我国植物学的优先发展领域与重大交叉研究领域

我国植物学的优先发展领域与重大交叉研究领域

（一） 植物多样性的研究、保护和持续利用

植物多样性的形成过程和演变及知识植物多样性研究的中心问题。植物多样性保护研究涉及对植物多样性从宏观到微观的全面认识。珍稀、濒危、特有以及具有重要经济价值的物种的保护，地球环境演变和气候变化对植物多样性的影响，是宏观植物学科关注的热点。我国受威胁的植物物种达4700多种，目前仅对其中的189种植物进行了U安眠的资源状况调查和保护现状评估。要全面评估珍稀、濒危物种以及重要野生植物资源，特别是我国特有的、具有重要经济价值和重要科研价值的物种或类群的分布和保护现状。要研究者珍惜、濒危、特有植物的生物学特性，并揭示一些物种濒危的原因，为制定更有效的保护政策提供依据。协同进化在维持植物多样性方面的作用也将得到更多的重视。地球上不同生物之间复杂的相互作用使得协同进化成为促成和维持生物多样性的一个重要动力。当生态系统的结构和功能受到威胁或破坏时，将影响种间关系，尤其是物种间的协同进化关系，甚至导致物种灭绝。特别是地球环境变化、外来物种入侵等问题对我国植物多样性的影响也愈显突出，人类活动对植物多样性的影响也需要受到重视。 重要研究方向：

1） 我国植物多样性现状以及变化趋势研究；

2） 植物多样性（特别是物种多样性）形成的遗传、分子和生态基础研究； 3） 珍稀濒危物种的生态学特性及其致濒原因研究； 4） 植物多样性保护和持续利用的理论与实践研究； 5） 全球变化对生物多样性的影响及其分子机制； 6） 入侵动植物对植物多样性的影响。

（二） 重要种植资源的评价、收集与保护研究

我国具有丰富的植物资源，但是其复杂性增加了对资源进行系统深入研究的难度。现代分子生物学和基因组学的快速发展和其他新的实验手段，为高水平利用植物资源创造了良好条件。植物资源作为重要的自然资源受到国际和国家的关注。加强对我国植物种质资源的收集保存关系到我国经济可持续发展和国家生物资源的战略安全，尤其是立足中国本土特有战略植物资源的基因资源发掘、认识植物资源的存在及演化规律、功能及服务效应则显得尤为重要。需要选择一批经济价值高或者应用潜力大的植物资源，利用基因组学新方法发掘控制植物重要性状的基因和机制，深入挖掘存在于野生植物资源中的有用基因和生物活性成分，建立功能基因库和生物活性成分分子资源库，以满足国家在环境、能源、农业和人类健康方面的需求；拓展跨基因组的精细结构和功能比较发掘，推进基于代谢途径的进化以及相关基因功能的演变；将模式生物的遗传和基因功能研究成果大规模应用到经济植物的遗传改良和新型生物产业所需资源发掘、特异基因利用和育种改良，从而解决制约我国经济社会可持续发展的植物资源发掘利用瓶颈和认识局限。重点发掘速生、抗极境逆境，如抗寒、抗旱、抗盐碱的新物种、新种质、新基因资源和功能成分。 重要研究方向：

1） 重要地域和特殊环境中生物资源的调查研究；

2） 3） 4） 5） 6） 中药和疑难植物类群的分类学修订和专著性研究； 野生种质资源收集、整理和保存的理论与实践；

粮食、水果和蔬菜等重要经济作物引种驯化和栽培起源的历史研究； 野生植物中重要基因资源的评价、挖掘和保护； 植物天然活性产物的发现与作用机制研究。

（三） 植物系统发育与进化研究

植物的进化造成种类和数量的增加，以及结构和功能的复杂化，包括新性状的产生，关键植物性状，如光合作用、花、双受精和种子等，对相关植物类群在结构复杂性和环境适应性等方面都有积极作用。由于关键植物性状的产生直接或间接导致了植物的进化和植物多样性的产生，对关键植物性状产生机制的研究是探讨生命进化和生物多样性形成机制的前提和基础。在植物发育生物学和分子进化生物学发展的基础上，植物进化发育生物学近年来有了很大的进展。比较基因组学的进一步发展和新的模式生物体系的建立将大幅度地推进植物进化发育生物学的研究。进化与发育都是在一定的生态环境中发生的，因此，由生态植物学和进化发育生物学交叉而产生的生态进化发育生物学将成为一门大有发展前景的新兴学科。近几十年来，由于解剖学、胚胎学、细胞学、遗传学、古生物学、生态学和分子生物学等学科的不断交叉和渗透，以及基因组学和生物信息学等新兴学科的出现，系统与进化植物学研究得到了前所未有的发展，研究手段不断丰富，理论体系日益完善。 重要研究方向：

1） 植物进化历史的重建与“生命之树”的构建； 2） 植物进化的式样、过程与机制研究；

3） 植物基因和基因组进化的规律与机制研究； 4） 植物发育过程和代谢途径的分子进化研究；

5） 关键形态学和生理、生化性状的起源和演化研究； 6） 植物的分布格局与普系生物地理学研究。

（四） 植物在多种环境中生长与发育的可塑性

植物的一个重要特征是它们不能逃避复杂的环境胁迫，只能通过调节自身的生理生化和发育过程以适应环境的变化。植物在长期的进化过程中，已经形成了对一些环境因子响应的内在规律，如光质、光周期、温度、营养等。不同植物种类都有其独特的反应规律。以往的研究对植物在营养期抵御各种逆境（干旱、高温、低温、高湿、盐碱和主要病原菌等）的途径和机制进行了分子遗传学分析，并且对植物很多器官在优越条件下的发育过程也作了阐述，但缺乏对植物在不同环境尤其是逆境胁迫下发育机制的探索。由于植物抗逆性的改变往往导致其生长发育过程改变，因此在农业生产上，经常遇到植物的抗逆性提高了，但在环境条件好的情况下反而减产的情况。要解决这样的问题，即如何使植物在不同环境条件下的生长发育具有可塑性和稳定性，只有清楚了解植物在不同环境下的重要发育过程的机制才能成为可能。这方面的研究包括植物识别和应答各种环境因子，如干旱、极端环境、光周期、CO2和重要营养元素等方面的分子机制，以及它们对生长发育的影响。而且逆境下的植物生长发育过程，往往通过调控内源因子，尤其是各种植物激素的水平和信号转导过程来实现，因此内源因子和外源因子互作的遗传和分子机制，是具有巨大应用前景的基础

研究领域。植物与微生物之间的相互作用是植物与其环境之间的关系中的一个重要方面，这方面的研究将促进对植物营养的高效利用乃至生长发育的分子机制的理解，是国际上植物学研究的热点领域。

近年来，对病原菌中新效应蛋白的研究，一方面阐明了效应蛋白抑制植物抗性的分子机理，另一方面发现了植物抗病蛋白识别这些新效应蛋白的机理。植物抗病反应涉及植物与病原菌之间的分子互作，对病原菌的研究可能为植物抗病机理的研究以及抗病育种提出新思路和新方法。对病原微生物致病机制的深入研究可能会提升对植物抗病机理的认识，获得原创性成果。

通过遗传学的研究，以重要的调控抗病反应的基因为基础，利用分子生物学、遗传学以及基因组学的方法在植物中发掘在抗病反应中起关键作用的新的功能基因，明确这些基因在植物抗病反应中的功能，将有助于阐明植物抗病反应的遗传规律，了解植物抗性调控的复杂网络。 重点研究方向: 1) 植物对非生物逆境的适应与应答机制； 2) 植物与共生微生物的相互作用机理； 3) 植物抗病的分子机制和调控网络； 4) 植物与昆虫的相互作用以及所诱导的植物信号传递。

（五） 植物激素的生物合成与作用机制

在植物的生长发育过程中，最终起决定作用的主要是各种植物激素，因此植物激素的研究，是通过做物分子设计以改变株型，提高作物产量和抗逆性的重要理论基础。国家自然科学基金委员会也对激素研究给予高度重视和支持，于2007年启动了“植物激素作用分子机制”的重大研究计划。在模式植物拟南芥中，基本建立起了各种植物激素的生物合成模型。也发现了各种植物激素修饰、失活甚至降解的多种途径。同样的，主要以拟南芥为模式植物，各国科学家已经发现了各种重要小分子植物激素的受体，包括乙烯、生长素、油菜素甾醇、ABA和茉莉酸的受体。在水稻中，发现了赤霉素的受体。2009年，国内外的科学家分别解析了生长素和ABA受体的蛋白结构。目前，已经建立了生长素、脱落酸、茉莉酸和赤霉素的从受体到转录调节因子的最短信号转导过程。油菜素甾醇和乙烯的信号通路中的很多重要组分已被发现，但是从受体到转录调节因子的全部过程模型还没有完全建立起来。各种植物激素在调控植物生长发育时，往往通过相互作用来完成。最近几年，各国科学家对与激素信号途径的相互作用领域开始重视起来，初步将是解析生长素和乙烯、生长素和茉莉酸、生长素和油菜素甾醇、油菜素甾醇和脱落酸信号途径相互作用的一些机制。虽然在早期研究植物激素的信号转导和分子机制领域，我国与国际同行有较大差距，如除了脱落酸意外，大部分植物激素的受体是由国外的实验室发现的。但是通过这几年的科研投入和人才培养及引进，在植物激素研究的很多新兴领域，我国与国际高水平实验室的差距明显缩小，甚至在某些方面还处于国际领先水平。

植物在生长发育过程中受到各种生物和非生物逆境的影响了解植物抵御生物和非生物逆境的分子机制，既是重要的理论问题，又是作物分子设计以提高植物抗逆性的理论基础。通过遗传学、细胞生物学、生物化学和植物生理学等手段的有机结合，各国科学家在抗逆性的分子机制研究方面取得巨大进展。包括我国科学家在植物营养胁迫、ABA信号转导和抗病分子机制研究方面也取得

了突破性的进展。我国科学家提出了包括植物响应低钾胁迫的钾吸收分子调控理论模型。ABA是一种重要的植物逆境反应激素，多种逆境因子通过影响植物体内ABA的水平，从而影响植物的生长发育。2009年，ABA的受体及其信号转导途径领域取得了突破性进展，包括新的ABA受体的发现，受体蛋白结构的解析及其到细胞核的信号通路基本建立起来。由于多种胁迫因子的复杂性，对于胁迫下植物生长发育的机制研究有待于进一步深化。

在过去十几年中，对很多植物生物合成与信号转导途径的遗传调控网络的研究取得了长足发展，尤其是大部分植物激素的受体机器信号转导途径和决定植物器官或者细胞分化的遗传网络中的很多重要组分已经确定。但是，对于植物细胞信号转导途径的研究还远远不够，除了进一步建立完全的单一途径，这些信号转导组分在生化和细胞水平是如何被调节的、不同信号途径组分之间是如何交叉的是将来研究的重点。另外，还要充分理解植物信号转导途径及其相互作用网络必须要在器官、组织以及细胞层面上解决特异性和专一性的问题。例如，同一个信号转导途径或者遗传途径在不同组织和器官中的工作模式可能是不同的。并且，对各种单一刺激的基因表达谱分析也产生了大量数据。植物本身作为一个整体，其最终命运是由多种信号相互作用的结果而决定的。但是对这些信号途径是如何相互作用，进而共同调控一批基因表达的分子和生化机制，相关研究才刚刚起步。因此，在未来的研究中，应以研究基础比较好的植物模式系统为材料，采用复合遗传学、蛋白质的翻译后修饰、蛋白质互作网络分析、蛋白质与核酸的相互作用、蛋白质的亚细胞定位、基于高通量测序的基因表达和基因调控等研究手段，最终建立植物基因调控的遗传和蛋白质互作网络。

重要研究方向：

1） 植物激素组织特异性合成及其在植物生长发育中的作用机理； 2） 植物激素信号转导的分子生化机制和亚细胞定位； 3） 植物激素调控网络及其作用分析。

（六） 植物表观遗传调控机制

各种表观遗传学修饰之间相互作用、相互影响，从而共同来调节植物的生长发育。例如，在植物中发现的亲本印记现象，即父方或母方的某些等位基因，在子代的表达不同，具有不对称性，因而成为印记，且具有持久的传代能力。拟南芥的MEA基因是植物发育早期的一个具备印记功能的关键基因，编码了一个特异的组蛋白H3K27甲基转移酶。MEA突变体表现胚乳过度增殖及母系遗传的种子败育。MEA基因的印记受DNA甲基转移酶MET1和DNA糖基酶DME（demeter）之间的拮抗调控。胚乳中DME可以去除母源MEA基因中5-甲基胞嘧啶的甲基化（5mC），从而激活母源MEA的表达，MEA可能与其他来源于母源基因组的PcG蛋白一起通过H3K27的甲基化导致了父源MEA基因的沉默。 表观遗传学作为近几年才被广泛重视的一个新的研究领域，它涉及生命科学中许多重要的科学问题.表观遗传学的主要特点是通过调控基因的表达来实现对生物学性状的影响。目前以及未来5~10年的研究方向主要还是涉及三个方

1表观遗传学是如何进化而来的，面：○表观遗传的修饰是怎样被书写和去除的，

2表观遗传修饰是如何被特异性识别的，如何实现对基且维持的机制是什么；○

3环境因素如何通过表观遗传机制而调控基因的表达从而因表达的有序控制；○

影响个体性状、植物抗性，这一点对于植物而言尤其重要。我国虽幅员辽阔，

但可耕种土地不多，如何利用表观遗传的相关原理培育出抗寒冷、抗干旱、抗盐碱等新植物品种以及经济性状优良的品种也是我们要面对的挑战。 重要研究方向：

1） 表观遗传学的进化，表观遗传的修饰及其维持机制；

2） 表观遗传修饰的特异性识别及其对基因表达的有序控制； 3） 环境因素对植物生理发育过程的表观遗传调控。

（七） 植物重要代谢途径及其调控网络

新陈代谢是各种生命活动的基础。植物具有发达的次生代谢途径，能产生20多万种次级代谢产物，其中包括控制植物生长发育与抗性的植物激素，保障光合作用进行的叶黄素、胡萝卜素和维生素等。另外，次级代谢产物在沟通植株于其他生物之间的关系方面也起着类似于人类“语言”的作用。次级代谢物（如色素）研究还对遗传和表观遗传规律的揭示起重要作用，如转座子、共抑制等表观遗传。但是，迄今大量的次级代谢物及其代谢途径还有待鉴定。近年来，随着基因组学、基因功能组学、转录组学和代谢组学等学科和分析技术的兴起，为研究植物代谢途径及其产物的主要生理功能和调控机理创造了有利条件，代谢研究也成为国际前沿领域。其实，代谢途径在体内是一个协同调控的网络结构，对这个网络结构的认识才刚刚起步。加强植物代谢途径的研究将快速推进我国整个植物学的健康发展。 重要研究方向：

1） 植物营养代谢和养分高效利用的遗传分子机制； 2） 植物代谢物的组学分析和调控网络； 3） 植物次级代谢途径及其调控网络； 4） 植物光合作用的分子机制以及调控。

（八） 植物细胞的结构与功能

植物细胞具有多个特征，包括细胞壁、质体以及具有特殊结构与功能的细胞骨架。植物细胞壁在细胞形态和信号转导中具有重要作用，影响了多个生理和发育机制。同时，植物细胞壁是植物生物质的重要组成部分，其包括了出生和次生细胞壁形成等过程和相应的调控机制。另外,植物特有的细胞壁中的胞间连丝是细胞间的信号转导和营养运输的重要通道。植物细胞中具有叶绿体等特有的细胞器，在植物生理生化过程中具有极其重要的功能，并通过碳固定和氧气生成对全球气候产生显著影响。植物细胞骨架具有植物特有的结构，在细胞分裂、分化与生长中起关键作用。因此，对植物细胞壁、细胞器和细胞骨架的进一步研究将促进植物学多方面研究的进展。 重要研究方向：

1） 植物细胞壁形成及重要组分产生的调控机理（纤维素、非纤维多糖、木

质素等）；

2） 细胞壁的生物学功能，包括胞外信号转导途径和机理； 3） 重要细胞器的产生及其功能调控机制；

4） 细胞器基因组、遗传机理及其与核基因组之间的相互作用； 5） 植物细胞骨架结构与功能。

（九） 重要器官与组织形成的分子基础

植物的各种器官、组织以及一些具有特异功能的细胞形成是植物发育生物学研究的重点。近年来，表观遗传学在阐明发育生物学中的一些关键问题方面取得了显著进展。例如，发现小分子RNA可以引导DNA甲基化以及异染色质组蛋白修饰，导致序列特异性转录基因沉默，还发现去泛素化酶的突变抑制siRNA指导的DNA甲基化，以及转基因和转座子的异染色质沉默等。而这些调控机制在细胞分化和状态维持中起关键作用。另外，此领域的研究成果也为植物细胞与组织特异性标记的挖掘与应用奠定基础。对基因在发育上功能的理解需要在形态上有明显差异之前就能识别不同的细胞和组织。而且，辨别细胞和组织也对植物品种的分子设计有重要作用。也就是说，具有细胞和组织特异性的分子标记是研究发育过程的重要工具。另外,细胞和组织特异性的调控方式和元件将有利于转基因的组织特异性表达，以达到转基因的专一效果。例如，植株的矮化往往也会导致植物其他器官，如育性的降低。因此通过寻找和坚定细胞和组织特异性的标记，不但有助于研究不同组织和器官的发育过程，也有助于合理利用目前已知的功能基因，毒植物不同部位细胞的大小、分裂和分化进行有效控制。

重要研究方向：

1） 根茎叶及其重要组织的生长发育机制； 2） 植物细胞增殖和极性生长的分子调控； 3） 植物特殊细胞分化的调控机制。

（十） 植物生长发育的分子机制

通过细胞生物学、分子遗传学和基因组学等学科交叉手段，重点研究植物生殖发育过程中与农业生产和学科前沿相关的关键科学问题，包括生殖干细胞分化、性细胞产生、配子体形成和配子细胞分化的遗传调控机理与分子网络，自交不亲和的分子基础，花粉管生长的分子调控机制，配子细胞相互作用中的信息传递规律以及雌雄配子膜融合后雄核和雌核会合的分子机理，了解胚胎发育早期合子极性建立、合子激活及形态建成的分子调控机制，胚乳发育的表观遗传调控、合子与胚乳相互作用以及无融合生殖的遗传规律等。未来，我国寻求在植物种内和种间不亲和的分子机制、花粉萌发与花粉管生长的遗传调控、雌雄配子体识别和无融合生殖基因克隆等领域实现重大突破。

以各种突变体材料及操作体系为依托，利用多学科交叉手段，通过对植物有性生殖重要环节的研究，弄清控制高等植物有性生殖中细胞分化和形态建成的规律，从基因、细胞、组织、器官和分子网络水平上揭示植物有性生殖的遗传调控机理，了解这些过程的遗传调控规律和分子机理，罪重为提高作物升值效率和产量，获得农作物优良品种提供理论与技术支持，同时在植物有性生殖研究领域为我国培养优秀的研究人才。 重要研究方向：

1） 植物（包括多年生植物）开花时间的遗传和表观遗传调控； 2） 单子叶华胥/穗型和花器官的调控机制； 3） 减数分裂调控与无融合生殖的遗传基础；

4） 雌配子体分化与胚乳早期发育的分子机理和表观遗传调控； 5） 自交不亲和以及种（亚种）间生殖障碍的分子机制； 6） 植物雌雄细胞识别的分子机理；

7） 胚胎和胚乳形态建成的分子调控网络；

8） 母系遗传的生化和表观遗传机制。

（十一）植物重要基因产物功能的生化和细胞学研究

随着现代植物学的发展，基因克隆已不是影响人们认识植物表型的主要障碍，尤其是以拟南芥和水稻为代表的模式系统的广泛应用，使决定很多中药性状的关键基因已被克隆。目前的瓶颈是如何深入研究这些基因产物的生化和细胞调控机制。在模式动物研究中，国际上多家实验室往往采用不同方法和从不同角度对一个蛋白质的功能及其调控机制进行研究。这些研究成果为有效利用这些基因奠定了坚实基础。但是，在植物学领域，我们对很多重要基因的认识仅止步于其缺失和过表达后的表型，而对它们的生化功能和调控机制缺乏系统的研究。很多基因产物的蛋白质活性往往受多种方式调节，如蛋白质的磷酸化和脱磷酸化、亚细胞定位及其稳定性调节等。另外，很多基因产物的功能是多方面的，可能参与多种不同的生物调控途径。因此，如果不对其功能及调控机制进行全面和深入的研究，将严重限制这些基因在植物遗传工程中的有效利用。为此，国家自然科学基金委员会在“十二五”规划中将加强对重要功能蛋白的结构与功能、蛋白质的翻译后修饰调控机制（磷酸化和脱磷酸化等）、功能蛋白的互作网络、重要蛋白质的亚细胞分布及其调控等领域的资助。 重要研究方向：

1） 植物重要功能蛋白的生化机制与三维结构； 2） 植物重要蛋白质的翻译后修饰； 3） 植物蛋白相互作用及调控网络； 4） 植物蛋白的亚细胞分布与定位。

以上内容来自于《未来10年中国学科发展战略——生物学》P67-75

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/f6ra.html