全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2008, 25 (6): 633-637, w w w .chinbullbotany.com
收稿日期: 2008-09-12; 接受日期: 2008-09-16
* 通讯作者。E-mail: w enmz@mail.ns fc .gov .cn
.综述.
谈中国植物科学基础研究与农业发展
温明章 *, 陈越, 谷瑞升, 罗晶, 杜生明
国家自然科学基金委员会生命科学部, 北京 100085
摘要 该文讨论了加强植物科学基础研究的必要性及其对我国农业发展的重要影响。为了更好地为中国的农业发展服务, 进
一步加强植物科学基础研究非常重要。为了促进植物科学的发展, 我国既要积极参与国际竞争, 又要重视知识创新、技术发
展以及技术平台建设等多个方面, 还要重视传统学科如植物分类学等的发展。过去10年间, 我们见证了中国科学家在植物科
学领域取得的重要成就, 随着越来越多的高水平人才回国, 建议国家增加投入支持我国的植物科学基础研究。
关键词 基础研究, 中国, 农业发展, 植物科学
温明章 , 陈越 , 谷瑞升 , 罗晶 , 杜生明 (2008). 谈中国植物科学基础研究与农业发展. 植物学通报 25, 633-637.
农业在我国有着无可比拟的地位, 是国家安全和社
会稳定的基础。在当前环境和条件下, 促进农业的发展
是社会各界关注的焦点。植物科学作为一门基础学科,
与农业有着密切的联系。如何发挥植物科学基础研究
源头创新的潜力, 为农业发展服务, 是从事植物学研究的
学者应该关注的一个重要方面。
1 加强植物学基础研究的必要性
1.1 基础科学研究重要性的要求
基础研究的动力来自于科学家对自然世界发展规律探索
的兴趣, 来自于人类社会和经济发展的需求, 是人类进步
和社会发展的源动力, 是高新技术发展的重要源泉, 也是
实现可持续发展的重要保障。基础研究厚积薄发, 对社
会、经济产生了重大影响。随着科学的发展, 基础研
究向实际应用的转化周期正在逐步缩短。国家目标是
任何公共投资都必须优先考虑的重要内容, 美国克林顿
政府在 1994 年发布的科学政策报告《科学与国家利
益》中强调科学既是无尽的前沿, 也是无尽的资源, 是
国家利益中的一种关键性投资; 增进基础研究与国家目
标之间的联系被作为其科学政策的核心目标之一
(Clinton and Gore, 1994)。因此, 我国的基础研究在
保证科学家研究兴趣的同时, 也要高度重视国家目标和
国家需求。
1.2 植物科学基本任务的要求
植物科学的基本任务是认识和揭示植物界中所存在的各
种层次的生命活动的客观规律, 包括结构与功能、生长
发育、进化、分布及其与环境的相互作用等规律。从
人类最早采集植物、驯化野生植物并加以种植到对植
物进行系统分类, 从对植物的肤浅认识到植物细胞学、
植物生理学、植物营养学及植物遗传学的逐步兴起与
发展, 人类对植物生命活动的探讨逐步加深。植物分子
生物学和基因组学的迅猛发展, 使人类对植物的认识能
力进一步增强, 也进一步激发了人类深入了解植物生
存、生长和发育知识的兴趣, 植物学的发展为作物农业
提供了基础知识。由于植物本身的复杂性和多样性, 人
们对植物科学的研究任重而道远。
1.3 我国发展现代农业的要求
我国现代农业的发展目标包括提高农业生产的产量, 解
决温饱问题, 让占世界 7% 的耕地能持续养活占世界
22%的中国人; 提高农产品的品质, 同时考虑营养、口
味、健康等, 适应人们生活水平不断提高的需要; 保护
634 植物学通报 25(6) 2008
环境和生物多样性, 发展旅游、观光、休闲农业等; 维
持良性的生态循环, 包括培育抗逆、抗病、抗虫品种,
尽可能少使用化学农药, 减少环境污染。要实现由绿色
革命向基因革命的转变以适应人们逐步提高的生活需求,
必须依赖植物学基础研究取得的前沿成果和随之发展起
来的高技术。设在美国的国际农业生物技术探索服务
公司公布的年度报告显示, 2007年全球转基因作物的种
植面积达到 1.14亿公顷, 比 2006年增长了 12%, 其中
抗除草剂和抗虫作物是主要类型; 目前全球77%的转基
因作物的种植集中在美国、阿根廷、巴西和加拿大, 中
国也种植大面积的转基因作物(International Service for
the Acquis ition of Agri-biotech Applicat ions, 2007)。
转基因作物品种的需求和种植面积将逐年增大, 这些都
为植物学基本理论的探讨和方法的创新提供了广阔的
研究空间。
2 现代植物学基础研究对农业发展的推
动作用
2.1 从分子、基因组等水平阐明植物本身的客
观规律, 为改造农作物提供理论基础
在分子生物学和基因组学的带动下, 现代植物科学发展
迅猛, 新的学科生长点和前沿领域不断涌现。由于拟南
芥和水稻基因组测序已经完成, 因此加速我国植物功能
基因组的研究并推动以改良重要农艺性状为目标的农业
生物技术的发展将对我国的农业和经济发展起到至关重
要的作用, 同时这也是生命科学领域的一大研究热点。
植物功能基因组学包括转录组学、蛋白质组学和代谢
组学 3个主要部分。这一新兴领域的诞生使得组学的方
法与观念渗透到传统的生理学中, 将植物生理学纳入了
植物功能基因组学研究的大领域, 并促进了遗传学的发
展。从近年植物学研究的状况看, 植物基因功能的确
定、植物激素作用机制的研究、植物生长发育和代谢
等调控网络的构建等备受关注, 其研究成果将逐步成为
现代农业发展的源动力之一, 现代植物学研究前沿对农
业发展的影响将更为深远。如拟南芥基因组计划揭示
了大量涉及氮素吸收、代谢和分配相关的基因, 植物学
家经过研究可以确定氮素状态(有机 N和无机 N)调控的
基因网络, 分析鉴别氮素反应的顺式因子并鉴定重要基
因的功能, 阐明该基因表达蛋白的生化特性, 揭示出与其
它生物大分子相互作用的意义, 并确定每个基因的时空
表达。研究将使人类更深入地了解植物体中的氮素代
谢和复杂的调控网络。由于氮源和氮素代谢在作物产
量中发挥着中心作用, 这些结果将对农业发展有着广泛
的影响(National Science Foundation of USA, 2001)。
植物学中很多最基础的学科被分子生物学、基因
组学和生物信息学赋予了新的活力和发展潜力, 使其研
究与农业生产的关系更为密切。光合作用是植物最基
本的生命特征, 相关的研究结果是农业中作物、蔬菜、
花卉等提高光能利用效率的基础。植物抗逆是一个复
杂的信号转导和调控过程 , 包括抗旱、抗盐碱、抗
热、抗寒、抗养分缺乏和抗重金属毒害等, 深入探讨
其适应机理可以为提高作物适应环境的能力提供实验依
据, 并在以植物生理学特征为指标的植物新品种选育中
显示出优越性和重要性。植物生殖生物学是提高作物
育性和产量的理论基础, 从传粉、受精、胚胎发生到
种子生理等都成为当今植物学的研究热点之一。植物
次生代谢研究也日趋受到重视, 在农业上, 代谢组可直接
反映农作物的生理状况和农产品的品质性状(尤其是营养
价值)。次生代谢与植物的抗性和品质紧密相关, 植物
对病害和虫害的抗性在很大程度上取决于细胞内植保素
的合成调控, 而植物化学的研究是研制绿色抗杀虫剂的
基础。生物进化论和植物遗传学是常规作物育种学的
理论基础, 遗传、变异和选择是作物育种工作的主要依
据, 根据植物遗传变异的规律, 可以提高作物育种的科学
性和预见性。而对引种驯化的探索则是农作物大规模
种植的基础。
2.2 为作物育种提供新的资源和材料
新品种选育是农业发展的重要方面, 而作物育种在很大
程度上依赖于优异基因的供体。 植物学基础研究一方面
可以通过对野生植物资源的调查寻找常规育种所需的材
料, 如我国超级稻的选育就得益于在海南发现的野稗; 另
一方面, 植物杂交优势的研究可以通过组织和器官特异
635温明章等: 谈中国植物科学基础研究与农业发展
表达的启动子使花粉败育从而获得油菜和烟草等的雄性
不育系和恢复系, 从而为育种提供新的材料。此外, 分
子生物学的发展使有用基因的克隆成为可能, 并可获得
转基因植物。目前科学家已经克隆了大量具有潜在应
用前景的基因, 包括抗病基因(铁氧环蛋白基因、杀菌
肽 B 基因、几丁质酶基因和 b-1 ,3 葡聚糖酶基因等)、
抗虫基因(Bt 毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂和植物外源凝
集素基因等)、抗逆境基因(拟南芥的甘油 3-磷酸乙酰转
移酶基因、叶绿体谷氨酰胺合成酶基因和钙调蛋白基
因、精氨酸脱羧酶基因等)和品质改良相关基因(富含脯
氨酸蛋白基因、WAXY 基因、八氢番茄红素合成酶及
其脱氢酶基因、Fe 结合蛋白基因等)等。目前最成功
的转基因应用可能是已被世界各国大范围种植的具有抗
虫、抗除草剂特性的转基因棉花。而通过向棉花中转
入发卡式双链RNA基因从而抑制2个脂肪酸脱氢酶的表
达, 可以使转基因棉花油中含有更多的单不饱和脂肪酸
(油酸)或 18碳饱和脂肪酸(硬脂酸)。
2.3 发展新技术、新方法 , 推动农业生物技术发
展
植物学前沿领域的迅猛发展, 必然要求不断吸收和借鉴
其它学科的先进技术和手段并加以改进, 以发展适应其
自身特点的新技术和新方法, 而这些方法又被进一步应
用到农业科研和生产中。近年来, 植物分子生物学技
术、转基因技术及高通量筛选、生物信息技术和蛋白
质组学的相关技术也在农业领域中得到发展和应用, 为
农业基础研究和遗传育种提供了技术保证。
3 我国植物学基础研究应重视的几个方
面
3.1 积极参与国际竞争, 重视源头创新理论的建
立与阐述
由于现代植物学中的许多热点研究对未来农业的国际竞
争具有举足轻重的战略地位, 世界各国的竞争激烈。美
国自1990年启动植物基因组学计划后, 于 2000年底公
布了模式植物拟南芥的全部基因组序列, 自 2001年开
始, “拟南芥 2010年计划”又全面启动, 目标是到2010
年确定拟南芥所有基因的功能。日本在水稻研究方面
投入了大量的经费, 目前已建立了包括 4 000余个分子
标记的高密度水稻分子连锁图谱, 共包含 28 000 个
cDNA克隆图谱。我国在拟南芥研究方面具有一定的基
础, 培养了一支研究队伍, 在转录因子的研究上建立了相
应平台; 在水稻功能基因组方面国家也投入了相当多的
经费支持, 我国在水稻9311精细图及粳稻日本晴 4号染
色体的精细测序方面已处于世界领先水平, 水稻功能基
因组学研究布局已基本就绪。如何抓住机遇, 阐明拟南
芥和水稻中与重要农艺性状相关基因的作用机制, 并发
掘与育性、产量、品质、抗性和杂交优势等相关的基
因, 争取占有更多的重要基因资源, 从而为基因革命做好
知识和技术上的储备, 是植物学家当前的一个重要职
责。所以, 我们应该从国家层面优先支持一些前沿和重
要领域, 发挥我国植物学研究的优势, 逐步营造有利于创
新的环境, 培育创新思想, 从源头上与其它国家展开竞争。
3.2 重视经典学科的发展
由于学科发展的不平衡, 植物经典分类、资源植物评价
和引种驯化的基础研究等领域得不到足够的重视, 尤其
是在当今的基础研究评价体系下, 造成了急功近利的思
想, 为我国农业的长期稳定发展埋下了隐患。优良种质
资源(包括粮食、木材、天然药物、能源、油料、果
蔬和花卉等)是远源杂交、分子遗传育种的基础。21世
纪人类面临的最重大挑战之一将是如何解决对植物资源
的极大需求和可持续发展之间的矛盾, 这就要求加强对
野生植物资源的研究, 发掘其中涉及抗寒、抗旱、速
生、早熟、优质高产等特性的基因, 用以培育植物新
品种, 以满足社会和经济快速、持续发展的需求。在
国际竞争中, 谁拥有丰富的植物资源并掌握保护、利用
植物资源的新知识和新技术, 谁就掌握了长期发展的主
动权。我国植物资源现状令人堪忧, 如农作物野生近缘
种灭绝速度加快, 包括野生大豆、野生稻、小麦、果
蔬、园林和花卉等特殊经济植物资源流失严重, 国外利
用中国特殊植物资源开发的猕猴桃、切花等, 对中国的
相关产业产生了很大的冲击。从中国农作物育种存在
636 植物学通报 25(6) 2008
的问题看, 种质资源狭窄是限制优质品种改良的主要因
素之一, 所以对世界范围内的野生植物资源进行搜集和
鉴定是当前的一项重要工作。我们要树立开放的意识,
在注意生物入侵问题的前提下, 一方面加紧对我国重
要、珍稀和濒危植物的研究与保护; 另一方面要与周边
国家和拥有丰富植物资源的国家加强合作, 关注有重要
经济价值和发展潜力的植物种类, 既要重视植物分类工
作, 又要重视引种过程中的基本理论问题。
3.3 重视研究手段、技术方法和实验平台的创
新
随着我国科技投入的逐步加大, 各高等院校和科研院所
都非常重视科研成果的产出, 而许多单位将实验室建设
尤其是仪器设备的购置放在了首位。虽然仪器设备的
投入在我国科研起步阶段是必需的, 但当我国的科研水
平发展到一定阶段, 研究平台、实验体系的建立和仪器
设备的开发、技术的建立发展就成为我国能否长期具
有潜在创新能力的重要条件。经费可以买来先进的设
备, 但永远买不来研究领域的领先地位, 因为研究的手段
和源泉来自于其它国家。我国在一些科技规划和优先
领域中也提到了研究方法和手段的重要性, 但缺乏大规
模、高强度资助建立研究平台和技术的项目。而美国
为了保持其在绝大多数研究领域领先的地位, 在项目资
助过程中非常重视对该类项目的支持, 如在“2010年计
划”2001-2005年已资助的103个项目中涉及技术、研
究平台和实验材料开发的为25项, 其它项目在研究中也
都非常重视公共数据库的建设。所以, 我们在重视基础
研究的同时, 应更多关注新技术、新方法的发展和新材
料、新仪器的开发, 建议国家结合大的资助计划, 出台
相应的倾斜政策并设立专项推动此项工作, 以保证我国
基础研究的长远发展不受制于人。
为了达到推动该项工作的目的, 首先要在政策上改
变目前的基础研究评价体系。因为在以 SCI论文为主
要评估导向的今天, 很少有人去做建立技术平台和开发
实验材料等不容易发表高水平论文的服务性工作, 尽管
这些工作的重要性人人皆知, 因此从政府到单位要有相
应的措施保证这些工作得到承认和认可。其次, 要在国
家前期投入的基础上实现公益性与商业化运作相结合的
模式, 由国家资助建立的数据库和实验体系对非营利性
科研单位应是免费服务的, 而对逐步发展起来的各种商
业机构的服务应允许其收取相应的费用, 以维持工作的
运转和进一步的研究开发。
3.4 加大经费投入, 做好宏观布局
作为一个发展中国家, 我国面临的问题和困难比较多, 在
基础研究方面的投入相对较少。以国家自然科学基金
植物学科近 20年资助的项目和经费情况来看, 自 1986
年国家自然科学基金委员会(NSFC)成立至 2006年, 植
物学科共资助各类项目 1 601项, 经费26 187万元人民
币, 远远低于发达国家在植物学研究方面的投入。美国
仅拟南芥 2010年计划, 从 2001至 2005年度就已资助
1.2亿美元, 相当于20年来NSFC植物学科总资助经费
的 4倍。所以我国要想在植物学研究领域赶上和超过其
它发达国家, 加大经费投入势在必行, 在此基础上根据科
学和生产的需求, 确定优先发展的领域, 以点带面, 推动
植物科学全面发展。
4 结束语
近些年来, 大批海外留学人员回国, 使我国植物学研究
队伍迅速壮大。为了使我国从农业大国迈向农业强
国, 同时考虑到植物学发展要求的迫切性, 希望国家对
能够占领控制农业发展制高点的植物学前沿和重要领
域加大投入。另外, 鉴于目前我国科研经费投入相对
较少, 在学科布局上要做到科学合理, 一方面关注前沿
领域, 因为这是学科和农业发展的主导源泉; 另一方
面要扶持我国资源上有优势、研究上相对薄弱但又关
乎长期国家安全和发展潜力的学科 , 做好资源、知
识、技术和人才的储备, 真正促进我国农业长期、稳
定和持续发展。
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Th e Depa rtme nt of Life Scien ces, Nati ona l Na tural Sci ence Fo und ati on of Chin a, Bei jin g 1 0008 5, Chi na
Abstr act Here w e discuss the need to strengthen basic research in plant science and the impact of bas ic research in plant
sc ience on agricultural development to better serve the agricultural needs of China. Spec ial emphas is is on promoting international
competition, know ledge innovation, technology development and research platf orms , as w ell as c lass ical disciplines such as plant
taxonomy. During the past 10 years, w e have w itnessed signif icant progress in plant sciences by Chinese sc ientists. As more
talent is returning to China, more governmental support is needed to further strengthen plant sc ience research in China.
Ke y w ords ba sic re search, Ch ina , d eve lop ment of ag riculture , p lant scien ce
We n MZ, Chen Y , Gu RS, Luo J, Du SM (2 008). Ba sic rese arch in plan t science and the develop ment of agri culture in China . Chin Bull
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* Author for correspondence. E-mail: w enmz@mail.nsf c.gov.cn
(责任编辑: 刘慧君)
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