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02-08 植物生物学及其在国民经济发展中的作用

日期:2007-02-08  访问次数:4426


匡廷云
中国科学院植物研究所

匡廷云(女) 植物生理学家。1934年12月29日生,四川资中人。1956年毕业于北京农业大学。1962年毕业于苏联国立莫斯科大学,获生物学副博士学位,1982年美国密执安州立大学授予她“卓越的研究访问学者”证书。历任中国科学院植物研究所研究员、副所长,中国植物生理学会副理事长,植物学报副主编,《Chinese J•Batony》副主编。1995年当选为中国科学院院士。主要从事植物生理生化、光学作用、叶绿体膜叶绿素蛋白复合体的结构与功能研究。


一、植物生物学研究的基本任务
植物科学研究的对象是从低等到高等整个植物界及其与自然环境的相互作用。它的基本任务是认识和揭示植物存在的各层次的生命活动的客观规律,从分子、膜层、细胞、器官到整体水平的结构与功能、生长发育的规律、进化与分布的规律以及与环境相互作用的规律等。揭示新的原理和探索新的技术,广泛应用植物科学的理论和方法去解决当今人类面临的粮食短缺、能源耗费、环境污染、生态系统退化及平衡失调等严重问题。
近20年来,生命科学研究的迅猛发展,植物学家不仅在宏观方面采用先进技术,进一步揭示了植物空间分布及演化的规律,在微观方面在分子水平上对植物生命活动的本质也有了更加深刻的认识。植物学各分支学科分工合作,协调发展,以前所未有的规模对植物界进行开发、改造和利用。汤佩松教授把这一时期称为“创新植物学”(Creative Botany)时期。在这一时期中,分子生物学的迅猛发展极大地丰富和充实了经典植物学,人们不断地以新的思路和技术来研究植物学中的重大问题,以求达到按人们的主观愿望去利用和改造植物界,使植物学的知识转化为强大的生产力,从而推动国民经济的发展。植物科学的发展对推动整个自然科学的发展、加速国民经济的发展、加速国民经济建设、提高全民族的文化素质具有十分重要的意义。植物科学是生物科学的一个十分重要组成部分。它的发展深刻地影响到当代自然科学和技术的进步。植物科学的规律可以概括为非生物体系的无机界物质运动的规律在植物体内复杂的生物系统的综合表现,植物界生物现象本质的阐明使物质运动的规律具有更普遍和深刻的意义。因此植物科学的发展将导致自然科学进入复杂性研究的新领域,对自然科学的发展具有非常重要的意义。植物科学在理论上的成就为利用植物和改造植物提供了必要的基础理论和基本知识。植物学是农业和不久将蓬勃发展的植物天然产品产业的理论基础。植物科学基础研究的重大突破将导致农业技术的革命。例如19世纪植物矿质营养理论的阐明,导致化肥的应用和化肥工业在20世纪的发展。光合生产效率理论研究成果创造了粮食生产技术中矮化品种的培育及密植的栽培技术,使粮食在20世纪中大幅度增产,被誉为“绿色革命”。植物科学通过对植物区系、资源、植被(包括海洋植被)、珍稀濒危植物的调查、研究和预测,为国土整治、农业区划、资源开发、工业发展、城市建设、港口建设、交通运输、水利建设等规划提供了国家宏观决策的科学依据,从而促进社会经济的迅速发展,避免因违反自然规律而造成的失误。植物科学对完善人们的哲学观,陶冶人们的精神生活、文化修养和高尚情操也有着重大影响。
半个多世纪以来,尤其在新中国成立以后,我国植物生物学经历了艰苦创业的奠基阶段,逐步建立了植物生物学的各分支学科,并造就了一支5000余人,具有一定科研素质的科学队伍。在基本资料的累积,基础理论研究方面取得了一批宝贵成果,受到了国内外同行的好评,产生了较大的影响,同时还解决了许多生产实践中提出的实际问题,为社会主义建设和国民经济的发展作出了重要贡献。我们相信,植物生物学在为实现本世纪末我国国民经济产值翻两番的目标中将会作出更大的贡献。

二、植物生物学在国民经济发展中的作用
植物是生物圈的主要构成成分,植物种类繁多、数量浩瀚达40万种。植物对于整个生物界的贡献是巨大的。植物是自然界的第一生产力。通过植物所进行的光合作用是地球最大规模地把太阳能转变为化学能,把无机物合成为有机物,以糖、淀粉、脂肪、蛋白的形式加以贮存。植物是人类、动物及大多数微生物的最根本的食物来源,也是无数再生资源的源泉。光合作用放出的氧气是大气中氧气的主要来源,当今人类文明所需之燃料(如石油、煤、天然气等)也都是远古植物光合作用的产物。可见植物在自然界和人类生活中具有不可替代的作用。其次,植物在维护生态环境和地球上的物质环境的平衡中起着不可替代的作用。植物通过体内所进行的各种分解与合成的代谢过程,参与自然界生态环境中及生物圈中物质循环的维持。植物在调节气温、土壤和大气的水分以及在净化生物圈的大气和水质方面,亦起到重要作用。植物创造并维持着人类赖以生存的生活环境。植物体内存在着千千万万种天然有机化合物,是人类利用和开发植物资源的源泉。由于植物界在长期进化过程中形成的无数的遗传性状决定了植物在个体形态、生活习性、代谢类型、群体组成、地理分布以及生物之间的相互依存关系等方面都有着千差万别的多样性。由于长期进化过程中形成的千姿百态的植物界,是一个天然庞大的基因库,是自然界留给人类的宝贵财富。因此,植物学的研究对于农业生产,对于医药以及植物工业原料的开发利用,都有很大的意义。尤其是现在,整个世界面临着人口膨胀、粮食短缺、能源枯竭和环境污染等严重问题,这种意义亦就显得越来越明显了。
1.我国地处亚洲东部,自热带到寒温带的广大、具有复杂地理环境的地区。拥有世界上最为复杂的植物区系,植物种质资源极为丰富(就高等植物而言,就约3万种)。我国是世界作物起源中心之一,起源于我国的原始种有谷类、薯类、蔬菜、果树、药材、香料、染料以及纤维等170多个品种,这为我国实现四个现代化建设提供了主要的物质基础。
至今我国已采集标本1000多万份,已编写出《中国植物志》50卷,为我国植物资源的开发利用提供了最基本的资料。为了使植物种类达到永续利用、植物引种驯化、物种迁地保护我国已建立了110个植物园和树木园。同时还对物种进行就地保护,建立自然保护区近763个。编写了珍稀濒危植物《红皮书》,以告诫人们特别要保护《红皮书》上的每一种类。目前还着手建立野生植物种质资源库。为了更合理地利用我国植被资源,我国植物生态学工作者通过多年的实地调查与研究,编写出版了《中国植被》一书。它不仅使人们对我国植被的类型和地理分布规律具有一个全面而深刻的了解,为我国植被的研究开创了一个新阶段,而且对我国农牧业生产的发展和战略布局,也具有很重要的宏观指导意义。此外我国的植物生态学家们还编著出版了许多省区植被专著,以及编制出版了1:400万的《中华人民共和国植被图》。为国民经济规划,国土的综合治理以及大农业发展战略等宏观决策提供了基本资料和科学依据。
古植物学的研究为寻找煤和石油以及有关金属矿物提供了科学依据。污染生态学的研究,筛选出百种以上对大气、水质污染反应敏感或具有抗性和净化环境作用的植物,为环境保护作出了一定贡献。
随着社会主义精神文明和物质文明的发展,了解植物资源的化学组成,是合理开发植物资源的重要前提。解放以来,我国植化工作者对约3000多种植物作了不同程度的化学成份分析,发现了3000多个新的化合物,其中有许多化合物具有药理活性,是医药工业的重要原料。现已开发利用的植物种类包括:淀粉植物、油脂植物、蛋白质植物、饮料植物、食品添加剂植物、芳香植物、胶用植物、纤维植物、木材植物、鞣料植物、农药植物、药用植物、经济昆虫寄生植物、绿化和美化保护环境植物等。资源植物的开发利用,推动了我国食品、医学、轻化及农化工业的发展,同时也为采油、冶金、纺织等工业做出了贡献。如田菁中提取的半乳甘露聚糖-田菁胶,代替了依赖进口的瓜尔胶,用于采油工业中的水基压裂液,不但节省了大量外汇而且大幅度提高原油产量。又如从野生青蒿(黄花蒿)中提取的青蒿素用于治疗抗氯喹凶险型疟疾。但对它们还远远没有达到充分开发和利用的程度。因此,对这些植物资源的进一步开发和利用,必将获得巨大的经济效益,为国民经济的发展作出贡献。
2.解放后,随着植物生理学队伍的壮大,植物生理学在理论上的研究获得了一批具有较高水平,在国内外产生了较大影响的成果,如呼吸代谢的调节和控制、核穿壁物质运输、光合磷酸化高能态及光合膜结构与功能的研究等。同时对理论如何联系实际,植物生理学如何为经济与建设服务的认识也逐步深刻,逐步摸索出适合我国国情的基础学科参与解决生产实际问题的道路。植物生理学知识的应用对减少农业措施的盲目性,提高针对性起了极大作用。如氮、磷、钾及微量元素肥料的合理施用对提高作物产量起了极大作用,就是明显的例子。50年代起植物生理学界对主要农作物发育规律及其与环境关系的探讨,为合理的农业措施提供了理论基础。例如水稻光、温物性的研究,棉花营养生长和生殖生长相关的研究,稻、麦旗叶对籽粒形成的贡献等都促进了农业科研和生产水平的提高。
植物生理学的几个分支部分如组织与器官培养,植物生长调节剂,采后生理等与生产实践关系密切,在我国受到了更多的重视,发展迅速。如植物生长调节剂,已在我国广泛应用,成为不可缺少的重要农业发展生产资料。赤霉素目前我国产量为世界之冠,仍感供不应求。赤霉素不仅广泛用于国外已应用的多种园艺植物生长、发育的调控,而且在中国独有的杂交水稻的制种中成为不可缺少的生长调长剂。在其他国家已大量生产并在农业中广泛应用的生长调节剂如2,4-D、“矮壮素”(CCC)、乙烯利、缩节胺及除草剂等在我国起始时都是由植物生理学工作者倡导、引进和试验推广的。近年来,随着农业改革的成功,鲜活园艺产品骤增,贮藏和运输中品质的保持成为突出的问题。部分植物生理学工作者多年坚持在果蔬贮藏保鲜这个领域进行了系统的研究,为这些问题的解决作出了重大贡献,取得了显著的经济效益和社会效益。
植物生理学在农业生产中可以发挥作用的方面还远远不止以上所列举的。随着植物生理和植物生化研究的进展,如在光合作用机理阐明的基础上调节和控制作物光能转化效率,将使作物大幅度增产。若加以仿生模拟研制高效光能转化器,将能开辟太阳能利用的新途径,并能为研制生物电子器件和生物芯片,促进信息科学的发展,为21世纪开辟新兴产业提供理论依据、方法和技术。模拟固氮酶在常温常压下固氮的机理,能深刻地改造现有的高温高压下合成氮的工业,特别是固氮基因及根瘤菌从豆科植物转移到非豆科植物的成功,将会大大推动自然界本身的固氮过程,将会对农业生产产生深远的影响。
3.近15年来,正是国际上生物工程蓬勃兴起的时代,与此同时人类也面临着人口剧增、耕地面积减少、天然资源被破坏、生态环境恶化的严峻挑战。我国科学家们应用植物生物技术获得了许多重要的科研成果,对解决上述危机起到十分重要的作用。最为突出的是生物技术在农作物育种与品质改良上的应用,并将引起一场新的农业革命。我国在花药培养单倍体育种、体细胞无性系变异、突变体筛选及染色体工程的研究与应用方面处于国际先进行列。通过花药培养获得的水稻新品种花8号、9号、10号、11号、12号及13号,已累计推广面积超过1000万亩。小麦新品种京花1号、京花3号、冀花555及甘肃花培764等累积推广面积也已超过1000万亩。其他经济作物的花培新品种(系)如玉米、橡胶、苹果、柑桔等达100多个。通过无性系变异及突变体筛选技术也获得许多优良农艺性状的新品系,如具有高蛋白质含量、抗病、耐盐等特性。其重要的作物有小麦、小黑麦、水稻、甘蔗、芦苇及油菜等。其中具有低芥酸与低硫代葡糖苷特性的油菜新品种H166、H165已推广面积达40万亩。通过染色体工程获得的具有抗病、抗逆、适应性强及高产优质的小偃系列品种,15年来已累计推广达1亿亩,增产小麦60亿公斤。茎尖培养及快速繁殖技术,我国已在400多种植物上获得成功。在“七五”期间我国已建立苹果、柑桔及葡萄无病毒母本园。香蕉的脱毒及试管苗生产已形成新兴的产业,年生产能力已达到1000万株苗以上。马铃薯无病毒原种场,全国脱毒种薯面积已近400万亩。在原生质体培养方面,我国在玉米、大豆、高粱、猕猴桃等20多种重要作物上首次获得再生植株成功。应用植物细胞大量培养技术生产有用次生代谢产物的研究,近10多年也已达到或接近国际先进水平,如新疆紫草、人参、紫杉等植物细胞的培养已进入中试阶段,我国已能研制较先进的气升或液升式生物反应器,“九五”期间可望实现植物细胞培养的工业化规模,使我国成为国际先进行列的一员。植物基因工程技术在我国已建立起一支较有实力的队伍,并取得了一批重要成果。如获得了具双抗(TMV+CMV)和单抗(TNV)的烤烟烟草,还获得了抗TMV的香型烟草。前者推广面积已达50万亩。此外还获得了抗除草剂(atragine)的大豆转基因植株,及通过苏云金芽孢杆菌的BT毒蛋白基因转化的水稻与棉花。“七五”期间还获得转基因抗虫杨树等。综上所述,经过从“六五”到“八五”的15年间,我国在植物生物工程的研究与应用方面建立了一支实力较强的队伍,取得了一系列重要成果,为国民经济的发展做出了重大贡献。

三、展望
恩格斯曾经预言:只有在物理学、化学及数学高度发展以后,人们才能真正认识生命运动的本质。事实正是这样。由于19世纪物理学和化学领域的许多新发现使人类认识生命运动的规律有了许多新的技术和手段。如电子显微术、超离心技术、放射性同位素、核磁共振波谱、光谱分析、色谱质谱联用及计算机技术等。由于这些技术的应用,推广了以研究核酸、蛋白蛋、酶等大分子结构与功能的生物化学的发展。植物学家们可以从分子水平上探索植物界的各种生命现象并揭示其规律,从而也推动了植物学各分支学科的发展,如系统与演化植物学、植物细胞生物学、植物细胞遗传学及植物分子遗传学等都赋予新的概念,充实了新的内容。一些新兴的学科迅速发展起来,如环境植物学、植物发育生物学、结构植物学与资源植物学等。在这些分支学科中又衍生了许多新的边缘学科,如数量生态学、遗传生态学、化学生态学、化学分类学、细胞分类学、分子系统学及生殖生物学等。总之,20世纪是植物科学进入以分子生物学为率先发展的时期,同时也推动了植物细胞工程与基因工程高技术的发展。
那么,21世纪植物科学发展的趋势和特点又如何呢?科学家们普遍认为在今后的若干年内,不仅植物学领域内的各分支学科,而且跨学科领域,如物理学、化学、数学、动物学、微生物学、气象学、地理学等将在更广阔的范围内实现学科之间的相互交叉与渗透。将运用最先进的技术手段,从而在更高层次上探索植物生命的奥秘和发生发展规律。此外,研究的空间尺度将从植物的分子、细胞、个体、群体直到全球范围。而时间尺度则从飞秒到皮秒、纳秒到微微秒到毫微秒到秒到分、到时、到日月年,直到世纪以上。
根据上述的发展趋势和特点,在21世纪,植物科学究竟能为人类做出什么贡献呢?在这里我们仍需花费一些笔墨,简要地谈一下当今世界的自然状况。在过去的40年里,人类活动已造成了大气层的变化,臭氧层变薄、全球性CO2浓度的增加。这些变化将会对人类自身的生存带来什么影响,科学家们尚不能作出准确的回答。此外,在过去的40年间,人类砍伐了约为50年代的1/3的森林而未能恢复,滥用了近五分之一的表土,使六分之一的耕地盐碱化或沙漠化。最为严重的是,人类的生活方式已经威胁1/5的植物、动物、真菌和微生物,它们在今后的几十年内可能会灭绝。人们正在消费、糟蹋着近40%的陆地净光合作用产物。尽管世界各国重视全球人口计划,但人口仍会继续增加至目前的2-3倍。对于人类赖以居住生存的地球来说,无疑已超过它的负载量。这些问题的产生和解决,可以说都与植物资源的合理利用、保护和改造有着直接间接的关系。为此,为在本世纪末实现我国国民经济总值翻两番的宏伟目标,植物学工作者的任务应是最大限度地、合理地开发、利用和改造我国的植物资源,特别要研究那些与生产发展密切相关的植物群体和个体,为国民经济的规划、资源的合理开发、国土整治及大农业发展的宏观战略决策提供基本资料和科学依据;在资料调查的基础上发掘出一批野生果树、药用植物、工业原料植物、名贵珍稀花卉,再通过引种驯化、组织培养、生物工程的方法加以改造,为农业、林业、畜牧业及植物原料工业作出更大的贡献;要努力推动各级自然保护区的建立,搞好植物园、定位站及实验站的建设,为保护物种,特别是珍稀、濒危植物的保护以及保持生态平衡,保护环境作出应有的贡献;组织各分支学科的交叉和结合,如组织植物分类、植物地理、形态、细胞、生理生化及遗传等各方面的力量,结合研究栽培植物,野生近缘种的基因资源,为农业育种提供更多的原始材料,并采用传统常规方法与新兴生物工程技术相结合去改良现有的栽培植物,创造新品种,为农业粮食作物的增产作出重大贡献。为实现上述任务,必须要处理好经典学科与新兴学科的关系,传统技术与新兴技术的关系。两者不可偏废,而且应当密切地结合起来,才能使植物学的新成就尽快地转化为强大的生产力,强有力地促进我国国民经济的发展和社会的进步。