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植物激素的二次“绿色革命”

点击： 作者：科学时报 来源： 时间： 2006-11-10 　本站论坛

        一个世纪以来的实践证明，植物激素在作物遗传改良和育种方面起到了革命性的作用。在日前举行的以“植物激素和绿色革命”为主题的第286次香山科学会议上，与会专家指出，在当前我国主要农作物产量长期徘徊不前的形势下，充分利用植物基因组学知识，主动探索主要植物激素关键基因在植物生长发育中的调控作用，将有望使作物产量再次实现大的突破。

        第一次“绿色革命”的成功经验

        会议执行主席、中国科学院副院长李家洋院士介绍说，植物激素是植物体内合成的一系列天然化合物，以极微量的浓度引发植物生理反应，控制或影响着植物的生长发育和产量的形成。一个多世纪以来的实践证明，植物激素研究的成果是人类进行植物遗传改良和育种的重要理论源泉之一，对提高作物产量起到了革命性的推动作用。

        上世纪中期，人口的快速增长给全世界的粮食安全带来了非常严峻的挑战，而作物育种中遇到的“高产和倒伏的矛盾”制约着水稻、小麦等主要农作物产量的进一步提高。以Nonnan  Borlaug博士为代表的育种家，把来自小麦品种“Norin  l0”的半矮秆基因册RHT运用到小麦育种中，培育了一系列高产抗倒伏的小麦品种。与此同时，中国台湾和国际水稻研究所的育种家，利用起源于我国的水稻农家品种“Dee-geo-woo-gen”携带的半矮秆基因SD1，育成了一系列高产抗倒伏的水稻品种。

        植株高度大大降低的小麦、水稻半矮秆新品种，因表现出抗倒伏能力强、产量潜力大和对化肥反应敏感等显著特点，迅速在世界范围内得到了大面积的推广应用，使得世界粮食总产在短时间内大幅度提高，从而在全世界范围内解决了当时由于人口快速增长对粮食安全带来的严峻危机，这一历程即为众所周知的“绿色革命”。Nonnan  Borlaug博士因此而荣获诺贝尔奖。40多年后，借助于分子生物学的技术手段，科学家们发现原来是植物激素“赤霉素”的巨大生物学效应带来了造福全人类的“绿色革命”。

        李家洋院士表示，总结第一次“绿色革命”成功的经验，一个普遍的共识就是要使作物产量再次大幅度提高，必须对产量赖以形成的植物总体的生长发育状况进行重大调控；同样是来自第一次“绿色革命”的启示，对植物生长发育和产量形成息息相关的植物激素无疑是首先应当瞄准的突破口。

        植物激素研究一直是“热门”

        会议执行主席、北京大学校长许智宏院士说，自从上个世纪初期发现植物激素以来，以植物激素为主体的研究几乎涉及到植物生物学的各个领域，研究内容包括激素的化学本质、生理功能，生物合成途径及其调控，信号转导途径及其调控，激素与植物生长发育，激素与植物对环境胁迫适应性等方面。除生长素、赤霉素、乙烯、细胞分裂素和脱落酸“五大经典”植物激素外，越来越多的植物生长调节物质，包括油菜素内酯、茉莉酸、多胺甚至一些多肽类信号分子等也被归到植物激素家族中。尽管人们的认识水平和研究手段随着时代的变迁不断进步和发展，研究的侧重点也有所变化，但植物激素研究一直是植物生命科学的热点，也是最活跃的领域。在人们认识到带来第一次“绿色革命”的水稻SD1基因和小麦RHT基因分别是赤霉素合成和信号转导的关键基因后，植物激素领域的研究再度升温，国际竞争日渐白热化。

        进入21世纪，植物激素领域一系列高水平的研究成果相继问世。2005年，我国科学家钱前和日本科学家联合在Science杂志上发表文章，证明细胞分裂素在大幅度提高水稻产量方面具有重要作用。他们利用这一机制成功地培育出了改良水稻品种，其产量得到大幅度提高，而且具备抗倒伏等优良特性。2006年1月，日本科学家在Nature  Biotechnology上报道，使一个油菜素内酯合成的关键基因失活，可以有效地提高密植条件下水稻群体的光合能力，使群体产量提高30％以上。另外，已经分别在玉米、高粱矮化高产育种中广泛利用的BR2和DW3基因，被证明是植物体内与生长素转运相关的基因。上述植物激素研究在调控农作物产量方面作出了重大贡献。

        亟待回答的科学问题

        回顾植物激素研究的历史，人们在激素化学本质的鉴定、激素生物合成的酶学过程、传统植物生理水平上激素的生物学效应等方面取得了大量的知识积累。借助于分子遗传学和生物化学的思路和方法，当前对植物激素识别及信号转导的研究也处于一个快速发展的阶段。但李家洋院士指出，这些进展所揭示的亟待回答的科学问题远远多于已经明确的科学问题。

        当前，人们对植物激素本身的许多重要科学问题，如代谢、修饰及转运、识别及信号转导的分子基础的认识仍然是片面的、零散的；对激素发挥其生物学效应的分子机制的认识更是刚刚起步。植物激素研究中的植物如何感受激素，信号转导导致哪些功能基因表达发生了变化，其生化功能如何等都有待阐明。各种植物激素之间存在复杂的相互作用，激素信号转导途径形成错综复杂的网络系统，而我们对激素互作网络的研究还没有真正从系统生物学意义上开始。探讨和研究这些问题对于人们从根本上认识激素调控植物生长发育特别是作物产量性状形成的分子遗传机制具有不可或缺的科学意义。

        我国科学家近年来在植物激素代谢调控、转运、信号转导等领域取得了重要进展，特别是激素受体基因分离鉴定、激素调控株型以及激素间相互作用机理等方面取得了突破性进展。

        与会专家指出，当前我们面临的形势是主要农作物单产水平在一个比较高的基数上长期徘徊不前，而人口持续增长、土地资源严重匮乏和农业生态环境不断恶化的制约，又一次使得粮食问题成为我们必须面对的严峻挑战，也由此决定了必须在现有基础上再次大幅度提高主要粮食作物单位面积的产量。如果说第一次“绿色革命”对赤霉素效应的利用是不自觉的，那么在分子生物学和植物基因组学迅速发展的今天，主动地探索激素调控植物生长发育特别是产量形成的分子机制并将这些知识运用于育种实践，将有望实现使作物产量再次“革命性”提高的第二次“绿色革命”。