谈家桢生命科学奖

谈家桢
生命科学奖

2017



2017年谈家桢生命科学奖成就奖
武维华院士
中国农业大学教授 

武维华教授20多年来一直围绕植物细胞离子跨膜运输调控机制、植物响应环境胁迫的信号转导调控网络机理开展研究,取得了一系列有创新意义的研究成果。特别是在植物响应低钾胁迫及钾营养高效的分子调控网络机制研究方面处于国际领先地位。

学习及工作经历
1982. 02 ~ 1984. 12, 中科院上海植物生理研究所研究生,毕业获理学硕士学位;
1984. 12 ~ 1987. 12, 原北京农业大学生物学院,讲师;
1987. 12 ~ 1989. 08, 美国新泽西州立大学(Rutgers University)植物科学系,访问学者;
1989. 09 ~ 1991. 11, 美国新泽西州立大学(Rutgers University)植物科学系研究生,毕业获博士(Ph. D.)学位
1991. 11 ~ 1993. 08, 美国哈佛大学生物学实验室,博士后
1993. 09 ~ 1994. 08, 美国宾西法尼亚州立大学生物系,博士后
1994. 09 ~ 1996. 12, 中国农业大学生物学院,副教授;
1995年获得国家杰出青年科学基金资助;
1996. 12 ~ 今,中国农业大学生物学院,教授;
1999. 03 ~ 今,教育部首批“长江学者奖励计划”特聘教授
2005年被科技部聘为“973”项目首席科学家;
2005年获国家基金委优秀创新群体科学基金资助
2007年增选为中国科学院院士。
 
主要贡献
自1994年以来主持的主要科研项目有:美国Rockefeller Foundation Biotechnology Fellowship(1995-1997);国家杰出青年科学基金(1995-1998);国家自然科学基金重点项目(1999-2002);国家基金委优秀创新群体科学基金(2005-2010);国家重点基础研究规划“973”项目(首席科学家;2006-2010);教育部/国家外专局“引智基地”(111计划)项目(2006年起)等。
主要从事植物抗逆和磷/钾高效等重要性状的基因克隆和功能分析,植物响应干旱、高盐、磷钾营养亏缺的信号转导和基因表达调控网络机制等方面研究工作。研究成果发表在Cell、Ann Rev Plant Biol、PNAS、Plant Cell、Plant J、Plant Physiol等国际重要学术期刊上发表。先后主持美国Rockefeller Foundation Biotechnology 项目、国家杰出青年科学基金、国家基金委优秀创新群体科学基金、国家973计划等科研项目。
   兼任的学术团体职务主要有:中国农业大学学术委员会主任(2015年起);植物生理学与生物化学国家重点实验室主任(2003年起);中国植物学会理事长;国务院学位评定委员会生物学科评议组召集人;国家自然科学基金委生命科学部主任(2008-2016);国家自然科学基金委生命科学部咨询委员会主任委员(2008-2016);教育部科技委副主任;中国环境科学学会副理事长等。
   2003年获得全国五一劳动奖章、首都五一劳动奖章;2007年获全国优秀教师称号、何梁何利科技进步奖;2010年获邹承鲁杰出研究论文奖;2014年获美国Rutgers大学Cook College杰出校友奖,2016年获美国Rutgers大学250周年庆典杰出校友奖。

被推荐人自1991年博士毕业以来的20余年间,一直围绕植物细胞离子跨膜运输及其调控机制、植物响应环境胁迫的信号转导分子调控网络机制等领域开展工作,特别是在(1)植物响应低钾胁迫及钾营养高效的分子调控网络机制,(2)植物响应低磷胁迫及磷营养高效的转录调控机理,(3)植物气孔运动的细胞信号转导分子调控机制等方面取得了一系列有创新意义的研究成果。
1、植物响应低钾胁迫及钾营养高效的分子调控网络机制研究:钾是植物生长发育所必需的大量元素之一,陆生高等植物通过其根细胞膜上的多种钾离子转运蛋白自土壤环境中吸收钾离子以供植物生长发育所需。尽管自1992年植物细胞钾通道蛋白被克隆以后,多种植物细胞钾转运蛋白的功能已被陆续分析验证,但之后的10余年间对这些钾转运蛋白的功能或活性的分子调控机制研究一直没有进展。另一方面,我国大部分耕地土壤严重缺钾,而我国钾矿资源又极端匮乏,农作物生产中钾肥供施不足已成为限制我国农业生产的重要因素。许多研究发现,不同基因型植物间的钾吸收利用效率显著不同,说明植物钾营养性状是遗传控制的。因此,通过研究植物细胞钾吸收及转运的分子遗传机制将有可能为利用现代生物技术方法改良作物钾营养性状提供思路和理论支撑。
被推荐人武维华教授于1995年开始利用模式植物拟南芥筛选植物钾营养高效突变体、进而持续探讨植物钾营养高效的分子调控网络机理。经过10余年研究,围绕植物根细胞钾吸收的主要执行者AKT1的分子调控网络机制,获得了有重要创新意义的研究结果,证明了植物根细胞钾通道AKT1是植物细胞自土壤溶液中吸收钾的主要执行者,植物根细胞钾通道AKT1的活性受蛋白激酶CIPK23的正向调控,而CIPK23则受上游钙信号感受器CBL1和CBL9的正向调控。在植物中过量表达CIPK23CBL1(或CBL9)基因以增强AKT1的活性,能显著提高植株高效吸收钾的能力和对低钾胁迫的耐受性。基于研究结果,提出了包括CBL1/9、CIPK23和AKT1等因子的植物响应低钾胁迫的钾吸收分子调控理论模型。研究结果在认知植物钾吸收分子调控机理方面有重要理论科学意义。主要内容发表于《Cell》杂志(2006, Cell, 125:1347-1360)。论文发表后受到国际同行的高度评价。例如,Hedrich和Kudla教授(2006, Cell, 125:1221–1223)认为“徐等人的这一突破性研究代表了在理解钾通道调控机制方面的重要进展,开辟了一些新的研究领域以及提出了一些重要问题…”。Serrano教授在“Faculty of 1000 Biology”中评价此项研究 “这篇研究论文基于CBL蛋白与CIPK蛋白激酶的相互作用建立了植物细胞离子平衡的普遍机制…”等。之后的10年间(2006-2016),被推荐人领导的研究组又继续围绕AKT1的负向调控机理(Cell Research, 2010)、AKT1上游调控因子CIPK23的转录调控机制、水稻AKT1的分子调控机理(2014,Plant Cell)等开展了深入系统的研究,并先后在国际上发表数篇相关综述文章(Wang & Wu, 2013, Annual Review of Plant Biology; Wang & Wu, 2010, Molecular Plant; Chen, Wang & Wu, 2008, JIPB; Wang & Wu, 2015, Current Opinion in Plant Biology;等)。上述一系列研究工作奠定了被推荐人研究组在国际上植物细胞钾离子通道调控机理及植物钾营养高效性状分子遗传机制研究领域的领先地位。
本项研究工作除了从理论上较系统地阐明了植物细胞跨膜钾转运蛋白AKT1的分子调控机制以及植物在低钾胁迫条件下高效吸收转运钾的分子调控机制之外,还为利用分子操作技术改良作物的植物钾营养性状提供了可能。目前,被推荐人研究组正致力于主要农作物(玉米、大豆等)的钾高效性状功能基因组研究工作。
2、植物响应低磷胁迫及磷营养高效的转录调控机制:磷是植物必需的大量元素之一,参与植物的细胞构成、物质代谢和能量代谢等。植物根系从环境吸收无机磷,进而转运到地上部,供植物生长发育需要。环境磷供应水平发生变化时,植物磷吸收和磷转运关键基因PHT1sPHO1的转录水平发生显著变化。过去20年间,被推荐人研究组围绕PHT1sPHO1的转录调控机制开展了系统研究,发现转录因子WRKY6在正常供磷时通过直接负调控PHO1基因的表达来调控磷根冠转运,低磷胁迫条件下,WRKY6通过26S蛋白酶体途径被降解,WRKY6对PHO1的负调控被解除(Plant Cell, 2009, 21:3554-3566)。之后发现转录因子WRKY42与WRKY6互作,二者协同调控植物磷根冠转运(Plant Physiology, 2015, 164:2020-2029);还发现WRKY6和PHO1也参与ABA信号途径(PLoS Genetics, 2016, 12: e1005833),表明植物可能通过ABA信号途径感知环境和细胞内磷水平变化。此外还证实了磷转运体基因PHT1s的转录水平变化直接影响植物的磷吸收速率,并首次报道了在不同磷供应条件下植物磷吸收的转录调控机制。磷充足时,转录因子WRKY42通过直接正向调控磷转运体基因PHT1s的表达促进根系磷吸收(Plant Physiology, 2015, 164:2020-2029);低磷胁迫条件下,转录因子WRKY42被降解,转录因子WRKY45结合到磷转运体基因PHT1s的启动子,正向调控磷吸收(Plant Physiology, 2014, 164:2020-2029)。解析植物磷吸收和磷转运的转录调控机制,对通过分子改良实现植物/作物磷营养高效具有重要意义。

3、植物气孔运动的细胞信号转导分子调控机制自1991年以来,被推荐人围绕G蛋白、质膜钾/钙通道、细胞骨架、ABA等在植物响应干旱胁迫及叶片气孔运动调节中的作用和机制进行了长期和系统的研究,取得了一系列有创新意义的研究结果:(1)探讨了异三聚体G蛋白在调控气孔保卫细胞钾通道活性中的作用,证实了处于活化状态的G蛋白有显著抑制内向钾通道活性的作用,主要结果发表在PNAS(1994, 91:6310-14);(2)探讨了气孔保卫细胞钾通道活性调控的能量供应机制,证明了钾通道活性的维持依赖于ATP的持续供给,这与后来发现的钾通道蛋白受磷酸化调控的结果相吻合。研究结果发表在Plant Physiol(1995, 107:101-109);(3)探讨了ABA和钙信使对叶片上下表皮气孔运动的不同调控作用,证明了叶片下表皮气孔调节对ABA和钙信使更为敏感。主要结果发表在Plant Physiol.(1998, 118:1421-1429);(4)提出了“植物细胞钾、钙等离子通道受细胞骨架动态变化调控”的假设,并以气孔保卫细胞为研究模型予以了实验证实。主要结果发表在Plant Physiol.(2007, 143:1140-1151);(5)证明了钙依赖型蛋白激酶CPK10在介导ABA和钙信号调控气孔运动中的重要作用(2010, Plant Physiology);(6)发现并解析了钙依赖型蛋白激酶CPK8在调节气孔运动及植物响应干旱胁迫中的重要作用及其机理(2015, Plant Cell)等。