中国生物学2035发展战略发布：植物科学方向（生地种植技术【中国生物学2035发展战略发布：植物科学方向（含关键科学问题）】含关键科学问题）

一、重要前沿方向与关键科学问题3. 激素与环境信号调控植物形态发生和生长发育的机制植物激素是植物体内合成的一系列微量有机物质，其与环境信号共同作用，通过干细胞介导，控制着植物生命活动的方方面面，从种子休眠、萌发、营养生长和分化到生殖、成熟和衰老。以植物激素和环境信号为主题的研究几乎涉及植物学研究的各个领域，对其调控机制的研究已成为人们认识和理解纷繁神秘植物生命现象的重要途径，是农作物产量和品质调控以及育种创新的重要理论源头。自我国启动“植物激素作用的分子机理”重大研究计划项目以来，我国科学家已经取得了一批世界一流的重要创新性研究成果，培养了一大批该领域的研究团队，奠定了我国在该领域的国际影响力。目前，虽然植物激素的受体已经被鉴定，各种激素和环境信号通路基本被建立，但是人们对激素和环境信号调控植物形态发生和生长发育机理的认识还十分有限。未来将围绕植物激素和环境信号的精准调控、植物干细胞和分生组织的维持和分化、植物可塑性的重编程及形态建成等问题开展全面系统的研究，深入了解植物形态发生与生长发育的分子调控网络，为进一步提高作物的再生能力、推动农业生物技术产业发展提供理论指导。关键科学问题：①植物激素的稳态、剂量效应等介导的生长发育调控；②植物激素（包括多肽）的受体鉴定、新调控因子分离、信号转导调控机制解析；③激素间以及激素与生物和环境信号互作调控植物生长发育的分子机制；④植物干细胞命运决定、谱系建立、维持和分化的机制；⑤植物干细胞介导的器官 / 细胞 / 组织（保卫细胞、细胞壁等）形成机制；⑥植物器官 / 组织可塑性生长的调控机制；⑦植物环境可塑性的重编程及形态建成的分子调控网络。4. 植物生殖调控与种子发育的机制生殖调控和种子发育是植物生命周期中最为重要的阶段，不仅是植物繁衍和遗传后代的重要环节，也是重要农作物产量和品质形成的关键时期。生殖调控与种子发育过程中关键事件的调控机制是植物科学领域的重大基础理论问题，也是发育生物学研究的核心命题。近年来发展起来的转录组学、蛋白质组学、代谢组学等高通量分析手段为多层次研究植物生殖调控和种子发育的遗传和表观遗传调控提供了机遇。我国在植物茎顶端分生组织和花原基细胞的分化，花器官的形成，雌雄配子体和配子发育的起始、分化和成熟，双受精过程及其产物的形成，合子激活，胚胎模式建成，生长点发生，胚乳发育，营养物质累积和胚胎—胚乳相互作用等调控机制方面取得了多项重要进展。但是，目前对于这些关键问题仍缺乏时空程序性、单细胞或组织与整体关系等方面的系统性研究。未来研究将进一步关注植物受精过程中关键环节的调控机制、植物胚胎胚乳发育过程中细胞分化和器官发生以及胚胎—胚乳相互作用的调控机理等前沿科学问题，有效提升我国植物基础科学研究的全球引领作用，为促进农业分子育种提供坚实的理论支撑。关键科学问题：①花原基发生与花器官分化的调控机制及网络；②雌雄配子体和配子的起始、细胞命运决定和发育机制以及雌雄配子体互作的分子调控机制；③双受精过程、合子激活、极性建立与胚胎早期发生的调控机制以及无融合生殖的遗传调控机制；④植物胚胎细胞分化和器官发生、胚胎—胚乳相互作用的调控机理；⑤单、双子叶植物胚乳的命运决定及发育异同，营养物质累积的分子基础；⑥种子发育的表观遗传调控机制以及种子成熟、休眠及萌发的发育与时序性调控机制。5. 植物细胞的结构与功能细胞是组成植物体的基本单元，也是植物进行各种生命活动的基础。揭示植物细胞结构与功能的相关研究一直是植物学研究的热点和重点。植物细胞具有复杂而精细的结构，其中各类大分子、特殊结构和细胞器等不仅是细胞的重要组分，也是完成各种细胞活动的基础元件。此外，植物细胞中还存在一些特有的细胞结构、组分和细胞器。已有研究表明，植物细胞通过精准的调控系统控制细胞的形态建成、细胞器的发生和功能、细胞器之间的动态联系和互作、细胞的可塑性发育、细胞间以及细胞与环境因素之间的信息交流，从而形成一个完整的生物学功能单元。未来研究将从不同层面揭示细胞不同结构和组分的发生机制和生物学功能，阐明细胞组分间的联系和互作模式，厘清细胞的基本结构、内部发生的各种细胞活动、结构和功能的关系，揭示生命活动是怎样在细胞中进行的。关键科学问题：①植物细胞壁及其组分产生的机制和生物学功能；②植物细胞骨架的结构与功能；③细胞膜与内膜系统的产生与功能；④蛋白质分选与囊泡运输的机制；⑤细胞器（包括无膜细胞器）的发生、结构与功能的动态联系及互作；⑥植物细胞自噬的调控机理。6. 植物与生物、环境因子互作的机制无论是在自然还是人工农业生态系统下，植物无时无刻不在与生物因子（如病原或共生微生物、微生物群组乃至昆虫和其他植物等）和环境因子（如光、温、水、气、盐和 pH 等）发生着各个层面的动态相互作用。研究植物如何感受和适应生物和环境因子不仅是植物科学领域的重大基础科学问题，也是我国农业可持续、高效发展的重大需求。近年来，我国科学家已经初步阐明了植物对病原微生物的免疫机制及其与有益微生物之间的相互作用机制，揭示了植物响应非生物胁迫的信号通路并鉴定了一些重要的信号通路组分。然而，目前人们还不清楚在包含多类型、多层级的复杂互作系统中，植物生长发育如何适应环境，如何准确区分有益和病原微生物并建立共生或防卫反应。对于植物对不同生物信号和逆境信号的精确、多维度的感知过程，不同生物信号和抗逆信号之间的交互作用以及对植物生长发育的影响等科学问题还知之甚少。未来解析这些基础的生物学问题，将为现代作物分子育种提供重要的基因资源，为提高作物产量潜力、保障在不良生态环境下作物高产稳产提供理论依据。关键科学问题：①植物—其他生物相互作用的系统解析与目标性重构；②植物与共生微生物互作的分子机制；③植物协同微生物组（非致病、非共生）适应环境（营养吸收、病害、逆境）及其互作机制；④植物感受和响应逆境信号及适应复合逆境的分子调控机制；⑤植物免疫的分子调控机制及新型分子挖掘；⑥植物抵御逆境胁迫新生物学现象的发掘和机理研究以及“超级抗逆植物”的分子设计。7. 光合、固氮等重要植物生理过程的分子基础光合作用通过将光能转化成化学能，将无机物转化成有机物，为地球上几乎所有生命活动提供物质与能量来源；生物固氮将分子态氮还原为氨，是植物获取氮素营养的重要途径。对光合作用和固氮机理两大重要生理过程分子基础的研究能够为提高植物光能转化效率、降低农业化肥施用等提供理论指导，对于解决人类社会面临的粮食、能源和环境等问题具有重要的理论意义和应用价值。尽管过去对光能转化机理和豆科植物共生固氮机理进行了大量的研究，取得了一系列重要进展，但光合作用和固氮都是极其复杂的生物化学过程，其研究仍然存在许多瓶颈。全球气候和环境的变化，导致植物生长的光环境和土壤环境发生重大变化，深刻影响着植物的光合作用和固氮的效率。未来将结合当前环境因素，从光合膜蛋白、光合作用能量转化、光合碳代谢与同化、光信号转导和光能利用等方面揭示植物光合作用的机理，从植物与微生物信号识别、宿主植物和根瘤菌高效共生、非豆科植物共生固氮的改造等方面阐明植物固氮作用的机理，全面提升人们对两大重要生理过程的认识，同时为开辟太阳能利用和氮源利用新途径提供理论依据。关键科学问题：①光合膜蛋白的结构与功能，光合作用能量吸收、传递和转化的机理以及光合碳代谢与同化产物分配运输的调控网络；②细胞核与叶绿体互作的分子调控机制；③光信号与其他环境信号协同调控植物发育、光能高效利用和光能固定的遗传调控及转化体系重构；④植物与根瘤菌间的信号识别机理；⑤固氮根瘤的形成、菌根共生及固氮的分子调控机理；⑥非豆科植物共生固氮、植物固氮体系的重构和高效利用。8. 植物营养与环境修复随着空气中 CO2 含量升高以及土壤环境恶化，对植物营养与环境修复机制的研究已成为当今植物学研究的重要内容之一。目前该领域的研究已不再局限于 14 种必需矿质元素高效吸收利用的经典课题，而是面临诸多全新且紧迫的挑战，包括高 CO2 和矿质营养之间的竞争与协同、必需营养元素与非必需元素间的识别及选择性吸收等。因此，植物细胞如何精准识别和感知体内外的矿质元素类别及丰缺度、如何协同 CO2 与矿物质同化以适应高碳低肥的新要求、如何调控有毒元素的吸收分配，植物重要器官的建成和发育如何应答新的土壤和大气条件均已成为植物营养领域未来亟待解决的重要科学问题。对这些问题的回答不仅会极大丰富矿质营养调控及重金属植物修复的基础理论，推进人们对新形势下植物矿质营养更复杂内涵的认识，而且将为培育养分高效、重金属低积累以及兼具安全生产与修复于一体的绿色新型作物奠定理论基础。关键科学问题：①植物细胞对矿物养分的识别和感知机理；②碳同化与矿质营养的相互作用；③重金属吸收、分配和解毒机理；④离子选择性吸收的分子调控机理和稳态建成；⑤矿质营养对器官发育的调控机制；⑥植物响应养分胁迫的分子机制和调控网络。9. 植物染色质结构和表观遗传调控染色体和组蛋白修饰的功能一直是生物学研究热点之一。自“组蛋白密码假说”提出至今，人们发现染色质和组蛋白修饰在生命体发育的多个层面发挥重要功能，如动植物细胞的重编程、染色体的稳定性、体节基因有序的表达调控、癌症的发生，植物的生长发育、逆境反应、环境适应性以及重要农艺性状的形成等。近年来，高分辨率成像及冷冻电镜技术的发展，为染色质及组蛋白修饰的重要性提供了一系列证据。然而，染色体和组蛋白修饰如何决定表型发育和环境适应还有待阐述；染色质及组蛋白修饰如何感知内、外界环境变化，继而调控生物体的生长发育；组蛋白上还存在哪些新的修饰位点及其生物学功能；尚不清楚。此外，在长期演化过程中，哪些组蛋白修饰与人工和自然选择有关，这些修饰有无可能参与长或短期记忆等；更为重要的是：哪些修饰是组蛋白修饰的核心，不同组蛋白修饰间如何协同调控，在转录和非转录水平如何参与个体的发育；基因复制、转录过程中染色质和组蛋白修饰动态变化以及功能维持；还需要进一步研究。未来对上述问题的深入研究将全面提升人们对生命过程基本调控机制的认识。关键科学问题：①表观遗传修饰在 DNA 序列上的选择和建立机制；②染色质及表观遗传修饰在复制和转录过程中动态变化及传递机制；③ DNA 和组蛋白修饰等调控杂种优势与亲本印记的作用机制；④植物性状和环境适应性的表观遗传调控机制；⑤ RNA 在表观遗传中的作用机制；⑥表观修饰之间的互作以及新修饰位点和新修饰方式。10注册一个养殖公司需要多少钱. 植物代谢产物的合成生物学研究合成生物学是按照工程学的概念，设计并改造生命体部分元件，甚至重新构造完整的生命体。该学科的兴起和发展为我国工农业生产向高效、绿色转型提供了最合时机的科技动力。植物代谢生物学是研究代谢物形成及功能的学科，能揭示生命现象和生命活动的本质特征，包括植物生长发育及环境适应性的分子机制。近年来，合成生物学在植物代谢产物合成（如基于微生物细胞工厂的活性天然化合物的合成）方面的应用取得了一系列突破性进展，极大地促进了植物代谢生物学的发展。未来植物代谢产物的合成生物学的研究将一方面聚焦于未知植物代谢产物的鉴定和功能研究、关键和重要代谢途径的解析、植物代谢产物演化机制及生态效应研究以及相关标记、示踪和多组学分析，另一方面致力于单细胞和多细胞植物底盘的研发，为最终实现植物代谢产物的高效合成奠定基础，以期为农业、工业和能源以及人类健康等领域带来颠覆性变化。关键科学问题：①植物代谢物新结构的鉴定和功能以及特殊代谢物合成的机制；②植物关键代谢途径和重要代谢网络的鉴定及功能解析；③植物代谢多样性演化的分子机制及生态效应；④植物代谢物标记、示踪及多组学分析的新技术；⑤单细胞和多细胞植物底盘的挖掘、优化和设计原理；⑥植物源活性化合物合成途径重构及高效制造。11. 基于单细胞（分子）分析的植物生物学研究多细胞生物各种细胞类型之间存在异质性。从单细胞层面揭示植物体生长发育的规律、模式和机制是当今植物学面临的主要挑战。传统的方法仅仅能够对少数基因或蛋白质进行单细胞水平的研究，而要实现基因组层面的全局分析通常需要以组织或器官样本进行研究；细胞之间的差异被掩盖，因而基础植物学研究领域中尚有很多重要的科学问题（如植物发育过程和感病过程中细胞内和细胞间的精细调控机制）未被阐明。近年来快速发展的单一细胞类型分离技术和单细胞测序技术，使“组学”检测进入了细胞层面，为系统研究细胞个体在生长发育过程中的精细调控模式和生物学特性创造了条件。利用单细胞测序技术，我们已经对模式植物重要组织器官（如根）的细胞分型和发育历程有了更为深入的了解；结合多“组学”分析，初步揭示了植物发育过程中遗传学和表观遗传学未知调控机制。未来单细胞（分子）分析技术的发展将结合多组学数据，全面揭示植物细胞谱系的发育轨迹、构建精细的基因表达调控网络和表观遗传调控模式，为基础植物学研究的深入提供重要支持，为现代精准农业研究中种质资源的开发和利用提供理论依据，全面提升人们对多细胞植物生长和发育过程的认识农村种什么赚钱最稳定。关键科学问题：①植物特定细胞类型分离、细胞特异标志物和标记方法；②植物细胞谱系发育轨迹的精确描述；③植物发育过程的基因表达调控网络；④植物发育过程的表观遗传学重新编程机制和功能；⑤特定细胞类型的多组学研究（ DNA、 RNA、蛋白质、表观修饰、代谢物等）。12. 植物研究新模式、新技术体系的建立新模式和新技术体系的建立是解决生命起源及演化、生长发育与环境适应以及重要种质资源及其功能多样性机制等前沿科学问题的有效途径。植物学的飞速发展在很大程度上依赖于分子遗传学在拟南芥和水稻等模式生物中的成功应用以及基因组学在作物和其他植物中的普及。然而，分子遗传学、基因组学、生物信息学等技术的运用均接近平台期；更多具有代表性的模式体系亟待开发。能否在学科发展前沿理论、技术、方法及平台上占据一席之地并找到新的增长点，关系到我国植物学的可持续发展。在未来研究中，选择系统位置重要、形态结构特殊或经济价值明显的代表性植物物种，建立高通量遗传转化和基因编辑体系，将有效提升我国植物学研究的水平和地位；利用单细胞组学、人工智能等前沿技术，建立多维度、全方位的数字化智能分析模型，追踪植物发育过程中发生的各种外在和内在变化，将揭示植物形态建成和进化的奥秘；利用多尺度成像技术，发展高通量表型组学数据整合算法，实现植物在特定环境条件下的基因型与表型关联分析，将推动高等植物的精准设计与创造；建立单分子显微成像技术以及适合单细胞的多维组学技术，开发适合植物组织的空间多维组学技术，可将研究推向单细胞和单分子水平。关键科学问题：①新植物模式体系的建立；②植物纳米颗粒技术的研发；③多维态组学；④人工可控环境下的表型组学；⑤高分辨率单分子显微成像技术。二、新兴交叉方向与关键科学问题1. 光合作用与人工模拟和合成光合作用是地球上最大规模利用太阳能的生物化学过程。现代科学技术的发展为光合作用的研究和应用提供了新的平台和机遇。生物科学技术（如组学和基因编辑技术）为光合作用的高效转化和精准设计及实践提供了强大的技术支撑；物理学技术手段（如超快时间分辨激光光谱和冷冻电镜技术）的发展和应用，能够实现在更高的时间和空间尺度探索光能传递和转化的过程；化学技术手段能够模拟光合膜蛋白复合体合成无机催化剂；最新的合成生物学技术可以为人工设计和合成光合回路和代谢途径提供可能。多学科技术的应用为光合作用机理的研究带来了新的重大发展机遇，当前光合作用研究领域正孕育着一系列重大突破和技术革新。未来围绕光合作用高效吸能、传能、转能和利用机理的重大科学问题以及仿生模拟的关键技术问题，开展植物学、物理学、化学、数学等跨学科交叉与联合攻关，将丰富和拓展复杂系统凝聚态物理、量子物理、催化化学和合成生物学等学科的研究，促进生命科学、物理学和化学学科前沿领域的交叉融合，为开辟太阳能利用的新途径提供依据。关键科学问题：①关键光合膜蛋白复合体的结构解析与功能调控；②光反应与碳同化的分子调控及耦合机理；③光合作用水裂解机理；④光合作用合成生物学；⑤人工转化制氢技术体系；⑥光合水裂解人工模拟。2. 植物形态建成的生物力学响应机制自然界的生物具有纷繁复杂的形态结构，正是这种多样化和复杂化一直推动着人类不断探索自然的奥秘。揭示植物器官形态、结构复杂化和多样化的机制是生物学领域的核心问题，也是世界前沿和热点问题。近年来，计算机模拟技术的飞速发展及其与数学和物理学的整合，使得研究人员可以利用计算机为各种形态结构建立数学模型，以系统和动态方式来探索基因型和表型之间的联系，以定量方式揭示形态和结构多样化的原因和机制。我国学者通过将植物学与物理学、数学和计算机模拟技术相结合，已经揭示了力学信号在调控细胞协同生长和分化、器官塑形等过程中的重要作用，为在本领域开展深入的交叉研究奠定了良好的基础。然而，由于受到研究方法和技术手段的限制，生物体形态、结构复杂化和多样化的模式和机制并未完全解析。未来通过多学科的深入交叉和融合将重点研究植物器官形态、结构复杂化和多样化的过程与模式及其生物力学响应机制，从多角度深入阐明植物器官形态建成的调控机制，为发育生物学和进化发育生物学研究提供新思路和新方法。关键科学问题：①植物细胞骨架—细胞膜—细胞壁连续体；②植物响应机械力作用的信号通路；③机械信号与器官塑形；④植物叶性器官形态和结构复杂化的过程和模式；⑤植物花粉管膨压与极性生长的调控机制。三、国际合作重点方向与关键科学问题3. 植物重要生理和发育过程的分子和信号基础植物的生长发育是一个复杂、有序的过程，受到多种内外源信号的精确调控，对相关信号感知及作用机制的了解有助于揭示植物生长发育的本质，并为农作物重要性状的分子改良提供重要线索和基础。近年来，我国植物科学家通过系统研究，在植物生殖发育和种子发育的分子机理、植物耐逆分子机理、植物激素作用及其分子机理、植物发育的表观遗传调控、植物进化发育遗传学以及光合作用和生物固氮等重要生理过程中的信号转导及其交叉等方面取得了重要进展。未来进一步通过高效、实质性国际合作，强强联合，优势互补，围绕植物重要生理和发育过程的信号和分子基础这一国际前沿问题进行联合攻关，将有助于在相关领域取得突破性进展、引领国际研究的前沿。关键科学问题：①植物重要生理和发育调控的信号转导及其交叉；②植物重要生理和发育过程的表观遗传调控机制；③植物发育可塑性及环境适应性的信号和分子基础；④重要信号分子（激素、小肽等）调控植物生长发育的新途径。4. 植物重要结构和性状的模拟、设计与重构从绿色植物的起源到被子植物的繁盛，植物在漫长的演化过程中产生了一系列具有重大意义的性状，是植物适应地球环境特别是陆地环境并繁衍生息的基础。这些重要性状包括：叶绿体在真核细胞中的共生直至成为一个不能独立生存的细胞器、细胞壁成分的改变以应对高紫外线照射环境、演化出维管组织以支撑植物生长并进行水分和营养物质的高效运输、演化出花粉管使受精作用脱离对水的依赖等等。对重要演化性状进行分子机制研究并实现完全或部分的异体重构，将解决植物演化生物学领域重大原创性和前沿性科学问题，也是理解演化过程和促进农业分子育种最有效的解决方案之一。近年来，随着进化生物学、遗传学、比较基因组学、分子生物学和发育生物学等学科的发展，几百种植物的全基因组序列得到解析，植物生命之树的大框架基本确立。未来通过与国际同行联合攻关，研究“植物重要演化性状的模拟、设计与重构”所涉及的重大科学问题，不仅将极大地提升人类对于植物演化在分子层面上的认识，对于理解植物与地球、人类之间的关系等重大科学与哲学问题具有不可替代的理论支撑意义，而且是中国科学家在植物进化机制研究方面取得突破性进展、占据国际领先地位的良好契机。关键科学问题：①叶绿体的产生与真核光合细胞重构；②植物细胞壁的起源、适应化演化与重构；③植物维管组织的起源、适应化演化与重构；④种子植物生地种植技术花粉管的起源与重构；⑤被子植物精细胞鞭毛的重构；⑥被子植物由陆生向水生的“次生”演化过程的机理及重构。

生地种植技术本文内容摘自《中国生物学2035发展战略》。

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