探索植物抗逆高效奥秘

科技日报/2008年/5月/7日/第007版

发现?求索

探索植物抗逆高效奥秘

——访植物生理学与生物化学国家重点实验室

记者唐婷　实习生冯雪

主任：武维华院士

时间：2008年4月29日

地点：中国农大植物生理学与生物化学国家重点实验室

对武维华院士的采访是记者在一个多月前约好的，虽未谋面，但感觉他是一个非常忙的人。采访中，武维华却说自己不忙，面对记者有些诧异的眼神，他笑着说：“说自己忙会被认为是不会安排时间，所以再忙我也会咬紧牙关对别人说不忙。”他的幽默一下子让谈话的氛围轻松了许多。

记者：首先请您给大家科普一下，植物生理学主要研究些什么呢？

武维华：简单说，植物生理学研究和探讨的核心内容是植物生命活动过程中的“功能及其调控机理”。比如，植物根组织细胞如何从土壤或水体中吸收无机营养和水分，叶片组织中叶肉细胞的叶绿体如何从大气环境中固定二氧化碳，植物体内的有机物和无机物如何通过维管束被转运，植物各部分的活细胞如何感受并传递环境刺激信号，植物如何适应恶劣自然环境等功能实现过程的机制以及不同功能过程之间的相互协调和作用机理等，这些都属于植物生理学的研究范畴。

需要特别指出的是，植物生理学的研究范畴并不局限在个体、组织和器官、细胞、分子等某一结构层面上，研究植物生命活动功能的过程可以是在较为宏观的个体或组织、器官水平上，也可以是在细胞和分子水平上。近几年来，随着植物基因组学研究的迅猛发展，植物科学家们已经开始了“植物功能基因组学”的研究，而植物生理学正是研究植物的“功能及其调控机理”的科学，这无疑为植物生理学研究的发展提供了更为广阔的空间。

记者：植物生理学与生物化学国家重点实验室是在怎样的背景下建立的呢？

武维华：我国农作物生产中的淡水、土地等资源严重匮乏已严重制约着我国农业的可持续发展，而愈来愈多耕地的大面积盐渍化、荒漠化和淡水资源短缺等问题日益加剧又使作物生产中的环境胁迫问题更加严峻。同时，我国磷、钾等矿产资源匮乏，每年要耗巨资进口磷钾化肥，农作物生产中磷钾肥施用量不足严重限制了作物产量的提高，而且还造成了氮肥浪费及由此带来的环境污染。总之，干旱、盐碱、磷钾亏缺等非生物环境胁迫已成为制约我国农业可持续发展的重要因素。

另一方面，过去半个多世纪对植物响应和适应非生物逆境的生理生化及分子遗传机制的研究表明，植物的抗逆性状是受遗传基因控制的。因此，通过培育适宜于在干旱、盐碱、土壤贫瘠等地区栽培的农作物抗逆新品种将不仅能够有效增加我国农作物产量，而且还能通过有效利用干旱、荒漠化和部分盐渍化土地而大大缓解我国土地资源匮乏的问题。

因此，开展植物抗逆高效的生理及分子生物学基础研究是我国农业可持续发展的重大需求之一。在这样的大背景下，本实验室2002年1月由科技部正式批准建设，2003年8月经科技部正式批准通过验收。

记者：实验室的总体定位和主要研究内容是什么？

武维华：本实验室的总体定位是，根据我国经济和社会发展对农业可持续发展的重大需求、

结合国际植物科学的发展趋势，系统、深入地开展植物科学领域的创新性基础和应用基础研究。

在基础研究方面，实验室重点探索植物响应及适应干旱、高盐、低温、营养亏缺等逆境胁迫信号转导网络调控机制及分子遗传机理等重要理论科学问题展开研究。在应用基础研究方面，实验室克隆一些有重要应用前景、有我国自主知识产权的重要农艺性状功能基因，开展转基因作物品种的培育工作；研究并建立符合我国农作物生产实际的作物抗逆高效化学调控生产技术体系，力争为解决我国农业面临的水、耕地、磷钾资源匮乏等问题做出贡献。

实验室的总体研究方向是植物抗逆和水分、养分高效吸收利用的生理及分子生物学基础。围绕总体研究方向，实验室共设立五个研究方向：植物响应非生物逆境胁迫的细胞信号转导分子机制；植物细胞骨架结构与功能的细胞与分子基础；植物生长发育与器官分化的调控机理；植物应答非生物逆境的基因表达调控机理；植物水分、养分高效利用的生理及分子生物学遗传机制。

记者：围绕上述研究方向，近年来实验室取得了哪些代表性的成果？

武维华：实验室李召虎、段留生研究组通过多年的持续研究和集成创新，建立了棉花化学控制栽培技术体系，成功解决了棉花因徒长而导致产量低、品质差和费工、低效等长期存在的难题。该研究相关技术成果获2006年教育部高等学校科学技术奖一等奖和2007年国家科技进步二等奖。

他们建立了黄河流域、长江流域和新疆三大棉区各具特色的棉花化控栽培技术体系，并进一步研究了限制抗虫棉丰产性和抗虫性协同表达的生理基础，还建立了抗虫棉化控栽培新技术。生产实践证明，该成果的技术成熟、科学完善、转化率高，可以稳定增加棉花产量10%—15%，改善棉纤维的品质，对环境和人畜高度安全。据不完全统计，仅2004—2006年棉花主产区山东、新疆等7省区（现占全国棉花面积近90%），应用棉花化控技术超过9千万亩，增产皮棉7亿公斤以上，新增社会经济效益90亿元以上，节约棉花整枝用工2亿个。

我所在的研究组长期探索植物钾营养高效分子调控机理，特别是对植物根细胞钾吸收的主要执行者AKT1的分子调控机理进行了深入系统的研究，该项研究的主要结果发表在2006年6月30日出版的《Cell》杂志上。

我们证明了模式植物拟南芥根细胞钾离子通道AKT1的活性受蛋白激酶CIPK23的正向调控，而CIPK23的上游受两种钙信号感受器CBL1和CBL9的正向调控。在拟南芥植物中过量表达CIPK23、CBL1或CBL9基因以增强AKT1的活性，能显著提高植株对低钾胁迫的耐受性。基于研究结果，我们提出了包括CBL1/9、CIPK23和AKT1等因子的植物响应低钾胁迫的钾吸收分子调控理论模型。该项研究成果在认知植物钾吸收利用的分子调控机理方面有理论科学意义，也可能在利用分子操作技术改良植物钾营养性状方面有潜在应用价值。

记者：目前实验室在国内外相同学科领域实验室中的地位和作用如何？

武维华：实验室的研究工作多年来在我国植物生理生化研究领域处于领先地位，具有较宽广的学术领域和学术特色，承担了一批国家重大科研任务，特别是在植物抗逆、高效的生理生化及分子基础研究方面在国内领先、并在国际上有一定影响。

目前实验室已形成一支以优秀学术带头人为核心的研究队伍，吸引了数位在国际上有影响的优秀年轻学者，凝聚了一批具有发展潜力的中青年学术人才，学术队伍结构层次合理，具备了从事高水平创新性研究工作的实力与条件。

记者：作为实验室主任，您在管理实验室的过程中有哪些感受？

武维华：我最大的感受是我们实验室非常团结，我认为构建一个团结、有实力的团队是实验室建设里最重要的事情。我们这个团队里年纪最大的已经98岁高龄，最年轻的才20多岁，大家在一起相处的十分融洽。我总结过，很多时候造成不团结的原因在于利益分配上，于是我经常对大家讲，“遇到利益让一让，遇到困难多干点”，不知不觉这已经成为了实验室的一种文化。

我还有一个观点就是“无为而治”，实验室里的相当一部分杂事我是不管的，当然这并不是说什么都不管，而是说在实验室管理运行上做到公开透明。为保证实验室各项重大决策的科学化、

民主化和规范化，我们专门设立主任负责制下的室务委员会，室务会人员由实验室主任、副主任及主要学术带头人和学术骨干组成，实验室的重大事项在实施前须提交室务会讨论决定。

培养和树立活跃的学术讨论氛围对实验室来说也很重要。我们实验室两周左右会组织一次学术交流会，一般是由一两个教授向大家介绍他的研究工作，然后大家会就他所介绍的内容展开讨论。最开始我们是要求每位教授都必须参加，现在不用要求，大家都会主动来。

■编者按

我国农作物生产中的淡水、土地等资源严重匮乏已严重制约着我国农业的可持续发展，而愈来愈多耕地的大面积盐渍化、荒漠化和淡水资源短缺等问题日益加剧又使作物生产中的环境胁迫问题更加严峻。同时，我国磷、钾等矿产资源匮乏，每年要耗巨资进口磷钾化肥，农作物生产中磷钾肥施用量不足严重限制了作物产量的提高，而且还造成了氮肥浪费及由此带来的环境污染。

另一方面，研究表明，植物的抗逆性状是受遗传基因控制的。因此，通过培育适宜于在干旱、盐碱、土壤贫瘠等地区栽培的农作物抗逆新品种将不仅能够有效增加我国农作物产量，而且还能通过有效利用干旱、荒漠化和部分盐渍化土地而大大缓解我国土地资源匮乏的问题。

2002年1月，科技部正式批准建设植物生理学与生物化学国家重点实验室，2003年8月经科技部正式批准通过验收。实验室的总体定位是，根据我国经济和社会发展对农业可持续发展的重大需求、结合国际植物科学的发展趋势，系统、深入地开展植物科学领域的创新性基础和应用基础研究。