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正在引领科技新潮流 "21世纪新生物学"悄然启动

2011-07-20  xiaoyy

本文导读

“新生物学”促资植物学研究

我们看到的只是冰山一角

促进植物学研究的新计划

重新考量植物学

  在科学界,从事植物叶柄的研究一直以来都不如对黑猩猩的大脑或癌细胞突变激酶基因研究那么诱人,然而,植物世界却一直是无数基础科学发现的灵感所在。

  比如,奥地利遗传学家格雷戈尔·孟德尔从对豌豆的研究观察中发现了遗传的基本规律;法国著名地球物理学家麦兰从向日葵的朝向发现了昼夜节律;诺贝尔奖获得者詹姆斯·萨姆纳从刀豆中首次获得了尿素酶的结晶;另一位诺贝尔奖得主芭芭拉·麦克林托克通过对玉米的研究获得了一个意想不到的新发现,即玉米中的可移动基因——俗称“跳跃基因”……

  如今,植物在许多令人振奋的新领域中,更是引领着科技新潮流。

  植物能告诉我们很多事情

  植物学研究已经导致了基础生物学领域内的许多发现,植物领域内还有更多的奥秘在等待着人们去揭示和发现。比如,植物是如何将数吨之水传送到高耸的红杉树顶部;又比如,橡树强壮的树枝是如何承受地心引力和强劲飓风的。

  “植物结构的复杂性超出了工程师们的想象,”加州理工学院生物学教授艾略特·迈耶罗维茨和乔治·比德尔说,“如果我们能理解这些机制,将会在工程学领域内开拓新的视界。”

  获取这些新知识不仅具有学术上的重要价值,同时还拥有许多实际用途。比如,了解激素的复杂机制,就能用来控制植物的生长;了解植物的生物化学机制,就能让植物获得更强的抗病害虫能力和抗干旱能力。尤其是目前对于面临全球多种挑战的人类来说,这已经是当务之急。

  而联合国的一些统计数字发人深省:预计到2050年,全球在目前68亿人口的基础上将再激增30亿,其中有近1亿的人口正在承受着营养不良的痛苦。同时,世界对能源的需求也在呈持续上升趋势,长期使用化石燃料产生的后果正日益明显,土地在需要生长粮食的同时,还要种植生物燃料作物,所有这些都对农业带来了巨大的压力。

  包括气候变化正在带来或酝酿一些风险极大的灾难性后果,比如,威胁着地球上最重要的小麦主产区的秆锈菌Ug99的传播。因此,人类必须考虑如何生产出更多的粮食和用作燃料或能源的植物材料。

  “2050年左右将多增加30亿人口,但土地资源不会增加,淡水资源也不会增多,同时还要面对地球气候发生的重大变化,所有这些都将对农业产生重大影响”,美国粮食和农业研究所主任罗杰·比切说,“我们需要改变农业,使作物在气候真正变暖后仍然可以正常种植,在较少灌溉水和较少使用化肥的情况下仍然能够高产。我们需要不怕虫害的植物,我们需要在气候变暖时不会生病的植物。”

  “新生物学”促资植物学研究

  2008年9月,美国国家研究理事会(NRC)开始关注一些最为紧迫的社会问题——食品、环境、能源、健康等——并探寻生物学研究可以作出最大贡献的一些领域。“很明显,几乎在所有上述领域内,植物都是解决这些问题的重要途径和主要来源,关键是能否及时获得解决方案。”NRC“21世纪新生物学”委员会副主席、美国麻省理工学院科赫综合癌症研究所教授、诺贝尔奖得主菲利普·A·夏普说。而比切认为,有这么多的东西需要去学习和了解,他担心的是我们的学习速度是否足够快。

  在面对如此多的紧迫任务的时候,人们可能会认为植物研究在世界各地都会得到重视和资助。中国近年来比较重视这方面的研究,在粮食生产不足的印度也得到了越来越多的支持。但在粮食充裕的美国和欧洲大部分地区,对植物研究却并不那么重视。在美国,生命科学中的植物学研究是最不为人关注的,联邦政府每年拨予生命科学研究400亿美元的经费预算中,植物学研究所占的比例不足2%,获大头的则是生物医学研究。

  为什么会这样呢?“我们只对我们本身感兴趣,”乔瑞解释说,“国会的人往往将着眼点放在疾病和人类健康方面。”更为重要的是,美国的农业是如此成功,以至于在不久前,联邦政府欲承担数十亿美元的代价在部分地区对种植业做出一些限制。“为什么要花钱去研究让农民生产更多作物的方法呢?”比切说,“正是我们的成功在一直阻碍着我们。”

  研究经费之间的差距在美国的一些研究型大学中也非常明显。杰出的植物学家维基·钱德勒说,从事癌症研究的实验室往往拥有大量的博士后和研究生,而研究植物的科学家所获得的拨款只够支持一位博士后研究员和一位技师。如果要支撑一个卓有成效的实验室则“十分困难”,许多有前途的研究生必须放弃植物学研究才能找到有经费支持的项目。对此,比切认为,“如果仅仅是经费的原因而无法实现目标,这是一种耻辱。”

  然而,并非都是坏消息。尽管支持度相对较低,植物生物学家和遗传学家在过去的10~15年内,已经取得了长足的进步。当乔瑞于1985年从细菌学研究转向植物生物学研究时,“已发现了一种植物受体,”她回忆说。如今,有了新的研究工具以及阿拉伯芥、拟南芥等植物遗传、生理和进化生物学研究的模式植物,植物生物学家对这些植物所进行的遗传基因测序获得了大量植物遗传学的知识。科学家们预言,植物基因组里存在着数百种基因编码的受体,目前已确定了这些已知植物激素的受体。

  例如,光生物学家已经了解到,植物中的某种光受体可感知附近植物的荫蔽,从非常现实的意义上来说,它能感知到与其争夺阳光的竞争对手——当这种情况发生时,植物就会调整生长激素,加快其生长速度。当然,这也是要付出一定的代价,在加速生长的同时,植物会降低对病虫害的防御能力。即植物群中的某一植物为争取在植物中长得最高的优势,即使意味着更容易受到虫害的侵袭也在所不惜。在研究中,乔瑞与德国图宾根的马克斯普朗克研究所的德特勒夫·威格尔还了解到,瑞典等受光照较低国家的植物,其感光受体的敏感程度是阳光明媚的西班牙同类植物的10倍以上。

  比切认为,“我们对遗传学的研究工具已经投入了许多,加大对植物学研究的投资时机已经成熟。”夏普补充道,加大投资“很可能会引发最大的知识爆炸,由于之前在该领域内投资严重不足,意味着加大投资会有更多回报的机会。”

  机会在哪里?“下一个挑战除了产量,还是产量,”乔瑞说。这意味着要绘制出成百上千种植物的基因图表及其细节,然后再学会如何操纵这些基因。NRC在“21世纪新生物学”报告中指出:“我们目前拥有的只是植物零件的清单,而不是汇编指令。”

  如果我们能够对玉米基因的汇编指令进行调整,是否能使其根系发展与土壤中的固氮微生物的关系更为密切,并以此减少其对肥料的需求?“确实有一些植物知道它们该怎么做,”钱德勒说,“甘蔗就和土壤拥有这种密切的关系,所以对氮肥的要求远远低于玉米。”

  我们可以发挥充分的想象力,想象如何通过植物生长出大量的生物质原料,包括是否有可能对草原上的牧草进行一些生物学上的改变,即通过“生物学精炼”途径,将牧草细胞壁上的纤维素改造成乙醇或其他燃料等化学物质呢?对此,霍华德·休斯医学研究所的杰拉尔德·芬克、怀特黑德生物医学研究所的玛格丽特·索科尔教授认为,“尽管目前这些还都只是科幻小说般的想象,但它有可能会成为现实。”

  通过生物化学途径实现的看似微小的变化会产生巨大的差异。以植物最基本的功能为例,通过光合作用,将阳光的能量转换成为植物的茎、叶、种子和果实,这一过程的核心是一种称为Rubisco的酶——它吸收二氧化碳,并将其结合进生物质中。乔瑞说,Rubisco酶可能是地球上最丰富的蛋白质,约占植物叶片总蛋白的30%,同时它也是一种非常低效的酶。比切表示,尽管植物只能捕获阳光照射中大约2.5%的能量,但若能进行基因调整以提高Rubisco酶对阳光能量的吸收率,比方说达到3%,我们就可以解决世界粮食问题了。

  即使无法提高酶的效率,通过对整个光合作用过程进行基因工程的重新设计,也能提高效率。约3%的植物(包括玉米和甘蔗在内)采用的是C4光合固碳途径,固碳产生四个碳原子,而不是更为普遍的C3途径那样产生三个碳原子——C4途径不仅吸碳效率更有效,对水分的要求也更少。因此,若将C4途径加入到C3植物中,可大大提高其生长速度,同时也更为耐旱。据剑桥大学的朱利安·希伯德估计,加入C4途径基因工程改造的水稻产量可提高50%。

  我们看到的只是冰山一角

  所有这些新发现对科学家来说十分诱人,但钱德勒指出,“我们看到的只是冰山一角。”比切和其他一些人认为,如果研究植物的科学家团队与其他学科的研究人员合作,采取更广泛更系统的研究方法,这一领域内将会有更多的发现。例如,为什么某些植物会形成共生植物群?这种生态系统是如何形成的?乔瑞说:“要了解某种生态系统是如何运作的,这是一项巨大的工程。”

  在全球气候变化的紧迫形势下,植物研究的另一条主线是,随着环境变化压力的加重,如何面对植物病害可能加剧的问题。对此,美国植物生物学学会执行理事克里斯平·泰勒说:“一个系统的生物学方法可以观察到植物某种病原体分子结构的详细情况,以及给植物带来的种种压力所产生的变化。”

  加州理工学院的迈耶罗维茨说:“通过数学与工程学的结合,以了解植物的生长机制,这是一个令人振奋的研究前沿。”例如,一棵树的分支结构,是基因和机械应力之间复杂的相互作用的结果。因这种互动以及细胞的实际物理结构而形成的树木的分叉结构,可用数学方法建立起某种模型。

  然而,大多数的实际应用还有待于未来的研究。目前正在进行中的项目有提高高粱的营养成分、提高植物根系对氮的吸收能力、给木薯等作物补充蛋白质、维生素和矿物质等营养物质,以及更好地了解我们从植物中获得的营养与人类健康之间的联系等。孟山都公司的科学家已经承诺,到2030年他们能够将玉米、大豆和棉花的产量提高一倍。对此,夏普认为,到目前为止“对于所有这些可能性,我们只是做了一些粗浅的尝试而已。”

  促进植物学研究的新计划

  据《科学》网站消息,美国霍华德·休斯医学研究所(HHMI)和戈登-贝蒂摩尔基金会(GBMF)近日启动一项基础植物学研究计划,并公布了一份15人的入选领军科学家名单,其中包括3位华人科学家。

  在未来5年内,这些来自美国各地13个研究机构的科学家将获得HHMI和GBMF提供的7500万美元研究经费,用于新的植物学研究项目。

  HHMI和GBMF认为,启动这项新的投资计划至关重要。“我们选择了一批杰出的植物科学家,他们将会在这一领域内作出非凡的贡献,”霍华德·休斯医学研究所副总裁兼首席科学官员杰克·狄克逊说。目前,HHMI和GBMF正计划开展对诸如小麦、玉米、番茄、拟南芥、苔藓和藻类等植物品种进行研究,准备探索以下的一些课题:

  ——如何令光合作用更有效率?

  ——如何有效进行植物的无性繁殖?

  ——植物是如何感知温度和昼长?植物又是如何利用这些信息来决定何时开花?

  ——植物如何控制根系的形态和功能?

  ——是什么使某些细菌能够诱导植物产生疾病?

  ——植物如何识别有益菌和致病菌?

  ——激素如何控制植物从胚胎到衰老的生命周期?

  GBMF的项目负责人、植物学家维基·钱德勒表示,“这些研究人员将获得一些新的知识,甚至有可能在植物科学研究中一些最紧迫的挑战面前,找到新的解决方案。HHMI和GBMF认为,植物研究带来的一些新发现,将对人类社会所面临并关注的一系列问题产生深远的影响,这一系列问题包括粮食生产、人类健康、环境保护和可再生能源等。
重新考量植物学

  ——美国学界呼吁重视植物学研究给我们的启示

  作者:赵寿元

  美国加大对植物学研究投入这一报道,反映了在美国有一批植物学家有感于当下植物学研究还需给予足够的重视,从而列举事实说明这方面的研究所具有的重要价值。其实,生命科学的各个学科(如动物学、微生物学等)都能说出很多理由,来论证本学科应得到更多的支持,植物学研究只是一个例子。

  我们不妨把这一动向看成是反映了美国人的某种危机感。上世纪80年代初针对日本科技和产业创新能力的大幅提升,美国发出过“狼来了”的警告。这些年,针对中国等新兴经济体的经济增长势头,美国人也在初等教育等各方面不断反思。这次美国学术界呼吁加强对植物学研究支持力度的呼吁,似乎也反映了美国的这种危机意识。平心而论,在生命科学研究的整体水平(包括植物学)上,美国仍是处于世界领先地位,因此我们不妨把这次美国霍华德·休斯研究所发起的为植物学请命之举,视为美国植物学界一次前瞻性的学科发展布局。

  这一报道透露,美国国家研究理事会(NRC)已成立“21世纪新生物学”委员会,该委员会将关注一些最为紧迫的社会问题——食品、环境、能源、健康等——并探寻生物学研究可以作出最大贡献的一些领域,植物学已名列其中。同时报道也透露,霍华德·休斯研究所已计划开展对小麦、玉米、番茄、拟南芥、苔藓和藻类等植物品种进行研究,并列出诸如:如何使光合作用更有效率、如何更有效地进行植物的无性繁殖、植物识别有益菌和致病菌的机制等课题。据悉,霍华德·休斯研究所已在NRC支持下,遴选了一批杰出的植物科学家担当重任。这些动向和实质性的举措,无疑是值得包括中国在内的各国生物学界关注的。

  作为农业大国,中国对植物学、遗传学等基础学科无疑是高度重视的,正在实施的国家“十二五”发展规划对这方面的研发投入一定会是一个增长的数字。这种重视和支持很大程度上可能是因为这些学科和农业有关,和粮食生产有关,这当然是非常正确的,但是美国植物学家的吁请着重提出了要加强对基础研究的资助。他们坚持,作为基础学科的植物学研究在深化人类对生命现象的认识方面具有重大价值,基础理论研究的成果将是实际应用的源泉。比如,了解激素的复杂机制,能用来控制植物的生长;了解植物的生化代谢机制,能使植物有更强的抗病害虫和抗干旱能力等。

  我们希望对基础研究的重要性想得更深一些,更远一些,并有相应的投入力度,如此,我们在这方面的发展一定会有更大的后劲。这是从这次美国学者呼吁要强化植物学研究引出的一点启示。

  赵寿元(复旦大学遗传学教授)

  总而言之,植物研究的成果不仅在神经科学、癌症生物学领域内令人兴奋,同时还提供了一个拯救世界的机会。科学家指出,推动植物研究的发展将有赖于各方面的支持。夏普说:“种种机会就在我们眼前,但植物研究在很大程度上面临着资金不足的困境。”而比切担心的则是基础科学的研发和公司开发能力之间的巨大差距,眼前的重点应放在能够获得快速经济回报的产品之上。他说:“目前尚未有足够的资源与途径来填补这一差距。”

 

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