摘要：2016年中国植物科学持续稳步发展, 表现在中国植物科学家在国际主流高影响力学术期刊发表文章的数量稳中有升, 中国植物科学领域的期刊逆风出行, 进入研究性期刊世界前三甲行列。中国科学家在植物学诸多领域取得了丰硕的成果。水稻(Oryza sativa)产量性状杂种优势的分子遗传机制解析入选2016年中国科学十大进展; 植物受精过程中雌雄配子体信号识别机制的研究和独脚金内酯的受体感知机制入选2016年生命科学十大进展。我国植物科学, 特别是以水稻为代表的作物研究在国际学术界已占有一席之地。例如, 在水稻组学(如基因组和转录组等)资源和技术平台的建立、重测序的开发及功能基因的克隆和调控网络的解析方面取得了系列重要成果(如揭示了独脚金内酯信号转导的“去抑制化激活”机制、从分子水平上阐释了水稻籼粳杂种不育和广亲和性基因S5的作用机理及发现了控制水稻耐冷的基因组位点), 已经引领世界水稻乃至作物科学研究。该文对2016年中国本土植物科学若干领域取得的重要研究进展进行了概括性评述, 旨在全面追踪当前中国植物科学领域的发展前沿和研究热点, 与读者共享我国科学家所取得的杰出成就。
撰文丨王小菁（华南师范大学）, 萧浪涛（湖南农业大学）, 董爱武（复旦大学）, 王台（中国科学院植物研究所）, 钱前（中国农业科学院水稻研究所）, 漆小泉（中国科学院植物研究所）, 陈凡（中国科学院遗传与发育生物学研究所）, 左建儒（中国科学院遗传与发育生物学研究所）, 杨淑华（中国农业大学）, 顾红雅（北京大学）, 陈之端（中国科学院植物研究所）, 姜里文（香港中文大学）, 白永飞（中国科学院植物研究所）, 孔宏智（中国科学院植物研究所）, 种康（中国科学院植物研究所）
原文全部作者（按论文署名顺序排列）
2017年1月, 正当全世界华人欢度中国传统节日春节时, 自然集团的植物科学专刊Nature Plants以社论的形式对中国植物科学的飞速发展作了评论, 认为中国的植物生物学研究已经确立了其在全球的卓越地位, 特别是在水稻(Oryza sativa)组学(如基因组和转录组等)资源和技术平台的建立、重测序的开发及功能基因的克隆和调控网络的解析方面取得了系列重要成果(Ma, 2016) (如揭示了独脚金内酯信号转导的“去抑制化激活”机制、从分子水平上阐释了水稻籼粳杂种不育和广亲和性基因S5的作用机理及发现了控制水稻耐冷的基因组位点), 已经引领世界水稻乃至作物科学研究, 称之为“中国的复兴”(A Chinese renaissance) (Editorial Office of Nature Plants, 2017)。中国科学家在顶级综合性期刊(如Cell、Nature和Science等)以及植物科学领域期刊(如The Plant Cell、Plant Physiology和The Plant Journal等)发表的成果数量也支持中国植物科学这一国际“领跑”地位的总体判断(种康等, 2016)。优秀研究成果的大幅增长促使高质量的研究论文连年倍增。统计数据显示, 2006年, 中国本土科学家在植物科学领域公认的顶级刊物(如The Plant Cell、Plant Physiology和The Plant Journal)上发表的论文总数占世界的6.3%, 到2016年这一比例迅速上升至约24%) (仅次于美国, 位居世界第2) (表1) (Editorial Office of Nature Plants, 2017)。此外, 据本刊不完全统计, 2016年中国本土科学家在植物及相关学科主流学术期刊上发表论文总数为445篇(2012年为181篇), 其中100篇(2012年为60篇)发表在最具影响力的刊物, 如Science、Cell和Nature系列、PNAS、EMBO Journal、The Plant Cell和Molecular Biology and Evolution等上, 与2012年相比显著升高。中国科学家在植物科学领域取得了令世界瞩目的巨大进步。
表1 2016年植物学三大学术期刊排名前5的国家发文量统计(数据来源: Web of Science)
2016年中国科学和中国生命科学十大进展, 也显示了植物科学在中国自然科学和生命科学中所占的地位。中科院上海植物生理生态所韩斌研究组与中国农科院水稻所杨仕华研究组合作揭示水稻产量性状杂种优势的分子遗传机制作为重要成果入选2016年“中国科学十大进展”, 该成果利用全基因组关联分析(GWAS)高通量手段对17套代表性杂交水稻品系的10074份F2代材料进行了基因型和表型性状分析, 解析了重要农艺性状杂种优势基因群特征; 全面、系统地鉴定出了控制水稻杂种优势的主要遗传位点, 并详细剖析了三系法、两系法和亚种间杂种优势的遗传机制。这一发现将有利于进行高效的杂交优化配组, 极大地缩短获得具有高产、优质和抗逆杂交品种的选育周期(Huang et al., 2016d)。该研究对推动杂交稻和常规稻精准分子设计育种实践具有重大意义。利用这项研究成果, 有望创制出具高配合力特性的亲本材料和聚合双亲优点的常规稻材料, 从而培育出更加优异的作物品种(汪鸿儒和储成才, 2017)。
在2016年“中国生命科学领域十大进展”中, 植物科学有2项成果入选, 分别为植物雌雄配子体识别的分子机制及植物分枝激素独脚金内酯的受体感知机制的解析。中科院遗传与发育所杨维才研究组揭示了拟南芥(Arabidopsis thaliana)中花粉管识别雌性吸引信号的受体蛋白复合体及其信号识别和激活的分子机制; 回答了植物生殖生物学多年来一直悬疑的问题——花粉管与雌配子体之间如何感知及互作。这一重要研究成果引起了国内外同行专家的关注, 并获得高度评价(彭雄波和孙蒙祥, 2016; Li and Zhang, 2016), 国际同行在同期的Nature杂志上对该工作进行了点评(Cheung and Wu, 2016)。该研究组通过转基因手段将其中一个信号受体导入荠菜(Capsellarubella)中, 并与拟南芥进行杂交, 转基因荠菜的花粉管识别拟南芥胚囊的效率得到明显提高(Wang et al., 2016n)。研究成果为克服杂交育种中的杂交不亲和性提供了重要理论依据, 对推动该领域的研究具有开创性意义。入选2016年“生命科学十大进展”的另一项植物科学成果是清华大学谢道昕研究组发现了独脚金内酯的受体感知机制, 揭示了“受体-配体”不可逆识别的新规律。他们通过解析独脚金内酯及其受体复合体(AtD14-D3-ASK1)的结构, 发现受体D14参与激素活性分子的合成和不可逆结合, 进而触发信号转导链, 从而调控植物分枝(Yao et al., 2016b)。研究成果丰富了生物学领域过去百年建立的配体可逆地结合受体并循环地触发传递链的“配体-受体”识别理论, 为创立生物受体与配体不可逆识别的新理论奠定了基础(常金科和黎家, 2017)。
纵观我国植物激素研究, 以植物组织培养及其产业化为标志在1970–1990年代取得了世界瞩目的成就。近年来, 我国在植物激素作用机制研究方面开始呈现引领的势头, 这些重要进展在很大程度上得益于国家自然科学基金委员会(NSFC)为期十年的植物激素重大专项(已于2016年圆满结题)资助。该专项指导专家组组长李家洋院士等学者近期出版的专著《植物激素代谢与信号转导》(Hormone Metabolism and Signaling in Plants)是对该专项重要成果的总结(Li et al., 2017)。独脚金内酯代谢和其受体复合物的分离及独脚金内酯信号转导通路解析等系列成果是该专项的代表性成果(种康等, 2016);复杂结构植物激素的检测鉴定与“组分析”平台的建立则解决了我国植物激素研究的技术瓶颈问题(Li et al., 2016b)。
植物光合作用的原初反应从光系统II开始, 是由25个以上的蛋白质亚基以及众多色素和其它辅因子组成的超大膜蛋白-色素复合物。光合膜复合物吸收、传递和转能机制的解析有助于仿生材料的制备与人工模拟光合作用, 其结构解析的难度不言而喻。中科院生物物理所柳振峰研究组与国内多家单位合作, 使用单颗粒冷冻电镜技术, 在3.2Å分辨率下解析了菠菜(Spinacia oleracea)光系统II捕光复合物II超级膜蛋白复合体的三维结构, 揭示了LHCII、CP29和CP26向天线复合物CP43或CP47传递能量的途径, 并对光保护过程中发挥作用的潜在能量猝灭位点进行了定位(Wei et al., 2016)。研究结果对在分子水平上深入理解PSII-LHCII超级复合物中的能量传递时间动力学和光保护机理具有重要意义。在光形态建成研究领域, 福建农林大学林辰涛研究组证明了植物隐花色素的光诱导蛋白质二聚化反应为其原初光反应的关键步骤, 发现了隐花色素的二聚化反应受到2个隐花色素抑制因子(BIC)的调控, 以决定植物光受体活性与信号强弱, 进而调控光形态建成和生长发育进程(Wang et al., 2016j)。我国从2000年开始加大对自然保护的投入。中科院生态环境研究中心欧阳志云研究组与国外科学家合作, 分析了我国第一个“全国生态环境10年(2000–2010年)变化调查评估”数据, 确立了将生态系统服务与受益者区域生态保护相结合进行评估的新方法, 为更好地认识中国天然林保护工程等所造成的影响奠定了基础(Ouyang et al., 2016)。
科技期刊在某种意义上代表了国家科技发展的总体水平, 近年来我国出版的国际学术刊物的影响力突飞猛进。SCI《期刊引证报告》(2013–2017)的数据显示, 近5年SCI收录的我国植物类期刊数量迅速增长, 2012年仅收录了151种, 到2016年猛增至188种, 涨幅达24.5% (数据来源: Web of Science)。2016年我国植物科学领域的期刊Molecular Plant (MP)逆风出行, 影响因子在研究性期刊中仅次于Nature Plants, 位列第2。MP创刊仅10年时间, 其在植物科学领域的所有211种SCI收录的期刊(研究性和综述类)中排名迅速升至第5, 居于前2.37%。此外, 办刊历史悠久的Journal of IntegrativePlant Biology (JIPB)也呈现良好的发展态势, 2016年度其在SCI收录的植物学学术期刊中位列第24位, 已连续5年位居Q1区。科技期刊作为科研成果的展示平台, 其快速崛起标志着我国植物科学研究在国际学术界的地位在快速提升。
本年度我国科学家在植物科学领域取得了许多重要的研究成果。为了帮助读者全面、系统地了解当前中国植物科学发展的最新前沿和热点, 我们对2016年中国植物科学领域的重要成果, 按照不同的研究方向进行了分类整理(资料来源: 国际著名的综合性学术期刊和植物科学的顶级及顶尖期刊)。由于资料收集和篇幅限制, 仅能浅尝辄止, 也可能有遗漏, 敬请同行谅解。
注：由于篇幅所限，本文仅摘录总论部分，有关详细的成果整理可直接到植物学报官网地址http://www.chinbullbotany.com//CN/10.11983/CBB17147下载阅读。
说明：本文首发于2017年第52卷第4期《植物学报》，《植物学报》官方微信号亦有全文发布，BioArt获授权刊载。感谢《植物学报》编辑部的支持！
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