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北京大学现代农学院2017暑期课程《植物发育及分子生物学》圆满结束

/ 2017-07-27

《植物发育及分子生物学》课程自1998年创办至今,已走过了20个年头。每年,课程都会邀请植物发育和分子生物学相关各领域最顶尖的科学家前来授课,为大家讲授植物学最前沿的进展,也因此吸引大量来自全国各个高校与科研院所的学生前来学习交流。今年7月14至19日,有近400名学生来到北大的课堂参加为期5天的课程。

Day 1: 林辰涛教授 (福建农林大学林学院教授,博士,博士生导师,加州大学终生教授“长江学者奖励计划”讲座教授,基础林学与蛋白质组学研究中心主任)

课程题目:The Plant Blue-light Receptor Cryptochrome

第一天的课程由林辰涛教授精彩开篇,为大家深入浅出地讲授了蓝光受体的信号调控机制以及转录组与蛋白质组的光反应机制。林辰涛教授心系家乡建设,于2014年春回到福建省福州市,组建了福建农林大学高水平研究平台“基础林学与蛋白质组学研究中心” (BFPC)、美国加州大学洛杉矶分校 - 福建农林大学植物蛋白质组学联合研究中心 (UCLA - FAFU Joint Research Center on Plant Proteomics),并领导组建了福建农林大学海峡联合研究院。在课程的开始,林辰涛教授就从在BFPC进行的关于毛竹的一系列研究开始介绍。首先,他从中国的竹文化引入,再从生物学的角度出发提出了竹子快速生长以及花期控制机制等一些有趣的生物学问题,阐释了以毛竹作为研究对象的意义。

                                      

林辰涛教授作为植物蓝光受体Cryptochrome的发现者之一,长期以来致力于植物蓝光受体的分子及光化学特性、生物学功能、及其信号传递分子机制的研究,是目前世界上蓝光受体及植物光信号传导研究领域的权威与著名科学家。因此,课程的第二部分便围绕蓝光信号展开。在简单的回顾了蓝光受体Cryptochrome的发现过程后,林辰涛教授讲解了蓝光受体的信号调控机制的两个重要环节:一是BIC作为CRYs的suppressor,是如何被发现以及如何发挥功能的,阐释了BIC通过抑制CRYs的dimerization以及与下游功能蛋白的互作从而抑制蓝光信号通路的新机制;二是CRYs磷酸化过程的一些最新的发现。接着,林老师还介绍了他关于转录组与蛋白质组的蓝光反应机制探索的最新进展。

林老师的幽默和广博让同学们对这门课程充满了兴趣,也对后面4天的课程充满期待。

Day 2:邓兴旺教授 (北京大学现代农学院院长,北京大学长江特聘教授,原美国耶鲁大学分子、细胞和发育生物学系终身教授美国科学院院士) & 朱健康教授 (美国科学院院士,中国科学院上海植物逆境生物学研究中心主任)

课程题目:The Application of Advanced Biotechnology in Agriculture(邓兴旺教授) && Decoding the Epigenetic Language of Life--Dynamic Regulation of DNA Methylation(朱健康教授)

在上午的课程中,邓老师首先向同学们介绍了杂种优势这一生物学现象,及其在农业生产上的应用。随后介绍了“三系法”“二系法”杂交水稻方法背后的生物学原理和实际生产上遇到的一些问题,提出解决植物隐性核雄性不育的繁殖,是形成新一代杂交水稻技术的关键。之后邓老师向同学们介绍了他所带领的研究团队,开发出的第三代杂交育种技术(G3育种技术)所取得的成果、不足和未来研究方向。接下来邓老师又向大家介绍了目前世界人口的高速增长与传统农业技术产量受限之间的矛盾,提出保障粮食安全的根本出路在于发展现代农业生物技术,同时向大家耐心介绍了社会上普遍持怀疑态度的转基因技术的历史及原理。

在下午的课程中,朱老师首先向同学们介绍了DNA是遗传物质的发现过程以及遗传信息的传递和表观遗传的相关背景。接下来朱老师系统地介绍了RdDM途径介导的DNA甲基化过程,以及利用他们建立的荧光素酶筛选系统筛选到了第一个去甲基化酶ROS1,以及利用蔗糖抑制根长筛选体系筛选到了去甲基化复合体中的其它的组分,从而确立了在拟南芥中至少有两条独立的信号通路调控去甲基化过程,同时ROS1自身启动子的甲基化水平可以作为植物体内甲基化和去甲基化的开关。最后朱老师详细地介绍了他们在西红柿中的最新研究成果,研究表明冷处理等可以抑制去甲基化酶ROS1的表达,从而使得控制风味相关的基因高甲基化,进而低表达,使得西红柿的口感不佳。这一研究具有相当使用的生产应用价值。报告结束后同学们十分兴奋与朱老师进行了更多的讨论。

Day 3:董娟教授(美国罗格斯大学瓦克斯曼研究所教授

课程题目:Stem Cell Biology in Plant Development

课程第三天,来自美国罗格斯大学瓦克斯曼研究所的董娟教授,同时也是在这次暑期课程创办伊始就加入到授课队伍的老师之一,带大家走进植物发育的干细胞生物学。细胞不对称分裂可以让发育因子不对称分配在两个子细胞,是干细胞分化成不同细胞类群的重要机制。长久以来的研究表明,动物细胞的不对称分裂是由一些保守的蛋白通过极化定位而实现的。然而,在植物中并不存在相应的同源极化蛋白,植物的细胞不对称分裂是如何发生的,一直是植物发育生物学领域尚未解决的谜题。董娟教授在美国斯坦福大学从事博士后研究期间,通过拟南芥叶表皮气孔细胞突变体的遗传筛选,分离到一个新的基因BASL,首次阐释了BASL蛋白极化定位介导表皮细胞不对称分裂的分子机制。此后,董娟教授到罗格斯大学独立开展研究,继续围绕植物细胞不对称分裂的科学问题,做出了一系列出色的工作。

上午,董娟教授为大家梳理了植物干细胞研究的历史,深入浅出地讲解了植物干细胞的分裂和维持的分子机制。特别地,通过类比模式动物果蝇中相关的干细胞命运决定研究,强调了不同学科间的相互启发和促进作用。

下午,课程主题回到了董娟教授的研究核心领域——植物气孔细胞的不对称分裂。董娟教授重点介绍了气孔细胞发育进程中3个核心转录因子SPCH、MUTE和FAMA的发现过程和作用机制,并向大家解释了这些基因名称的由来。如著名的SPCH(SPECHLESS)基因,意即“无言的”,原因在于拟南芥spch突变体叶表皮不能产生形状类似嘴巴的气孔细胞;而FAMA的名称则来源于希腊神话中的谣言女神,相应的,最初发现FAMA的突变导致多个畸形非气孔细胞的出现,寓意“多嘴的”。同时,董娟教授也介绍了她发现的基因BASL(Breaking  of  Asymmetry  in  the  Stomatal  Lineage)的定名故事,BASL和“Basal”相似,即可以用于描述其蛋白在细胞基部的定位,又暗示其在气孔细胞发育中的基础作用。这些故事激发了在场同学的兴致,为课堂带来了别样的趣味。最后,董娟教授介绍了她在植物细胞不对称分裂机制方面取得的一些新进展。更为重要的是,作为科学研究群体中相对较少的女性科学家,董娟教授分享了她在人生不同阶段的心路历程,鼓励在场的女同学坚持自己的科学梦想。在董娟教授身上,理性和知性的交融,赋予了这门课程独特的魅力。

Day 4:胡剑平教授(美国密歇根州立大学教授

课程题目:Dynamics of Plant Energy Organelles – Chloroplasts, Mitochondria and Peroxisomes

课程第四天,我们迎来了来自Michigan State University的胡剑平老师。胡老师给我们细致地描述了植物能量传递过程中的关键细胞器:叶绿体、线粒体和过氧化物酶体三者的信息交流过程。在课程中,胡老师首先对于植物细胞器的结构、功能以及演化过程进行了简要的介绍,之后进入正题,为大家介绍了目前研究细胞器的技术手段。在这些基础知识的铺垫下,胡老师深入浅出地介绍了叶绿体、线粒体和过氧化物酶体三者在空间和功能上的密切联系以及背后的分子机制。最后,围绕细胞器的降解以及质量监控机制,胡老师与大家分享了最新的研究进展。本次丰富的课程内容为大家描绘了植物这一初级生产者在能量传递过程中的分子机制。另外,胡老师在备课过程中的严谨认真也感染和激励了大家。胡老师还为大家展示了她本科时期和同学种在北大校园里的“班树”。

Day 4:乔红,助理教授德克萨斯大学奥斯汀分校

课程题目:Interplay between Plant Hormone and Chromatin Regulation

到了第五天同学们依旧热情不减,来自美国德州大学奥斯汀分校的乔红老师带领大家走进细胞和分子生物学的世界,主要为大家讲述了染色质重塑与激素和压力源基因表达特异性的建立相关知识。

              

乔红老师主要的研究方向是植物在激素信号和胁迫响应过程中,染色质的重塑以及基因表达特异性的建立。乔红老师在对乙烯信号通路的解析以及乙烯对组蛋白修饰的调控机制的研究中作出了重要的贡献。 植物激素对于调控植物生长发育具有重要的作用,通过控制植物激素能够抑制作物对某些压力源的敏感性,使作物在压力条件下获得更高的产量,来养活世界上日益增长的人口。

乔红老师特别注重与学生的互动,提出来怎样确定一个基因的功能等问题,引发同学们的激烈思考,她活泼开朗不拘小节,课下也被同学们团团围住展开讨论。通过她的课堂大家拓展了思维,感受到了植物激素的一个微小改变都可能会给农业生产带来巨大的进步。

后记

5天的课程中,同学们不仅聆听到了植物学研究多个方向最前沿的进展,也领略到了6位老师或幽默或广博的、各有不同的风姿。尽管这门课已经开设了20年,几位老师也是多次受邀前来,但每次都会仔细重新备课、加入新的内容和元素,将更多更新、更有趣的工作带给同学们,他们严谨的态度让我们对其卓越的科研成果的崇拜之外,又多了一层敬佩之情。也正因如此,每年的课堂上,都会有一些多年来听课的“老朋友”,他们说每次都能听到新内容,学到新知识。有趣的是,在学生时代,乔红老师曾经多次为《植物发育及分子生物学》暑期课的学员,如今她已站在讲台上,成为我们学习的榜样,这也激励着我们在自己的科研生活中不断努力奋进,做出更加优秀的工作。

这门暑期课让来自全国各个高校与科研院所的同学齐聚一堂学习交流,在北大的一方课堂上便得以了解植物学的国际前沿工作,同时又能听到老师们对于科研和生活的亲身经历与体悟,可以说正是体现了北大“兼容并包,思想自由”的精神。