昆明分院拟推荐申报2018年度云南省科学技术奖励项目(昆明植物所项目)相关信息公告

科技与教育处 2018-05-08
  根据《云南省科技厅关于2018年度云南省科学技术奖推荐工作的通知》要求,现将中国科学院昆明分院拟推荐申报2018年度云南省科学技术奖励项目(昆明植物研究所项目)相关信息在昆明分院网页予以公告。自公告之日(2018年5月8日)起7天内,若对申报项目有异议,请以书面形式向昆明分院科技与教育处提出。若无异议,将按相关程序申报云南省科学技术奖。

一、科技进步奖推荐项目(1项)公告

项目名称:《种子方舟——中国西南野生生物种质资源库》

主要完成人:杜燕、李德铢、杨湘云、李涟漪、李慧、李培、李拓径、何华杰、秦少发、亚吉东、黄莉

主要完成单位:中国科学院昆明植物研究所

推荐单位:中国科学院昆明分院

项目简介:

《种子方舟——中国西南野生生物种质资源库》一书是国家“十三五”重点图书出版规划项目,得到了国家出版基金和中国大科学装置出版工程的支持,并被纳入中国科学院科学文化工程,由中国科学院昆明植物研究所正高级工程师杜燕、杨湘云等编写完成。

该书针对全球生态破坏严重和植物多样性面临快速丧失这一严峻问题,结合国家重大科学装置——中国西南野生生物种质资源库建设和运行团队10年来工作积累的第一手素材,采用文字+图片+微视频的全新表现形式,生动活泼、深入浅出地讲述了种子的独特属性及重要价值,以及我国“种子方舟”——中国西南野生生物种质资源库(亚洲最大、全世界第二大的野生植物种子库)的建造历史、种子保藏技术和方法,及该库在我国植物多样性保护方面的重要作用和未来发展,从而填补了我国野生植物多样性与种子保藏领域的科普空白。全书共834节,22.1万字,配有264张精美图片和12个科普微视频,是一部在国内同类科普作品中处于领先水平的原创科普作品。2017423日,它与同系列的其它四本图书一起荣获了中国出版界三大奖之一的“第六届中华优秀出版物奖图书提名奖”,同时成为2017年“中国图书对外推广计划”的经典中国国际出版工程图书。

此外,编撰团队还针对书中有趣的知识点继续创作出了一系列衍生科普作品。这些作品较好地向公众普及了专业种子知识,宣传了生态文明和生物多样性保护的科学理念,对推动科学技术进步、保护自然资源和生态环境、保障国家生态安全、改善人民生活环境、提高国民科学文化素质具有重要作用。

项目推广应用情况、获得知识产权情况:

《种子方舟——中国西南野生生物种质资源库》一书自发行2年来,深受读者喜爱,已发行了5000本,取得了较为显著的社会效益。此外,编撰团队还针对书中有趣的知识点连续创作出了一系列衍生科普作品,包括1部书籍、44篇科普文章、4个专题视频、2个专题展厅和2个展台。其中《青藏高原特色植物种子》荣获了第二十四届 “中国西部地区优秀科技图书一等奖”,与中国科学院计算机网络中心共同创作的视频《植物界的诺亚方舟》荣获了“中国科学院十大优秀科普微视频”,组织的多个科普活动也取得了相关奖项。这些衍生科普作品通过线上线下相结合的5种方式进行了广泛传播,使受众多达上百万,取得了较好的宣传效果。同时这些作品还引起了电视等媒体的关注,CCTV13新闻频道、CCTV10科教频道等电视频道先后20次对种质资源库进行了报道,在社会上引起了强烈反响,从而有助于在全社会形成生物多样性保护共识,推进我国的生态文明建设,促进人与自然和谐发展。

候选人及候选单位对项目的贡献情况

候选单位为中国科学院昆明植物研究所,其主要贡献是成功组织了杜燕、杨湘云等形成优秀的创作团队,为本项目提供了一流的创作平台,保证了创作时间和经费,并在项目前期调研、可行性研究、设计、实施、验收和经费管理等主要环节进行把关,从而使创作团队能按时、高质地完成《种子方舟——中国西南野生生物种质资源库》的编撰和出版。在衍生作品传播方面,研究所相关部门积极进行协助,利用所网站、所公众号微博和微信大力对外推送,从而使其产生了较大社会影响力。

杜燕是本项目具体负责人,总体负责《种子方舟——中国西南野生生物种质资源库》一书的设计、编撰、统稿和验收等工作,并编写了本书第3-8章,还是衍生作品中书籍《青藏高原特色植物种子》和15篇科普文章的第一作者。李德铢为本书及衍生科普作品的创作提供了资金和平台支持,并负责进行学术和编辑指导,此外还参与了本书策划、第4章和部分科普文章的编写、视频的录制。杨湘云提供了人员和平台支持,参与了本书策划、本书第3章,及衍生书籍和部分科普文章的编写。李涟漪负责本书相关照片的拍摄和编辑,并参与了衍生书籍和部分科普文章的编写、展馆的布展。李慧负责本书校稿,并参编了第1章、衍生书籍和部分科普文章。李培负责展馆的布展、科普讲解和学生讲座活动。李拓径协助项目的申报,负责科普文章的平台推送,参编了第8章。何华杰编写了第1章,并参编了衍生书籍和部分科普文章。秦少发编写了第2章,并参编了衍生书籍和部分科普文章。亚吉东参编了第2章,及衍生书籍和部分科普文章。黄莉参与了校稿,及衍生书籍的撰写。

二、自然科学奖推荐项目(6项)公告

项目(1):

项目名称:天然抗乙型病毒性肝炎活性化合物发现与结构优化

主要完成人:陈纪军、耿长安、马云保、黄晓燕、张雪梅

完成单位:中国科学院昆明植物研究所

推荐单位:中国科学院昆明分院

项目重要科学发现、主要学术代表作、主要完成人的学术思想贡献:

项目简介

乙型病毒性肝炎(简称乙肝)是由乙肝病毒(hepatitis B virusHBV)引起的影响人类健康的严重疾病。据WHO统计,全世界约有20亿人曾感染HBV,其中慢性感染者约2.5亿,每年导致88.7万人死亡。我国人群HBsAg携带率为7.18%,其中慢性HBV感染者约9300万人,每年治疗费用超过9000亿人民币。乙肝疫苗是预防HBV感染最有效的方法,但是对已感染者无效。目前上市的抗乙肝临床药物主要包括干扰素和核苷类似物。干扰素类(INF-α、PegIFN-α)主要通过调节免疫功能发挥抗HBV作用;核苷类似物(拉米夫定、阿德福韦酯、替比夫定、恩替卡韦、替诺福韦、克来夫定等)主要作用于HBV聚合酶,作用靶点单一,长期用药易产生耐药性、停药易反弹。为此临床上亟需发现结构类型多样、作用机制新颖的抗HBV药物。传统中药是新型抗HBV药物或先导化合物的重要来源。目前,多种从传统中药中分离得到的抗HBV活性成分,如黄芩苷(baicalin)、苦参碱(matrine)、栀子苷(gardenoside)、甘草酸(glycyrrhizic acid)、绿原酸(chlorogenic acid)等均具有潜在的开发前景。陈纪军团队选择多种清热利湿和清热解毒中药/药用植物,采用抗HBV体外(HepG2.2.15细胞)和体内(鸭乙肝病毒模型)筛选模型,开展抗HBV活性成分研究;在发现天然活性化合物的基础上,开展结构优化,研究构效关系,发现高效低毒的先导分子;进一步对高活性化合物开展针对HBV启动子(C/PresCXS1S2)和增强子(ENIENII)的作用机制研究,为基于传统药用植物抗HBV活性先导化合物的发现及新药研发奠定基础。

项目的重要科学发现:

1.天然抗HBV活性化合物的发现

本项目共对24种药用植物开展抗HBV活性成分研究,从中分离鉴定单体成分590个,发现新化合物113个,抗HBV活性成分211个,发现新骨架化合物20个,首次报道裂环烯醚萜二聚体、三聚体,以及口山-裂环烯醚萜杂合体,有15个分子被Nat Prod Rep收载为“热点分子”。

2.HBV活性成分的结构优化

对前期发现的高含量活性成分泽泻醇A、告达亭、甘草次酸、喹啉酮和喹啉类成分、雪胆甲素、脱水穿心莲内酯、穿心莲内酯、原人参二醇、原人参三醇、红白金花内酯和对羟基苯乙酮进行了系统的结构修饰,共合成衍生物523个,发现活性成分296个,开展了告达亭和喹啉酮2个高活性衍生物的作用机制研究,分别作用于启动子X和增强子ENI,以及增强子ENIENII,作用靶点不同于已有抗HBV药物。

3.新药候选药物研究

在“重大新药创制”候选药物(2009ZX09103-108)的资助下,开展了候选药物抗乙型肝炎病毒化学药物1类新药泽泻醇酯临床前研究,包括药学、药效学、药理学、初步药代动力学、初步安全性等,为进一步研发新型抗乙肝药物提供了科学依据。

本项目发表的8篇代表性论文和12篇核心论文总影响因子71.964,他引331次(SCI他引 291次,CSCD他引40次);获授权发明专利17项,1项已转让(80万元);期间培养博士研究生20名,硕士研究生10名,博士后1名;1人次获得中国科学院院长优秀奖,4人次获得中国科学院朱李月华优秀博士奖;项目成员1人晋升为教授级高级工程师,1人晋升为副研究员,1人晋升为高级实验师,1人晋升为工程师。

代表性论文

*通讯作者)

1.   Zhi-Yong Jiang, Xue-Mei Zhang, Feng-Xue Zhang, Ni Liu, Fang Zhao, Jun Zhou, Ji-Jun Chen*. A new triterpene and anti-hepatitis B virus active compounds from Alisma orientalis. Planta Med., 2006, 72, 951–954.

2.   Chang-An Geng, Li-Jun Wang, Xue-Mei Zhang, Yun-Bao Ma, Xiao-Yan Huang, Jie Luo, Rui-Hua Guo, Jun Zhou, Yong Shen, Ai-Xue Zuo, Zhi-Yong Jiang, Ji-Jun Chen*. Anti-hepatitis B virus active lactones from the traditional Chinese herb: Swertia mileensis. Chem-Eur J., 2011, 17, 3893–3903.

3.   Quan Zhang, Zhi-Yong Jiang, Jie Luo, Pi Cheng, Yun-Bao Ma, Xue-Mei Zhang, Feng-Xue Zhang, Jun Zhou, Ji-Jun Chen*. Anti-HBV agents. Part 1: Synthesis of alisol A derivatives: A new class of hepatitis B virus inhibitors. Bioorg. Med. Chem. Lett., 2008, 18, 4647–4650.

4.   Rui-Hua Guo, Quan Zhang, Yun-Bao Ma, Jie Luo, Chang-An Geng, Li-Jun Wang, Xue-Mei Zhang, Jun Zhou, Zhi-Yong Jiang, Ji-Jun Chen*. Structure-activity relationships study of 6-chloro-4-(2-chlorophenyl)-3-(2-hydroxyethyl) quinolin-2(1H)-one derivatives as novel non-nucleoside anti-hepatitis B virus agents. Eur. J. Med. Chem., 2011, 46, 307–319.

5.   Li-Jun Wang, Chang-An Geng, Yun-Bao Ma, Jie Luo, Xiao-Yan Huang, Hao Chen, Ning-Jia Zhou, Xue-Mei Zhang, Ji-Jun Chen*. Design, synthesis, and molecular hybrids of caudatin and cinnamic acids as novel anti-hepatitis B virus agents. Eur. J. Med. Chem., 2012, 54, 352–365.

6.   Chang-An Geng, Zhi-Yong Jiang, Yun-Bao Ma, Jie Luo, Xue-Mei Zhang, Hong-Ling Wang, Yong Shen, Ai-Xue Zuo, Jun Zhou, Ji-Jun Chen*. Swerilactones A and B, anti-HBV new lactones from a traditional Chinese herb: Swertia mileensis as a treatment for viral hepatitis. Org. Lett. 2009, 11, 4120–4123.

7.   Chang-An Geng, Xue-Mei Zhang, Yong Shen, Ai-Xue Zuo, Ji-Feng Liu, Yun-Bao Ma, Jie Luo, Jun Zhou, Zhi-Yong Jiang, Ji-Jun Chen*. Swerilactones C and D, anti-HBV new lactones from a traditional Chinese herb: Swertia mileensis. Org. Lett., 2009, 11, 4838–4841.

8.   Chang-An Geng, Xing-Long Chen, Ning-Jia Zhou, Hao Chen, Yun-Bao Ma, Xiao-Yan Huang, Xue-Mei Zhang, Ji-Jun Chen*. LC-MS guided isolation of (±)-sweriledugenin A, a pair of enantiomeric lactones, from Swertia leducii. Org Lett. 2014, 16, 370373.

候选人对项目的贡献:

1.陈纪军:主持本项目的研究工作,提出项目的研究思路,带领团队开展研究。代表性论文1~8的通讯作者。在该项目研究中的工作量占本人工作量的80%以上。

2.耿长安:系统开展了青叶胆抗HBV活性成分研究,首次发现裂环烯醚萜二聚体和三聚体;同时开展了云南獐牙菜、茵陈和桑白皮等的抗HBV活性研究。代表性论文2678的第一作者,代表性论文5的第二作者,代表性论文4的参与者。在该项目研究中的工作量占本人工作量的80%以上。

3.马云保:负责项目研究中提取部位和单体成分的体外抗HBV活性筛选及体内药效评价。代表性论文456的第三作者,代表性论文2378的参与者。在该项目研究中的工作量占本人工作量的80%以上。

4.黄晓燕:负责项目研究中提取部位和单体成分的体外抗HBV活性筛选及体内药效评价及作用机制研究。代表性论文258的参与者。在该项研究中的工作量占本人工作总量的80%以上。

5.张雪梅:协助研究组人员开展抗HBV活性成分研究,指导研究生仪器操作。代表性论文17的第二作者,代表性论文2的第三作者,代表性论文34568的参与者。在该项目研究中的工作量占本人工作量的80%以上。

项目(2):

项目名称:基于电子转移反应的天然产物全合成研究

主要完成人:夏成峰、赵勤实、梁康江、徐君、邵立东、邓旭、仝晓刚

完成单位:中国科学院昆明植物研究所、云南大学

推荐单位:中国科学院昆明分院

项目重要科学发现、主要学术代表作、主要完成人的学术思想贡献:

项目简介

发展天然产物的高效合成策略是全合成研究的关键,为天然产物的功能挖掘和药物研究提供基础。“基于电子转移反应的天然产物全合成研究”根据天然产物的结构特征和生源途径,发展高效和概念新颖的特色成键方法,快速构建天然产物的关键骨架结构,研究高效的合成策略。在973课题、国家自然科学基金等项目的支持下,通过不同的方式产生电子转移反应并实现全新的成键方式,对四类生物碱开展了高效的全合成研究工作。

项目的重要科学发现

1.针对钩藤生物碱中螺状四环结构难以构建而无法高效合成的问题,首次以缺电子吡啶盐为电子转移受体一步构建钩藤生物碱的关键结构。项目组依据分子中的哌啶结构特征,以吡啶盐为哌啶片段前体,通过分子内的电子转移反应,生成双自由基中间体并发生偶联成环反应,一步反应就构建了钩藤生物碱中的螺状四环结构。经过简单的结构转化,只用了5步反应以23%的总收率完成了钩藤生物碱corynoxine的高效全合成。

2.利用色胺中吲哚富电子的特性,首次通过二价铜氧化方式发生电子转移反应形成吲哚自由基并发生环合生成吡咯吲哚类天然产物的关键结构。当采用空气等为自由基淬灭剂时,可以一步生成3-羟基吡咯吲哚生物碱的骨架,而当反应体系中不加入自由基淬灭剂,则发生分之间的二聚反应生成二聚吡咯吲哚生物碱的骨架。采用该色胺氧化电子转移方法,完成了6个不同结构类型的吡咯吲哚生物碱的手性全合成,其中protubonine A的全合成只用了4步反应,总收率61%

3.首次实现5-羟色胺氧化生成自由基并通过仿生方法合成多种红花类生物碱。根据红花类生物碱的生源途径,采用仿生的策略,将5-羟色胺进行氧化成自由基,然后在铁催化下将自由基从氧原子转移到碳原子上,并通过不同保护基的方式实现环化和二聚两种不同类型的红花类生物碱高效全合成。

4.首次发现一个全新的类柯蒂斯重排反应。根据二吲哚甲烷类生物碱生源途径中含铁酶催化羟胺结构重排的现象,项目组发现二价铁可以催化吲哚异羟肟酸形成铁氮卡宾复合物,并发现一个全新的类Curtius重排反应生成异氰酸酯。同时按照仿生的策略与另外一分子的吲哚发生加成,只需一步就完成二吲哚甲烷类天然产物的合成。

本项研究发表本领域核心SCI期刊12篇,获中国发明专利授权4项。研究工作在实际范围内产生了广泛的学术影响,被美国化学会《化学评论》和英国皇家化学会《有机化学前沿》等多次全文评价,并受著名系列丛书《生物碱》主编的邀请撰写红花类生物碱的英文章节。12篇核心论文累计影响因子65.091,他引117次;8篇代表性论文累计影响因子55.166,他引101次。

代表性论文

*通讯作者)

1. Xu, J.; Shao, L. D.; Li, D.; Deng, X.; Liu, Y. C.; Zhao, Q. S.*; Xia, C.* “Construction of Tetracyclic 3Spirooxindole through Cross-Dehydrogenation of Pyridinium: Applications in Facile Synthesis of (±)-Corynoxine and (±)-Corynoxine B” Journal of the American Chemistry Society 2014, 136, 17962-17965.

2. Tu, D.; Ma, L.; Tong, X.; Deng, X.; Xia, C.* “Synthesis of Pyrrolo[2,3‑b]indole via Iodine(III)-Mediated Intramolecular Annulation” Organic Letters 2012, 14, 4830-4833.

3. Deng, X.; Liang, K.; Tong, X.; Ding, M.; Li, D.; Xia, C.* “Copper-Catalyzed Radical Cyclization To Access 3‑Hydroxypyrroloindoline: Biomimetic Synthesis of Protubonine A” Organic Letters 2014, 16, 3276-3279.

4. Liang, K.; Deng, X.; Tong, X.; Li, D.; Ding, M.; Zhou, A.; Xia, C.* “Copper-Mediatd Dimerization to Access 3a,3a´-Bispyrrolidinoindoline: Diastereoselective Synthesis of (+)-WIN 64821 and (-)-Ditryptophenaline” Organic Letters 2015, 17, 206-209.

5. Liang, K.; Yang, J.; Tong, X.; Shang, W.; Pan, Z.; Xia, C.* “Biomimetic Synthesis of Moschamine-Related Indole Alkaloids via Iron-Catalyzed Selectively Oxidative Radical Coupling” Organic Letters, 2016, 18, 1474−1477.

6. Li, D.; Wu, T.; Liang, K.; Xia, C.* “Curtius-​like Rearrangement of an Iron-​Nitrenoid Complex and Application in Biomimetic Synthesis of Bisindolylmethanes” Organic Letters, 2016, 18, 2228−2231.

7. Ding, M.; Liang, K.; Pan, R.; Zhang, H.*; Xia, C.* “Total Synthesis of (+)-Chimonanthine, (+)-Folicanthine, and (−)-Calycanthine” The Journal of Organic Chemistry 2015, 80, 10309–10316.

8. Liang, K.; Wu, T.; Xia, C.* “Concise total synthesis of (±)​-​serotobenine” Organic & Biomolecular Chemistry 2016, 14, 4690-4696.

候选人对项目的贡献:

1.夏成峰:本项目中作为国家自然科学基金面上项目、中国科学院百人计划项目、云南省高端科技人才引进项目、云南省科技计划基础研究重点项目负责人、“973”项目主要学术骨干和本成果负责人,主持本项目的工作,提出了通过电子转移反应为关键步骤合成天然产物的总体构想,提出了项目的研究思路、制定研究方案、组织实施,主导完成本成果。对本项目重要科学发现1-4均有重要贡献,是所有代表性论文和核心论文的通讯作者。

2.赵勤实:本项目所依托的“973”项目课题负责人,与本项目负责人一起对重要科学发现1中钩藤生物碱的化学合成提出研究构想和研究思路,并共同设计研究方案和指导研究工作。是本项目代表性论文1的共同通讯作者。

3.梁康江:对本项目重要科学发现23均做出了重要贡献,首次发现二价金属铜在碱性条件下可以氧化吲哚生成自由基,并发生自由基淬灭和二聚反应。首次发现氯化铁可以催化羟基吲哚自由基发生转位,并通过控制不同的保护基实现环化或二聚反应。是本项代表性论文4, 5, 8的第一作者,代表性论文3的共同第一作者,代表性论文7和核心论文10的第二作者。

4.徐君:对本项目重要科学发现1做出了重要贡献,首次完成了以简单易得的吡啶盐与氧化吲哚发生电子转移的碳氢活化反应构建钩藤生物碱的关键骨架,并完成了钩藤生物碱的全合成。是本项目代表性论文1的第一作者。

5.邵立东:对本项目重要科学发现1做出了重要贡献,与徐君一起对吡啶盐与氧化吲哚发生电子转移的碳氢活化反应构建钩藤生物碱关键骨架开展研究,并完成了钩藤生物碱的全合成。是本项目代表性论文1的共同第一作者。

6.邓旭:对本项目重要科学发现2做出了重要贡献,首次阐明了吲哚在碱性条件下被二价金属铜氧化并发生环化和自由基淬灭的作用机制,完成了2种生物碱的高效仿生合成。是本项目代表性论文3和核心论文10的第一作者,代表性论文4的第二作者。

7.仝晓刚:对本项目的重要科学发现2, 3做出了主要贡献,与本项目负责人一起制定研究方案和组织实施研究项目。阐明了铜催化炔与烯胺偶联机理,是本项目核心论文9的第一作者,代表性论文2, 3, 4, 5的主要作者。

项目(3):

项目名称:西双版纳与湄公河地区可持续橡胶与生态治理

主要完成人:许建初、陈华芳、苏宇芳、依庄防、朱义鑫

完成单位:中国科学院昆明植物研究所、云南省社会科学院

推荐单位:中国科学院昆明分院

项目重要科学发现、主要学术代表作、主要完成人的学术思想贡献:

项目简介

天然橡胶作为四大工业原材料之一,具有农业、林业、工业、政治经济等多种属性。随着我国工业化进程加快,推动天然橡胶需求大幅度攀升,导致天然橡胶种植不断向气候和环境次适宜区及农业经济基础薄弱区集中,在对当地社会经济与生态环境带来巨大挑战。本项目立足我国重要橡胶种植区—西双版纳与橡胶种植大规模扩张的湄公河地区,选择生物多样性、生态服务功能与社会经济多重指标,运用遥感、生态与气候模型,以及多种野外调查方法(问卷调查定量方法、定点野外观察与民族生态学方法等)对该地区的可持续发展进行了综合评估,从生态系统与流域水平上研究了可持续橡胶种植与水电开发跨边界生态治理的科学意义,对我国推动澜湄合作机制与绿色“丝绸之路”建设提高重要的决策依据。

项目的重要科学发现

1.开发了橡胶种植风险的生态治理评价方法体系

在国际上率先提出了湄公河地区橡胶种植的生态环境、社会经济与气候变化风险。 利用遥感手段首次准确发布了西双版纳与湄公河地区橡胶种植分布图与气候变化影响风险图,划分了橡胶种植的适宜区与次适宜区。结合气候模型与社会经济调查,系统开发了橡胶种植风险生态治理的多尺度评价方法。

2.建立了可持续橡胶评价指标体系

跨学科建立了可持续橡胶评价指标体系,通过实证研究、参与式评估、典型胶园示范工程与入户调查,在农户水平与景观水平验证了社会经济、生物多样性与生态系统服务功能的指标体系。

3.提出了可持续橡胶种植模式

在农户访谈与样地验证的基础上,首先提出了本地区农林复合、立体种植与循环利用的绿色橡胶种植模式与橡胶籽资源综合开发的产业发展方向。

4.结合区域橡胶种植与水电开发提出了跨边界生态治理方案

率先提出了湄公河地区在橡胶种植生态风险治理方面的景观廊道途径与水电开发的全流域规划与跨边界决策机制的生态治理方案。

本项目发表研究论文20篇,其中有18篇被SCI收录,论文累计影响因子173.344,论文被引用705次,SCI他引485次,CSCD他引58次;其中8篇代表性论文影响因子总和为61.241,被引用311次,SCI他引221次;CSCD他引20次。项目3名成员作为核心成员参与中国五矿化工进出口商会组织的全球首个《天然橡胶可持续发展指南》的开发与编写。通过该项目,培养博士后4名,博士生5名;1人晋升为教授,3人晋升为助理研究员。

代表性论文

*通讯作者)

1. Grumbine RE*, Xu J. 2009. Mekong Hydropower Development. Science 332(6026), 178-179.

2. Xu J, Fox J*, Vogler, JB., Zhang P, Fu Y, Yang L, Jie Q, Leisz S. 2005. Land-use and land-cover change and farmer vulnerability in xishuangbanna prefecture in southwestern china. Environmental Management 36(3), 404-413.

3. Xu J **, Grumbine RE*, Beckschäfer P. 2014. Landscape transformation through the use of ecological and socioeconomic indicators in xishuangbanna, southwest china, mekong region. Ecological Indicators 36(1), 749-756.

4. Xu J*, Lebel L, Sturgeon J. 2009. Functional links between biodiversity, livelihoods, and culture in a hani swidden landscape in southwest china. Ecology & Society 14(2), 544-544.

5. Ahrends A*, Hollingsworth PM, Ziegler AD, Fox JM, Chen H, Su Y, Xu JC **. 2015. Current trends of rubber plantation expansion may threaten biodiversity and livelihoods. Global Environmental Change 34, 48-58.

6. Yi Z*, Wong G, Cannon CH**, Xu J, Beckschäfer P, Swetnam RD. 2014. Can carbon-trading schemes help to protect china's most diverse forest ecosystems? A case study from xishuangbanna, yunnan. Land Use Policy 38(2), 646-656.

7. Xu J*, Grumbine RE. 2014. Building ecosystem resilience for climate change adaptation in the asian highlands. Wiley Interdisciplinary Reviews Climate Change 5(6), 709-718.

8. Zhu Y, Xu J, Li Q, Mortimer PE*. 2014. Investigation of rubber seed yield in xishuangbanna and estimation of rubber seed oil based biodiesel potential in Southeast Asia. Energy 69(SI), 837-842.

候选人对项目的贡献:

1.许建初:主持本项目的工作,全面负责总体科学构思,凝练关键科学问题,设计研究技术方案,协调湄公河地区周边国家合作渠道,综合分析重要基础数据。率先提出湄公河地区绿色橡胶慨念,为区域生态治理提出了科学依据,并提出通过区域合作改善湄公河水电站建设决策机制的观点。代表性论文347的第一作者与通讯作者,代表论文2的第一作者,代表论文5的通讯作者,代表性论文 1 的第二作者。

2.陈华芳:参与研究课题设计和管理,负责实施了西双版纳遥感与橡胶分布时空结构分析,以及湄公河地区土地利用与土地变化遥感数据的整理与分析。代表性论文 5 的第五作者

3.苏宇芳:参与研究课题设计和管理,负责实施了西双版纳与湄公河周边国家的社会经济调查方法的设计与社会经济数据的分析整理工作,参加了全球《天然橡胶可持续发展指南》的编写工作,代表性论文 5 的第六作者。

4.依庄防:参与研究课题设计,开发了生态模式,负责湄公河周边国家橡胶生产产业链的调查与空间分析,参加了全球《天然橡胶可持续发展指南》的编写工作。代表性论文6的第一作者与通讯作者。

5.朱义鑫:参与研究课题设计,负责实施了西双版纳与湄公河地区橡胶籽综合利用调查研究,以及橡胶籽作为食用油新资源的可行途径,代表性论文8的第一作者。

项目(4):

项目名称:植物细胞膜脂对环境的响应模式及机制研究

主要完成人:李唯奇、郑国伟、贾艳霞、郁步竹、张旭东

完成单位:中国科学院昆明植物研究所

推荐单位:中国科学院昆明分院

项目重要科学发现、主要学术代表作、主要完成人的学术思想贡献:

项目简介

环境胁迫对植物的分布和生长发育产生巨大影响,据美国《科学》的研究报道,环境胁迫致使作物丧失其产量遗传潜力69%。植物对环境的响应机制一直是重要科学问题。云南具有独特和极端环境,植物对其响应的机制具有代表性的意义。细胞膜是最灵敏的环境感应器官,植物主要通过膜脂分子和膜蛋白的变化感应和转导环境信号。本项目利用脂类组学等手段,并结合模式植物、作物和云南特有的植物和环境等条件,系统地研究了植物在响应高温和低温、缺水和过水、贫瘠、机械损伤、化学胁迫和衰老等过程中膜脂分子的变化和重组机制,发现了多种新的模式。这些成果提升了对植物响应环境变化规律的认识、对云南生物多样规律的认识,对植物资源的收集保藏和开发利用、改良作物性状具有重要的应用价值。

项目的重要科学发现

1.深入解析了植物膜脂在极端温度下的变化模式

通过研究滇西北高山流石滩植物响应昼夜巨大温差和模式植物室内温差控制实验,发现膜脂不饱和度变化没有在快速剧烈的高低温变化中发生,首次提出了植物响应温度变化的新机制:维持膜脂饱和度不变,改变膜脂分子组成这样一种低耗能的方式响应高低温快速变化;发现了种子萌发过程中细胞膜重建的动态变化模型,揭示了种子吸涨冷害发生的分子机制和渗透引发提高种子吸胀冷害抗性的原因;首次阐明了不同磷脂酶(磷脂酶Dα1Dδ)在植物抗低温中的不同作用,以及质体脂类和质外体脂类在植物冻融过程中的差异降解;通过检测膜脂分子变化及一系列生理生化指标,发现了植物在长期中高温胁迫下有两个典型响应阶段。

2.揭示了水分胁迫下膜脂的重组模式以及磷脂酶D在植物脱水耐受性中的作用

发现分布于我国西南喀斯特地区特有的物种弥勒苣苔(Paraisometrum mileense)是极端耐旱的复苏植物,并揭示其通过降低磷脂酶D的活性以阻滞流经磷脂酸库的膜脂降解过程以维持膜的完整性这新发现的机制来抵抗干旱胁迫;首次阐明了植物通过增加糖脂含量维持膜的稳定性,同时通过降低膜脂饱和度来增加膜脂流动性来响应干旱胁迫。

3.揭示了诱导衰老和自然衰老下植物的膜脂变化与衰老之间的关系

首次发现膜脂的脂肪酸碳链长度高度保守,但其中磷脂酰丝氨酸的脂肪酸碳链长度与植物寿命密切相关,可以作为检测植物发阶段育与衰老水平的分子标尺。发现缺失磷脂酶Dδ延缓了脱落酸(ABA)和乙烯促进的叶片衰老进程,然而功能却不一样。缺失PLDδ延缓了ABA促进的衰老进程的主要原因,是由于显著减少了由磷脂酰胆碱水解而产生的磷脂酸;而缺失PLDδ延缓了乙烯促进的衰老进程的主要原因,是由于减慢了单半乳糖甘油二酯(MGDG)和双半乳糖甘油二酯(DGDG)这两大类质体膜脂的降解速度和保持了细胞膜的完整性。

4.探索了高山花卉引种低地产生的膜脂变化模式

以总状绿绒蒿(Meconopsis racemosa)为例,探索了从滇西北高山引种低地昆明的过程中,巨大的环境变化所引发的生理生化障碍。发现糖脂的含量降低,膜脂饱和度增加。由于滇西北高山土壤磷元素含量低,且日均温较低,因此,绿绒蒿引种昆明后膜脂主要对培养介质中丰富的营养以及昆明相对的高温做出响应。同时,在引种过程中,与胁迫相关的磷脂酸(PA)和溶血磷脂的水平变化不大,引种过程对绿绒蒿而言可能并不是一种胁迫,绿绒蒿可以通过调节膜脂的组成模式适应昆明的引种条件。

5.填补了诸如机械损伤、元素缺乏、化学胁迫等过程中植物细胞膜脂的响应研究的空白。

在滇西北发现了极度耐受贫瘠须弥芥(Crucihimalaya himalaica),发现其具有对钾元素更强的吸收能力和更合理的分配能力,以及在缺钾下更好的保持膜稳定性,这些可能是其耐受缺钾的重要原因,须弥芥可以作为研究植物耐受钾缺乏的模式植物;首次报道了磷脂酶Dδ可能通过降解磷脂生成磷脂酸参与植物的机械损伤过程;发现缺失磷脂酶Dδ后,拟南芥膜的稳定性在植物毒素儿茶素的胁迫下降低。

本项目发表研究论文20篇,其中SCI收录论文12篇,总影响因子42.753。研究成果被国内外同行广泛认可,他引128次(SCI他引 117次,CSCD他引11次)。通过该项目,培养博士13名。1人晋升为副研究员,1人晋升为高级工程师。

代表性论文:

*通讯作者,#共同第一作者)

1. Zheng GW#, Tian B#, Zhang FJ, Tao FQ, Li WQ*. 2011. Plant adaptation to frequent alterations between high and low temperatures: remodelling of membrane lipids and maintenance of unsaturation levels. Plant, Cell and Environment 34: 1431-1442.

2. Yu XM, Li AH, Li WQ*. 2015. How membranes organize during seed germination: three patterns of dynamic lipid remodelling define chilling resistance and affect plastid biogenesis. Plant Cell and Environment 38: 1391-1403.

3. Li WQ*, Wang RP, Li MY, Li LX, Wang CM, Welti R., Wang XM. 2008. Differential degradation of extraplastidic and plastidic lipids during freezing and post-freezing recovery in Arabidopsis thaliana. Journal of Biological Chemistry 283: 461-468.

4. Yu BZ, Li WQ*. 2014. Comparative profiling of membrane lipids during water stress in Thellungiella salsuginea and its relative Arabidopsis thaliana. Phytochemistry 108: 77-86.

5. Jia YX, Li WQ*. 2015. Characterisation of lipid changes in ethylene-promoted senescence and its retardation by suppression of phospholipase Dδ in Arabidopsis leaves. Frontiers in Plant Science 6.

6. Tang T, Liu PL, Zheng GW, Li WQ*. 2016. Two phases of response to long-term moderate heat: Variation in thermotolerance between Arabidopsis thaliana and its relative Arabis paniculata. Phytochemistry 122: 81-90.

7. Li Y#, Zheng GW#, Jia YX#, Yu XM#, Zhang XD#, Yu BZ#, Wang DD#, Zheng YL#, Tian XJ, Li WQ*. 2014. Acyl chain length of phosphatidylserine is correlated with plant lifespan. Plos One 9: e103227.

8. Zhang XD, Wang RP, Zhang FJ, Tao FQ, Li WQ. 2013. Lipid profiling and tolerance to low-temperature stress in Thellungiella salsuginea in comparison with Arabidopsis thaliana. Biologia Plantarum 57: 149-153.

候选人对项目的贡献:

1.李唯奇:主持本项目的工作,提出总体科学构思,凝练关键科学问题,设计研究技术方案,综合分析重要基础数据,组织解决关键性学术疑难问题,组织国内外合作研究。系统的组织研究了植物细胞膜脂对多种环境胁迫的响应研究,并提出了新的观点。是所有代表性论文的通讯作者,是代表性论文3的第一作者。在该项研究中的工作量占本人工作总量的80%以上。

2.郑国伟:首次提出了植物响应温度变化的新机制;发现了高山花卉总状绿绒蒿引种昆明后的膜脂变化过程,解析了可能限制其引种过程的因素;发现了植物在响应长期中高温变化过程中膜脂响应的两个阶段。代表性论文1的第一作者,代表性论文7的共同第一作者,核心论文1020的第一作者,代表性论文6的第三作者和核心论文141516的第二作者。在该项目研究中的工作量占本人工作量的80%以上。

3.贾艳霞:阐明了激素ABA和乙烯诱导的植物衰老过程中膜脂的变化模式,证明了磷脂酶在植物响应这两种激素中的不同作用。代表性论文5的第一作者,代表性论文7的共同第一作者,核心论文919的第一作者。在该项目研究中的工作量占本人工作量的80%以上。

4.郁步竹:首次阐明了在干旱胁迫下植物通过增加糖脂含量维持膜的稳定性,同时降低膜脂饱和度增加膜脂流动性。代表性论文4的第一作者,代表性论文7的共同第一作者,核心论文11的第三作者。在该项目研究中的工作量占本人工作量的80%以上。

5.张旭东:解析了小盐芥耐低温的膜脂分子机制。代表性论文8的第一作者,代表性论文7的共同第一作者。在该项目研究中的工作量占本人工作量的80%以上。

项目(5):

项目名称:马先蒿属根部半寄生植物的生物学特性和生态影响

主要完成人:李爱荣、管开云、隋晓琳、任永权、陈燕

完成单位:中国科学院昆明植物研究所

推荐单位:中国科学院昆明分院

项目重要科学发现、主要学术代表作、主要完成人的学术思想贡献:

项目简介

根部半寄生植物在我国广泛分布,但由于其寄生器官隐蔽于地下,且多数种类未对我国农业生产造成大面积强烈影响,国内研究较少关注其寄生特性和生态功能。在我国分布的600余种寄生植物中,列当科马先蒿属(Pedicularis L.)的根部半寄生植物占总数的60%左右,主要分布于我国西南山区(云南210余种),是高山和亚高山草甸中的常见种类。马先蒿不仅种类丰富,对我国生态系统造成的影响在所有根部半寄生植物中也最为明显。个别种类近几年来成为恶性杂草,显著改变了一些地区草地生态系统中植物群落结构和生态系统功能,对生物多样性保护和畜牧业发展造成了强烈影响。鉴于马先蒿在我国(尤其是西南地区)分布的广泛性和作为高山和亚高山草地生态系统的常见组成部分,如何做好科学预警并提出有效的防控策略、避免更多草地生态系统遭其危害是当务之急;而了解马先蒿的根部半寄生特性、与其它物种的互作关系和调控过程,以及这些互作过程的生态影响,可为指导高山亚高山草甸生物多样性保护、维持生态系统稳定和相应生态功能奠定必要的理论和技术基础。

项目在多项国家自然科学基金和云南省基金项目支持下,经过十多年深入系统研究,掌握了多种马先蒿的根部半寄生特性和寄主范围,明确了多种马先蒿的寄主选择偏好并解析了相关机理;重点研究了丛枝菌根(AM)真菌、马先蒿及寄主植物的三重互作,及其对环境因子的响应;率先系统研究了根部半寄生植物和AM真菌的直接互作关系,拓展了寄生植物生物学和菌根生理生态学研究领域;在阐释根部半寄生植物与生物及非生物根际环境的互作过程和相关调控机制方面提出了一系列新观点;并率先从根部半寄生植物生理生态角度解析了甘肃马先蒿蔓延危害的机制。项目研究在国际上产生了一定影响,增强了寄生植物研究中对土壤微生物的关注。项目负责人2015年作为大会主席组办第十三届世界寄生植物学大会(the 13th World Congress on Parasitic Plants),使得该会议自召开30余年来首次在亚洲举办,增进了国内寄生植物研究者与国际同行的交流。

项目的重要科学发现:

1.率先系统研究了根部半寄生植物与丛枝菌根(AM)真菌的直接互作关系,报道了首例对寄生植物寄生器官(吸器)的发生和分化具有强烈抑制效应的生物现象

寄生植物和AM真菌在陆地生态系统中广泛分布,两者均为陆地生态系统的重要组成部分。国内外关于这两类生物有过大量深入的研究,但多数情况下仅关注两者之一。研究显示,AM真菌在宿主植物根部的定殖过程和根寄生植物对寄主植物的侵染过程具有相似的分子调控途径,两种生物过程有诸多相似之处。此外,逐步增多的研究表明,寄主植物根部的AM真菌定殖水平对寄生植物生长发育有显著影响。然而,由于多数寄生植物无法形成菌根,在我们之前,没有关于寄生植物和AM真菌直接相互关系的研究报道。

马先蒿和其它寄生植物一样曾被认为无法形成菌根,但我们发现部分滇产马先蒿在没有丧失根部半寄生特性的情况下具有较高的AM真菌定殖水平(Li and Guan2007 Mycorrhiza 17:103-109Li and Guan2008Mycorrhiza 18:429-436)。利用马先蒿兼具AM定殖能力和兼性根部半寄生的特点,在摸清马先蒿根内定殖AM真菌种群组成的基础上,我们利用国际菌种保藏库的菌株开展了人工控制条件下的接种试验,探讨了马先蒿和AM真菌的直接互作关系。结果表明,接种AM真菌可直接且强烈地抑制马先蒿寄生器官(吸器)的形成和分化。该研究首次发现AM真菌对根寄生植物的吸器发生有直接而显著的影响,证实AM真菌和马先蒿之间存在直接互作关系;拓展了寄生植物生物学和菌根真菌生理生态学的研究领域,也为寄生性杂草的生物防控提供了一条新思路(Li et al.2012Annals of Botany 109: 1075-1080)。

2.提出马先蒿可能存在寄生、自养和菌根营养三种养分吸收策略,并量化了不同养分吸收策略在马先蒿属植物养分吸收过程中的地位和作用

通过人工控制条件下的接种试验,我们发现接种AM真菌对部分马先蒿幼苗的生长发育有明显影响。鉴于AM真菌改善宿主植物营养状况的大量报道,以及一些马先蒿在野外具有较高的AM真菌定殖水平,我们推测AM真菌可能通过影响马先蒿从土壤中吸收养分的效率而影响幼苗生长发育,首次提出马先蒿或许可以通过AM真菌的菌丝吸收养分,即除寄生和自养两种在根部半寄生植物中已经报道的养分吸收策略之外,还可能具有菌根营养这种养分吸收策略(Li and Guan, 2008, Mycorrhiza 18:429-436)。

我们利用放射性同位素示踪手段,量化了AM真菌对马先蒿吸磷的直接贡献和间接影响。结果表明,接种AM真菌可显著影响马先蒿的生长发育和磷吸收水平,但在不同AM真菌-马先蒿组合中效果存在明显差异。在AM真菌-马先蒿-禾草类寄主的组合中,接种AM真菌可显著抑制马先蒿从寄主植物吸磷并影响马先蒿的生长发育,显著降低马先蒿寄生对寄主植物的危害(Li et al.2013Annals of Botany 112: 1089-1098Sui et al.2014Mycorrhiza DOI: 10.1007/s00572-013-0528-5);但在AM真菌-马先蒿-豆类寄主的组合中,接种AM真菌却明显促进了马先蒿对磷的吸收(黄新亚,2011)。研究结果验证了马先蒿属植物兼具菌根营养、寄生和自养三种养分吸收策略;但三种养分吸收途径在不同栽培条件下对马先蒿生长发育的贡献程度不同。以上结果表明,马先蒿属的根部半寄生植物在进化过程中,针对各种生物及非生物生态因子变化发生了多种复杂的适应性进化。我们的研究结果揭示了植物在从自养植物向寄生植物进化过程中的多元性和复杂性,同时发现马先蒿属的根部半寄生植物处于从自养植物向寄生植物过渡的较为原始的状态,为研究寄生植物的进化过程找到了一批理想的植物材料。

3.发现了调控根部半寄生植物与寄主植物营养关系、进而避免寄主植物资源被过度掠夺的一种新机制

生态系统中物种共存机制一直是学者们感兴趣的科学问题。由于先前没有关于寄生植物和生境中其它植物类群共存机制方面的探讨,寄生植物如何从寄主夺取大量养分但并不致死寄主一直是未解之谜。我们通过分室栽培和分根试验,借助放射性同位素(32P)示踪技术,研究了接种AM真菌对马先蒿与寄主营养关系的影响。研究结果表明,接种AM真菌后马先蒿从寄主植物获取磷的水平显著降低;进一步分析认为这与接种AM真菌后马先蒿根部的寄生器官(吸器)数量显著降低有关(Li et al.2013Annals of Botany 112: 1089-1098)。我们发现了AM真菌通过抑制根部半寄生植物吸器的形成而调控根部半寄生植物与寄主植物营养关系,进而避免寄主植物资源被过度掠夺的一种新机制,为揭示陆地生态系统中植物共存机制提供了新的视角和线索。

4.研究了马先蒿的寄主范围、寄主依赖程度及对寄主的选择偏好

尽管马先蒿的根部半寄生特性早已广为人知,但相关试验性研究却十分有限,且仅局限于对其寄主范围和吸器构造的简单分析和观察。中国分布的马先蒿种类占世界总数(近800种)的2/3以上,我国西南地区是马先蒿属植物的分布和多样性分化中心,然而关于中国马先蒿寄生特性的研究却十分有限。结合生境调查和实验室观察,我们发现分布于中国的马先蒿寄主范围十分广泛,可以在遇到的任何植物根上形成吸器,甚至可以在无生命的物体上形成吸器,是较为原始的根部半寄生植物类群(Ren et al.2010Folia Geobotanica 45: 443455)。尽管寄主范围广泛,但马先蒿对寄主存在明显的偏好性选择,且不同马先蒿的较优寄主植物类群不同。整体来看,禾本科和豆类植物是马先蒿的较优寄主。此外,不同马先蒿对寄主植物的依赖程度存在较大差异,部分种类的根系发达,从土壤中获取养分的能力较强,对寄主植物依赖程度较弱;而另一些马先蒿根系欠发达,但产生吸器的能力较强,更多依赖从寄主植物获取养分以完成生长发育过程。总的来讲,马先蒿产生吸器的能力和对寄主的依赖程度呈正比。我们还发现,马先蒿的寄主范围和对寄主的偏好性选择没有明显的地理分布规律,即便是同域分布的马先蒿,对寄主植物的依赖性和选择偏好方面也存在较大差异(Li et al.2012Functional Plant Biology 39: 784-794)。相关结果为以马先蒿属植物为材料开展根部半寄生植物生理生态学研究提供了必要的理论和数据基础。

5.发现了根部半寄生植物寄主选择偏好进化驱动力的新线索

根部半寄生植物具有绿色叶片,保留了一定的光合能力,但直接从土壤中吸收利用养分的水平较弱,仍依赖形成吸器从寄主植物获取养分和水分,以达到最佳生长状态。多数根部半寄生植物具有非常广泛的寄主范围。尤其是一些兼性根部半寄生植物,可以与根系接触范围内的多数植物建立寄生关系。然而,现有的研究均表明,即便是寄主范围极为广泛的兼性根部半寄生植物,也对寄主植物存在明显的选择偏好。先前研究认为,不同寄主植物空间分布和防御反应强度的差异,是造成根部半寄生植物对寄主的选择存在偏好性的重要原因。然而,罕见有从根部半寄生植物自身的角度,探讨其寄主选择偏好的进化驱动力。

我们以两种同域分布、但寄主选择偏好明显不同的马先蒿为实验材料,在没有寄主植物伴生的条件下,对NPK三种大量营养元素的生长反应进行了研究和分析。发现两种马先蒿在养分需求和发育策略方面存在明显差异(Li et al.2013Annals of Botany 112: 1099-1106)。以豆科植物为较优寄主的大王马先蒿对N的供应水平反应最为强烈,缺N条件下生长受到显著抑制;而偏好禾本科寄主的三色马先蒿则对P的供应有更为明显的反应。此外,两种马先蒿在养分分配方面也存在种间差异:对寄主依赖程度较弱的大王马先蒿在所有养分供应条件下均优先发展根系,对根的发育投入比例明显高于三色马先蒿;相反,对寄主依赖程度较高的三色马先蒿则对产生吸器的投入远高于大王马先蒿。我们的结果表明,两种马先蒿对养分需求的差异及对根系发育投入策略的不同是影响其寄主依赖程度和选择偏好的重要因素。该研究为探讨根部半寄生植物进化出寄主选择偏好的驱动力提供了新的线索。

6.率先探讨了根部半寄生植物的根系形态和构型可塑性,发现马先蒿属根部半寄生植物的根系具有极强的可塑性,养分供应水平、寄主种类及接种AM真菌均显著影响马先蒿的根系形态和构型

先前关于根部半寄生植物的研究多集中在对其寄生特性方面的报道,而很少关注这些植物自身根系的形态建成和可塑性。我们在研究中发现,马先蒿属的根部半寄生植物根系具有很强的可塑性,在某些情况下甚至达到类似于正常绿色植物的根系发达程度。进一步的试验结果表明,养分供应水平、寄主种类和接种AM真菌均可显著影响马先蒿的根系形态参数。在没有寄主植物的条件下,马先蒿对根系发育投入较高,在养分供应充足的条件下可以发育出较为发达的根系;在成功寄生于寄主植物之后,马先蒿对自身根系发育的投入明显减少,主要通过吸器从寄主获取养分(Li et al.2013Annals of Botany 112: 1099-1106);接种AM真菌可明显影响马先蒿和寄主植物的根系形态建成。此外,养分供应水平、寄主种类对马先蒿的主根长、侧根长、侧根数量以及吸器发生的影响存在种间差异。如缺氮和缺磷均能促进三色马先蒿主根和侧根的伸长生长及吸器的产生,而相同条件下大王马先蒿根系生长受到抑制,且没有吸器产生(陈燕等,2014,植物分类与资源学报3656-64)。初步推测,马先蒿的吸器产生机制或进程存在种间差异,氮和磷可能参与了吸器发生过程的调控。对马先蒿根系可塑性的深入研究对解释植物根系养分吸收策略的进化有积极的推动作用。

7.率先从寄生植物生理生态学角度和遗传学角度开展了寄生性杂草甘肃马先蒿的蔓延危害规律及防控策略研究,系统探讨了其危害规律和种群变化的驱动因素,为寄生性杂草蔓延危害的科学预警及有效防控提供了重要参考

马先蒿属根部半寄生植物具有非常独特的生理生态特性,素以栽培困难闻名。然而,近年来一些马先蒿在部分地区的草甸快速蔓延并泛滥成灾,严重危害了当地的畜牧业发展。目前国内外对导致马先蒿在短时间内种群数量急速变化的根本原因缺乏了解,造成杂草防治过程中十分被动、防效甚微。研究表明,遗传变异和环境条件的改变均可导致物种种群数量发生急剧变化。我们自2010年以来,以严重危害我国西部草原牧草生产力的甘肃马先蒿为研究对象,通过分子标记和同质园试验分析其遗传分化水平,利用生态因子相关性分析和栽培试验相结合确定影响其种群变化的关键生态因子,并研究相关生理基础,对甘肃马先蒿在我国西部地区蔓延危害的根本原因进行了遗传和生理生态层面的剖析。

我们在甘肃马先蒿近期扩张危害的新疆巴音布鲁克草原设立了永久样方,研究气候条件、植物群落组成、水肥管理和放牧水平等对甘肃马先蒿生长发育和种群扩张的影响,并对甘肃马先蒿种子的传播途径和方式开展了广泛调查和分析。试验结果显示,甘肃马先蒿更易在以禾本科牧草为主导的区域造成危害;除气候变化影响(隋晓琳等,2013)外,不合理放牧(Sui et al., 2015, Journal of Plant Research 128: 563572)、人工草地面积的增加和草种的不规范调运均可导致种群迅速扩张;AM真菌的定殖水平与甘肃马先蒿的危害程度呈反比(Sui et al., 2014Mycorrhiza 24: 187195);通过调节土壤养分可在一定程度上降低甘肃马先蒿对寄主植物的寄生危害。此外,我们还对先前被错误鉴定的、在新疆巴音布鲁克草原迅速蔓延危害的马先蒿进行了名称订正,在形态鉴定的基础上,结合解剖学和分子生物学研究结果,确认该马先蒿实为甘肃马先蒿(Sui et al.2016Journal of Arid Land 8: 453461),与危害青海、甘肃草甸的马先蒿为同一个种。这为从更大尺度上开展该种寄生性杂草的防控提供了科学依据。我们的研究还表明,甘肃马先蒿具有较高的遗传多样性水平,根系和植株形态可塑性水平也非常高(Li et al.2016)。这为解析甘肃马先蒿大面积蔓延危害的遗传学和生物学基础提供了理论参考。

8.建立了研究根部半寄生植物-AM真菌-寄主植物三者互作关系的实验体系

先前仅局限于对寄生植物、其寄主植物和AM真菌三者中的两种生物互作关系开展研究,没有可以借鉴的体系将三种生物共存时的两两关系明确区分开来。我们探讨了一系列对根部半寄生植物-AM真菌-寄主植物三者互作过程进行研究的方法,包括研究这三种生物根际互作过程的分室和分根栽培体系(Li et al.2013Annals of Botany 112: 1089-1098)及部分根际过程的可视化(陈燕等,2014,植物分类与资源学报3656-64),并于近期建成皿内条件下马先蒿-AM真菌-寄主植物共培养的实验体系,为今后相关研究提供了技术参考和借鉴。

本项目发表研究论文20篇,其中SCI收录论文12篇,总影响因子29.341。研究成果被国内外同行认可,他引122次(SCI他引 62次,CSCD他引14次)。通过该项目,培养博士3名,硕士2名。1人晋升为研究员,1人晋升为教授, 1人晋升为高级实验师,1人晋升为助理研究员。

代表性论文:

*通讯作者)

1. Sui Xiao-Lin, Huang Wei, Li Yun-Ju, Guan Kai-Yun, Li Ai-Rong*. 2015. Host shoot clipping depresses the growth of weedy hemiparasitic Pedicularis kansuensis. Journal of Plant Research 128: 563–572.

2. Sui Xiao-Lin, Li Ai-Rong*, Chen Yan, Guan Kai-Yun, Zhou Lu, Liu Yan-Yan. 2014. Arbuscular mycorrhizal fungi: potential biocontrol agents against the damaging root hemiparasite Pedicularis kansuensis? Mycorrhiza 24: 187–195.

3. Li Ai-Rong*, Guan Kai-Yun, Rebecca Stonor, Smith Sally E., and Smith F. Andrew. 2013. Direct and indirect influences of arbuscular mycorrhizal fungi on phosphorus uptake by two root hemiparasitic Pedicularis species: do the fungal partners matter at low colonisation levels? Annals of Botany 112: 1089–1098.

4. Li Ai-Rong*, Li Yun-Ju, Smith Sally E., Smith F. Andrew, and Guan Kai-Yun*. 2013. Nutrient requirements differ in two Pedicularis species in the absence of a host plant: implication for driving forces in the evolution of host preference of root hemiparasitic plants. Annals of Botany 112: 1099–1106.

5. Li Ai-Rong*, Smith Sally E., Smith F. Andrew, and Guan Kai-Yun*. 2012. Inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi suppresses initiation of haustoria in the root hemiparasite Pedicularis tricolor. Annals of Botany 109: 1075–1080.

6. Li Ai-Rong*, Smith F. Andrew, Smith Sally E., and Guan Kai-Yun*. 2012. Two sympatric root-hemiparasitic Pedicularis species differ in host dependency and selectivity under phosphorus limitation. Functional Plant Biology 39: 784–794.

7. Li Ai-Rong, Guan Kai-Yun*. 2008. Arbuscular mycorrhizal fungi may serve as another nutrient strategy for some hemiparasitic species of Pedicularis (Orobanchaceae). Mycorrhiza 18:429–436.

8. Ren Yong-Quan, Guan Kai-Yun*, Li Ai-Rong, Hu Xiao-Jian, Zhang Le. 2010. Host dependence and preference of a root hemiparasite, Pedicularis cephalantha Franch. (Orabanchaceae). Folia Geobotanica 45: 443–455.

候选人对项目的贡献:

1.李爱荣:主持本项目的工作,提出总体研究构思,凝练关键科学问题,设计研究技术方案,解决关键性学术疑难问题,组织开展国内外合作研究。率先探讨了AM真菌和马先蒿之间直接互作关系,并就AM真菌对马先蒿与寄主植物互作关系的调控过程和相关调控机理开展了系统研究,拓展了寄生植物生物学和菌根真菌生理生态学的研究范畴;从多角度、多水平系统探讨了马先蒿属植物的根部半寄生特性及其与生物及非生物环境因子的互作过程。代表性论文 1 2的通讯作者,代表性论文34567的第一作者,代表性论文8的第三作者。

2.管开云:率先推动马先蒿属植物引种栽培和根部生物学研究,调查马先蒿属植物野外分布状况,系统收集马先蒿属植物生境资料,为项目的执行奠定了重要理论和技术基础。代表性论文45678的通讯作者,代表性论文3的第二作者,代表性论文12的第四作者。

3.隋晓琳:对马先蒿属寄生杂草与寄主植物间互作关系进行了深入探讨,发现AM真菌在调解马先蒿属根部半寄生杂草和寄主植物之间关系中所发挥的重要作用;并提出适度放牧可在一定程度上抑制寄生杂草的生长。代表性论文12的第一作者。在该项目研究中的工作量占本人工作量的80%以上。

4.任永权:在分析几种马先蒿与生境中不同植物种类空间关联度的基础上,结合种子萌发和引种栽培实验,探讨了几种马先蒿的种子萌发特性、寄主范围、寄主选择偏好,以及马先蒿寄生对不同寄主生长发育的影响。代表性论文8的第一作者。在该项目研究中的工作量占本人工作量的80%以上。

5.陈燕:率先以两种马先蒿为材料,对根部半寄生植物根系形态的可塑性进行研究,发现两种马先蒿的根系形态可塑性及发育投资策略存在明显种间差异,根系形态建成与地上部分生长发育及对寄主植物的依赖程度存在较大的相关性。代表性论文2的第三作者。在该项研究中的工作量占本人工作总量的80%以上。

项目(6):

项目名称:南药资源植物的化学及生物活性

主要完成人:张颖君、王一飞、许敏、杨崇仁、朱宏涛、王东、王亚峰

完成单位:中国科学院昆明植物研究所、暨南大学

推荐单位:中国科学院昆明分院

项目重要科学发现、主要学术代表作、主要完成人的学术思想贡献:

项目简介

针对广义的南药资源植物,应用天然产物化学、分析化学和生物学等研究手段,系统地开展了余甘子(Phyllanthus emblica)、叶下珠(Phyllanthus urinaria)、越南叶下珠(Phyllanthus cochinchinensis)、西印度醋栗(Phyllanthus acidus)、落萼叶下珠(Phyllanthus flexuosus)、青灰叶下珠(Phyllanthus glaucus)、草血竭(Polygonum paleaceum)、金荞麦(Fagopyrum dibotrys)、香椿(Toona sinensis)、青天葵(Nervilia fordii)、岗梅根(Ilex asprella)、滇边蒲桃(Syzygium forrestii)、广藿香(Pogostemon cablin)、泡核桃(Juglans sigillata)、直干桉(Eucalyptus maideni)等十余种植物的化学成分及其抗病毒和抗氧化的生物活性研究。建立了确定闭花木烷型二萜配醣体绝对构型的方法,构建了南药资源植物的小分子化合物库;建立与完善了抗病毒、抗氧化筛选平台,获得具有显著抗病毒活性和抗氧化活性的天然小分子化合物,并深入地阐明了活性化合物的抗病毒机制,为抗病毒创新药物的开发奠定了基础。

项目的重要科学发现

1.系统地研究了叶下珠属植物中余甘子、叶下珠、越南叶下珠、西印度醋栗、落萼叶下珠、青灰叶下珠等六种药用植物的化学成分。从中共分离鉴定了359个化合物,包括新化合物152个,结构类型涉及没药烷型倍半萜苷、闭花木烷型二萜苷、单萜苷、四降三萜、木脂素、黄酮、糖酯和酚苷类。此外,在该属植物中首次发现了结构新颖的、有乙炔基取代的闭目花烷型二萜苷,环系重排为6/6/5/6新环系的四降三萜类化合物还被本领域的权威刊物 Nature Product Report 列为热点化合物。

2.筛选出具有显著抗病毒活性的天然小分子化合物。以单纯疱疹I型、II型病毒(HSV-1, -2)、柯萨奇病毒B3病毒(CVB3)、乙肝病毒(HBV)、流感病毒(N3H2)、手口足病毒(EV71)等病毒株为靶,对叶下珠属植物中分离到的化学成分进行抗病毒活性测试,发现11个化合物的活性显著高于阳对照百塞诺。构效关系研究发现,C-7酮基、C-10羟基、C-13酯化及C-13连双糖基是抗病毒活性的必须药效基团。C-10苯甲酰基是抗病毒活性的助效基团,如果被其它基团取代,其抗病毒活性将减弱。

3.进一步完善了南药资源植物的化学成分及生物活性研究。从草血竭、金荞麦、香椿、青天葵、岗梅根、滇边蒲桃、广藿香、泡核桃、直干桉等植物中分离鉴定出119个化合物,包括新化合物25个。得到一系列结构新颖的萜类、黄酮苷类、含硫三萜皂苷类化合物以及具有显著抗氧化活性的酚类化合物,为南药资源植物的应用提供了科学依据。

4.优化了广义南药资源植物中复杂天然产物化学结构的解析方法。针对闭花木烷型二萜手性中心附近具有苯环发色团的特点,建立了通过量子化学计算模拟圆二色谱(ECD)曲线与实验ECD谱图进行对照来确定这类二萜配醣体绝对构型的方法,并首次发现糖基的存在可影响二萜骨架构象,进而改变CD曲线的形状。

5.建立与完善了抗疱疹病毒、抗乙肝病毒、抗流感病毒和抗氧化活性的筛选平台,完成了一系列南药小分子化合物的抗病毒作用机制研究。

6.构建了南药资源植物的小分子化合物库,为抗病毒、抗氧化创新药物的开发奠定了基础。

本项目共发表相关论文36篇,其中SCI收录33篇。从中选取8篇代表性论文和12篇核心论文进行检索,检索结果显示20篇论文的总影响因子为70.207;他引673次(SCI他引 465次,CSCD他引208次)。通过该项目,培养博士4名,硕士18名。1人晋升为教授,1人晋升为高级工程师,2名博士后出站。

代表性论文

*通讯作者)

1. Jun-Jiang Lv, Shan Yu, Ya-Feng Wang, Dong Wang, Hong-Tao Zhu, Rong-Rong Cheng, Chong-Ren Yang, Min Xu*, Ying-Jun Zhang*. Anti-hepatitis B virus norbisabolane sesquiterpenoids from Phyllanthus acidus and the establishment of their absolute configurations using theoretical calculations. Journal of Organic Chemistry, 2014, 79(12), 5432-5447.

2. Jiang-Qiang Zhao, Yan-Ming Wang, Hong-Ping He, Sheng-Hong Li, Xiao-Nian Li, Chong-Ren Yang, Dong Wang, Hong-Tao Zhu, Min Xu *, Ying-Jun Zhang *. Two New Highly Oxygenated and Rearranged Limonoids from Phyllanthus cochinchinensis. Organic Letters, 2013, 15(10), 2414-2417.

3. Hu Ge, Yi-Fei Wang*, Jun Xu*, Qiong Gu, Hai-Bo LiuPei-Gen XiaoJiaju Zhou, Yanhuai LiuZirong YangHua Su. Anti-influenza Agents from Traditional Chinese Medicine. Natural Product Reports, 2010, 27(12):1758-1780.

4. Ya-Feng Wang, Xiao-Yan Wang, Zhe Ren, Chui-Wen Qian, Yi-Cheng Li, Kaio Kitazato*, Qing-Duan Wang, Yan Zhang, Li-Yun Zheng, Jin-Hua Jiang, Chong-Ren Yang, Qing Liu, Ying-Jun Zhang*, Yi-fei Wang*. Phyllaemblicin B Inhibits Coxsackie Virus B3 Induced Apoptosis and Myocarditis. Antiviral research, 2009, 84(2), 150-158.

5. Li-Wen Tian, Ying Pei, Ying-Jun Zhang*, Chong-Ren Yang, Yi-Fei Wang. 7-O-Methylkaempferol and - Quercetin Glycosides from the Whole Plant of Nervilia fordii. Journal of Natural Products, 2009, 72, 1057-1060.

6.Kai-Jin Wang, Chong-Ren Yang, Ying-Jun Zhang *. Phenolic Antioxidants from the Fresh Young Leaves of Toona sinensis. Food Chemistry. 2007, 101: 365-371.

7. Kai-Jin Wang, Ying-Jun Zhang *, Chong-Ren Yang. Antioxidant Phenolic Compounds from Rhizomes of Polygonum paleaceum. Journal of Ethnopharmacology, 2005, 96 (3): 483-487.

8. Ying-Jun Zhang, Abe T, Tanaka T, Chong-Ren Yang, Kouno I*. Phyllanemblinins A-F, New Ellagitannins from Phyllanthus emblica. Journal of Natural Products, 2001, 64 (12), 1527-1532

候选人对项目的贡献:

1.张颖君:主持本项目的工作,确定研究方向,提出总体科学构思,凝练关键科学问题,设计研究技术方案,系统研究南药的化学和生物活性,综合分析重要基础数据,组织解决关键性学术疑难问题,组织国内外合作研究。代表性论文 8和核心论文20的第一作者;代表性论文 1-24-7和核心论文9-19的通讯(或共同通讯)作者,在该项研究中的工作量占本人工作总量的80%以上。

2.王一飞:项目活性评价部分的负责人,负责此部分研究内容的总体构思,研究方案设计,关键科学问题的凝炼,综合分析重要基础数据,组织解决关键性学术疑难问题,组织国内外合作研究。代表性论文3-4和核心论文1113的通讯(或共同通讯)作者,是代表性论文5和核心论文9141617、主要参与作者,在该项研究中的工作量占本人工作总量的70%以上。

3.许敏:负责项目化学部分研究内容的总体构思,研究方案设计,关键科学问题的凝炼,综合分析重要基础数据,组织解决关键性学术疑难问题,指导学生开展实验和论文撰写。代表性论文12,核心论文10的通讯(或共同通讯)作者,是核心论文18的第一作者,是核心论文91112的主要参与作者,在该项研究中的工作量占本人工作总量的70%以上。

4.杨崇仁:参与项目整体研究方案及国内外合作交流的设计。代表性论文1-24-8和核心论文9-20的参与作者,在该项研究中的工作量占本人工作总量的50%以上。

5.朱宏涛:参与研究方案的设计,完成南药资源植物的收集、样品的提取、活性的初筛及化合物库的完善,指导学生开展实验,整理和撰写成果报告。代表性论文12,核心论文1012的主要参与作者,在该项研究中的工作量占本人工作总量的60%以上。

6.王东:参与研究方案的设计,指导学生开展实验,撰写论文,整理和撰写成果报告。代表性论文12,核心论文1012的主要参与作者,在该项研究中的工作量占本人工作总量的60%以上。

7.王亚峰:完成了南药小分子化合物抗病毒活性筛选及抗病毒机制的研究。代表性论文4的第一作者,代表性论文1和核心论文10的参与作者。在该项研究中的工作量占本人工作总量的40%以上。