為農林業可持續發展保駕護航

2021-10-12 19:57
科學中國人·上半月 2021年5期
關鍵詞:實驗室植物機制

植物病蟲害生物學國家重點實驗室,1988年12月由原國家計劃委員會批準建設,1992年1月通過國家驗收并投入正式運行,對國內外全面開放。其依托單位為中國農業科學院植物保護研究所。1996年、2001年、2006年和2011年分別通過了由原國家計劃委員會和科技部等委托國家自然科學基金委員會組織的4次評估,成績良好。

潛心鉆研迎挑戰

植物病蟲害是影響農林業生產安全、生物安全和生態安全的嚴重生物災害,是國際社會面臨的共同挑戰。植物病蟲害生物學國家重點實驗室針對國家農業生產和科學技術發展的重大需求,重點圍繞植物病蟲害基礎生物學、暴發成災機理,以及防控基礎問題,開展前沿性、創造性和前瞻性研究,培養造就植物保護高層次人才,開展國際國內學術交流,努力建成我國植物保護科學的自主創新中心、國際交流中心、優秀科學家聚集地和高級人才培養基地,為我國農林業可持續發展、糧食安全、生態環境安全和經濟安全服務,并在國際相關科學技術研究領域占居重要地位。

實驗室主要從事原生性植物重大病蟲害、危險性外來入侵生物和重要農業轉基因生物環境安全性研究,重點研究和解決農業有害生物的災害形成機理,包括群體動力學、生態抵御機制及分子遺傳基礎等,發展農業生物災害監測預警與綜合治理的新理論、新技術和新方法,實現對農業有害生物的可持續控制。主要包括如下四個研究方向:植物病害成災機理與綜合治理、植物蟲害成災機理與綜合治理、生物入侵機制與防控與植保生物功能組學。

植物病害成災機理與綜合治理主要研究植物病原物的生物學特性和致病機制、植物與病原物互作機制及植物抗病機制、植物病害暴發流行的生態學機理,以及主要農作物重大病害的監測預警和綜合治理的理論與關鍵技術。

植物蟲害成災機理與綜合治理主要研究農作物重大害蟲與天敵昆蟲的遷飛行為、生殖行為等生物學特性,害蟲種群生態學及作物-害蟲-天敵之間的協同進化機制,農作物重大害蟲監測預警和綜合治理的理論與關鍵技術。

生物入侵機制與防控主要研究農業外來有害生物入侵的災變過程、成災機理、應急控制與持續治理的基礎理論,入侵生物的預防預警、檢測監測、根除撲滅和區域控制的技術與方法。

植保生物功能組學主要研究病蟲與植物在進攻-防御-反防御過程中的相互作用的分子機制,抗病蟲新基因的發掘,廣譜、高抗病蟲害的優良新種質創制與評價,轉基因作物環境安全性評價與控制的新理論和新技術。

實驗室在河北廊坊、河南新鄉、內蒙古錫林浩特、廣西桂林、甘肅天水、吉林公主嶺、新疆庫爾勒、山東長島等我國不同作物生態區建立了野外科學觀測實驗站并配置了相應的科研條件,其中試驗用地3000多畝,實驗室和溫室面積15000平方米。目前實驗室投入使用的大型儀器設備總計26臺件。大型儀器涵蓋了用于昆蟲行為學研究的厘米波垂直昆蟲雷達、毫米波掃描昆蟲雷達、高空氣象探測系統、超速分析儀、氣質聯用系統和高效液相色譜儀等;用于基因組學研究的實時熒光定量PCR儀、高分辨率熔點分析系統、毛細管電泳儀、核酸蛋白掃描檢測系統和多功能掃描儀等,以及超速離心機、激光共聚焦顯微鏡、冷凍干燥機、倒置熒光顯微鏡等通用大型儀器設備。基于此,整合形成了6個科研平臺:農業昆蟲學研究公共平臺、植物病害研究公共平臺、重大遷飛性害蟲的監測預警研究公共平臺、轉基因生物安全研究公共平臺、生物入侵機制與防控研究公共平臺和功能基因組學研究公共平臺。

科研創新帶發展

2011年以來,實驗室主持承擔了省部級以上及國際合作項目(課題)540項。主要包括作為項目首席科學家主持國家重點基礎研究發展計劃項目2項,主持國家原“973”計劃課題8項;主持國家高技術研究發展計劃課題2項;主持轉基因生物新品種培育重大專項22項(其中重大課題5項,重點課題17項);主持國家科技支撐計劃(科技攻關)課題3項;主持國家自然科學基金150項,其中包括國家自然科學基金重大項目1項、創新群體項目1項、國家杰出青年基金1項、國家優秀青年科學基金3項、重點項目3項;主持國家重點研發計劃項目9項;主持國際合作項目41項;主持公益性行業(農業)科研專項經費項目16項等;實驗室有8人擔任現代農業產業技術體系崗位專家。

近期,實驗室植物與病毒互作研究團隊與加拿大農業與農業食品部倫敦研究與發展中心合作在國際知名期刊《植物病理學年評》在線發表了題為“Research Advances in Potyviruses:From the Laboratory Bench to the Field”的綜述論文,全面總結了馬鈴薯Y病毒屬病毒的最新研究進展。

馬鈴薯Y病毒屬是種類最多的植物RNA病毒,在全球的馬鈴薯、大豆和番木瓜等糧食作物、經濟作物和果樹上造成嚴重的經濟損失,引起了植物病毒學家們的廣泛關注。盡管該屬病毒的正單鏈RNA基因組只包含一個開放閱讀框,病毒卻能夠非常巧妙地利用多聚蛋白切割和RNA聚合酶滑動策略,來產生十余個多功能的病毒蛋白,并通過病毒蛋白之間,以及病毒蛋白與寄主植物復雜的相互作用完成復制、轉錄、移動和病毒粒子組裝等生命過程。與此同時,寄主植物在感知病毒的侵染時,會啟動自身多層防線來抵抗病毒的侵染,而病毒又能不斷突破寄主植物的抗性而實現成功侵染,其與寄主植物之間的相互作用就像是一場永無止境的“軍備競賽”。在過去的十年中,得益于反向遺傳學、細胞生物學、宏基因組學等技術的發展,以及模式植物與病毒互作研究體系的建立,國內外多個實驗室從分子層面揭秘了馬鈴薯Y病毒屬病毒的致病機制,豐富了人們對馬鈴薯Y病毒屬病毒的認識,為病毒病的防控提供了扎實的理論基礎和寶貴的實踐經驗。

在論文中,實驗室在與多位植物病毒學家廣泛討論的基礎上列舉并介紹了十大最重要的馬鈴薯Y病毒屬病毒,總結了該屬病毒如何利用不同的策略產生多功能的病毒蛋白從而完成病毒的侵染循環,闡述了病毒克服植物RNA沉默、RNA衰變、蛋白質翻譯后修飾和細胞自噬等多層次的抗病毒防御反應而致病的機制,并重點介紹了如何在現有基礎研究上利用Tilling和CRISPR等技術獲得隱性抗病毒植物的策略。

立足人才展未來

實驗室遵循“開放、流動、聯合、競爭”的運行機制,積極創造條件,著力營造濃厚的學術氛圍和寬松的工作環境,為實驗室科研人員進行創新性研究,吸引、造就和培養優秀中青年,以及提高實驗室開放人員的層次和開放課題的水平提供了充分條件,已經成為依托單位對外學術交流的窗口。實驗室注重發揮老一輩科學家言傳身教的作用,引導青年業務骨干潛心科學研究,扎根國內,放眼世界,建立了一支團結、創新、富有活力、學術思想活躍的中青年學術隊伍,已形成了植物保護學科國家隊的中堅力量。實驗室已經成為基礎研究與高水平人才培養的重要結合點,在國內相關領域應用基礎研究方面具有重要的學術地位,并在國際學術界享有一定聲譽。

今后,實驗室將逐步擴大與國際先進實驗室交流與合作的強度與深度,逐步提高實驗室在國際上的知名度,在機遇和挑戰并存的同時,充分發揮國家重點實驗室應有的作用。

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