多层不同的膜以及膜上含有的大分子蛋白复合体系统、光合固碳系统、蛋白质转运系统、离子和有机物质转运系统等构成。叶绿体同时也是一个半自主型细胞器,虽然携带着执行光合功能的重要遗传信息,但其形成和发育还需要核基因编码的调控因子的共同作用。在光合作用过程中,碳代谢和同化产物的运输是光合速率的限制性因素之一,研究C3 和C4 途径中RuBisCO 羧化效率及其他碳代谢过程关键步骤的网络调控机理、同化产物的合理分配和向籽粒的有效运输的规律,优化光合源、库、流的协调机制,对于深入理解不同植物光合速率的差别具有重要意义。因此,需要利用多学科交叉手段,对叶绿体发育、光合功能调节、光合碳代谢及同化产物运输的网络调控机理进行研究,为优化光合效率、获得作物优良品种提供理论基础和技术支持。此外,要在第三次固氮研究高峰到来之前,充分利用现有条件和优势,在生物固氮研究中取得更多、更好、更大的进展。

重要研究方向:a 叶绿体基因与核基因的信号互作;b 光合膜蛋白结构转换及能量传递的物理化学基础;c 光合碳代谢及同化产物运输的网络调控机理;d 植物固氮根瘤的形成和固氮机理;e 联合固氮菌固氮基因网络的调控与酶催化机理。



10.植物激素的代谢与作用机制

近年来,植物激素研究在我国得到了长足发展。今后,我国的植物激素研究需要加强的方向包括:常规激素测定技术体系的完善,以及激素原位、实时和单细胞水平测定和跟踪观测技术体系的建立;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,重点阐明植物激素作用过程中遗传因子和表观遗传因子整合的分子机理。此外,激素生物学亟须与物理学及工学交叉,争取方法学上的突破,从而实现原位、实时和单细胞水平的激素测定或跟踪观测,以及单细胞水平的激素信号转导研究;与数学和计算生物学等学科交叉,从而结合实验科学对多种激素调控网络进行系统分析和模拟运算;与化学和药学等学科交叉,从而筛选、鉴定并合成一批激素合成、代谢、转运修饰及感应的拮抗剂、激动剂或替代剂。

重要研究方向:a 植物激素实时和原位超微定量检测;b 植物激素代谢(包括合成、修饰、转运和降解等)及其调控的分子机制;c 植物激素信号感知及转导的分子机制;d 植物激素之间及其与其他信号途径相互作用的分子机理;e 新植物激素的发现、鉴定及作用机制。


11.植物发育与进化的表观遗传调控
由于可以建立非常便利的遗传筛选体系,植物材料为表观遗传学理论体系的建立做出了重大贡献。表观遗传学几乎参与了植物生长发育以及应对环境胁迫的各个时期,但表观遗传学的研究还处于起步阶段,许多科学问题有待进一步回答。我国除在某些方面处于国际领先地位外,大多数研究还处在跟踪研究阶段,因此需要考虑利用一些新的体系和方法,对这一领域进行更深入的探讨。这些研究不仅为植物学,而且将为其他生命科学领域的研究提供帮助。
重要研究方向:a 植物发育、开花和休眠等的表观遗传调控机制;b 表观遗传修饰的选择、建立和传递机制;c 植物环境适应的表观遗传进化机制。


12.  植物代谢生物学与化学生物学
针对具有研究和经济价值的植物开展系统的代谢生物学研究,不但能够深入解析植物代谢及其调控机理,而且将为人类更好地利用和改造植物资源奠定基础。对于每种特定的植物,其代谢物可达数千种,其中许多代谢物的积累具有时空特异性。利用代谢组学从整体角度研究植物代谢物积累的时空差异动态,并结合遗传学/ 和分子生物学等手段阐明造成这些差异动态变化的遗传和生化基础,将从整体上提升植物代谢生物学的研究水平,并为后续的代谢途径的解析及代谢工程研究提供新的思路。除此之外,植物代谢物(特别是次生代谢物)还广泛参与了植物与环境的相互作用,这些代谢物的确切作用及其作用机理往往并不十分清楚。近年来,越来越多的研究结果显示,目前已知一些除激素之外的次生代谢物也具有调节植物生长的功能,但是对这些代谢物的鉴定、功能及其作用机理研究还够不深入。另外,植物次生代谢途径还受到了植物体内及环境因子的复杂调控。深入揭示决定植物次生代谢积累的内、外因子对于次生代谢途径的调控网络,并在此基础上研究植物次生代谢的种间差异及其进化对于植物代谢生物学的发展也具有重要意义。

重要研究方向:a 植物新型生长调节代谢物的鉴定、功能及其作用机理研究;b 基于组学的植物代谢途径解析及代谢物功能研究;c 内外因子调控植物次生代谢途径的调控网络研究;d 植物次生代谢途径的种间差异及进化研究;e 植物化学分子探针的化学合成及作用机制(化学遗传学)。

新模式体系及相关平台的建立

(1)新模式体系的建立。模式体系是实验研究的基础。近年来,随着包括基因组学在内的各种组学的发展,以及反向遗传学技术的提高,大尺度的比较和综合研究成为大势所趋。我们要选择系统位置重要、形态结构特殊或经济价值明显的代表性植物物种,综合利用多学科研究手段,开展基因组、表达和功能研究,建立遗传和转化体系甚至突变体库,有效提升我国植物学研究的水平和地位。

(2)多维度表型分析平台的建立。传统上的表型分析只关注成熟阶段,得到的信息非常片面而且不够准确。但是,成熟阶段的差异是通过对生长发育过程的改变实现的,表型分析也必须涉及植物生长发育的各个阶段。因此,我们要组织多学科的研究力量,建立多维度、全方位的表型分析平台,追踪植物发育过程中发生的各种外在和内在变化,揭示植物形态建成和进化的奥秘。

(3)大型综合数据库的建立。大型综合数据库(如NCBI、TAIR 和TIGR等),在植物学研究中的重要性是毋庸置疑的。但是,现有的大型数据库都是由欧美的发达国家发起和控制的,使用起来不够方便且具有安全隐患。我国应该组织多学科的研究力量,整合各个方面的研究数据,在国家层面上建立功能强大的综合数据库,促进和保障我国乃至全世界植物科学的发展。

二、我国植物学的重大交叉研究领域
与生命科学其他分支学科一样,植物学的发展也离不开与物理学、化学、数学、计算科学和地学等多个学科的交叉与融合。植物学发展史上的每一次革命,都是学科交叉和融合的结果。植物学研究中常用的仪器、技术和手段,也都是学科交叉和融合的产物。植物学今后发展的方向和水平,更是依赖与学科的交叉和融合。今后,植物学需要在宏观和微观两个维度上与其他学科进行交叉和融合,重点解决限制学科发展的瓶颈问题。在微观方面,需要实现对单细胞、生物大分子甚至小分子(如激素)的观察、追踪和实时定量检测,需要实现对细胞、细胞器和生物大分子结构、功能甚至力学特性的认识,需要实现对基因调控、蛋白功能和信号转导过程的数学模拟。在宏观方面,需要实现对植物信息的整合分析、建立智能化“百科全书”式植物数据库、完善以DNA 条码为代表的植物快速鉴定体系和植物图像快速识别系统,需要实现对植物生长、发育、衰老和死亡过程的全面追踪和数学模拟,需要实现对植物遗传和进化过程的大数据整合分析。

重要研究方向:a 大分子三维结构与生理功能的关联研究;b 基于单分子和单细胞影像技术检测的细胞信号功能研究;c 发育和信号转导过程及调控网络的数学建模与验证;d 细胞壁的结构、功能与生物力学;e 特化细胞变形的生物力学机制;f 植物形态和结构的仿生学研究;g 植物图像识别系统的建设;h 基于组学大数据的植物物种形成与进化研究。
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