论文部分内容阅读
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。
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。
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。
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”推进植物学研究
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”RRC“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。
在面对如此多的紧迫任务时，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。但在美国，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。
然而，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。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。
此外，我们还可以充分发挥想象力。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，该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。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Rubis-co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，但植物学家维基·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?
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。”
总之，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。”
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。
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。
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。
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”推进植物学研究
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”RRC“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。
在面对如此多的紧迫任务时，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。但在美国，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。
然而，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。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。
此外，我们还可以充分发挥想象力。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，该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。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Rubis-co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，但植物学家维基·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?
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。”
总之，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。”