中国植物生理学会 中国细胞生物学学会 中国神经科学学会
一、引言
21世纪被称为生命科学和生物技术的时代。生命科学和生物技术的重大突破，将在医学、农业、工业、环境、能源等领域引发新的科技革命，并有可能从根本上解决疾病、人口膨胀、粮食短缺、能源匮乏、环境污染等影响人类生存与发展的重大问题。各国政府都非常重视生命科学和生物技术的发展，视其为21世纪经济发展新的增长点，并将其列入国家发展规划，制定了相应的计划和政策。我国也把生命科学和生物技术作为未来高技术产业的重点，并在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中，将生物技术列入国家科技发展的5个战略重点之一，以推进生物技术在农业、工业、人口与健康等领域的应用。
世界各国政府的重视和支持推动了生命科学和生物技术的各类科学计划和研究项目的有效实施，带来了举世瞩目的研究成果。从国际自然科学领域两大权威期刊《科学》（Science）、《自然》（Nature）2006年、2007年发表的论文来看，生命科学领域研究论文已占其论文总量的50％左右。在Science每年评选的世界年度十大科学突破中，生命科学领域的突破在2006、2007年分别占到了7项和5项。
目前，生命科学基础研究中最活跃的前沿主要包括：细胞与分子生物学、神经与认知科学、系统生物学与组学等，由这些研究前沿引伸出的一些核心问题包括干细胞的多能性与分化、小分子RNA的功能与作用机制、肿瘤的发生与转移、认知的生物学机制等等。
生物学是生命科学各个领域的基础和核心，代表着现代自然科学的前沿，其涵盖的内容非常广泛。本报告将注重生物学的前沿研究及热点，重点聚焦细胞与分子生物学、神经与认知科学、植物科学以及系统生物学等领域，力求多方位反映生物学领域近年来的重大进展。
二、细胞和分子生物学的研究热点及发展趋势
细胞是生物体结构和功能的基本单位，也是生命活动的基本单位。以细胞为对象，在分子水平上研究细胞生命活动的分子机制的学科分支称为分子细胞生物学。细胞与分子生物学是当今生物学的核心及最活跃的前沿。近年来，细胞和分子生物学的研究热点主要集中在干细胞生物学、小分子RNA、表观遗传学、分子免疫学、肿瘤生物学以及蛋白质修饰和降解等方面。
自1997年通过体细胞核转移（SCNT）技术成功克隆多莉羊后，许多动物的成体细胞和胚胎细胞都被用来克隆与其基因相同的子代。但直到2007年底，美国俄勒冈大学的科学家们才通过运用SCNT技术成功克隆出灵长类动物的胚胎干细胞株。2006、2007年，最激动人心的干细胞领域的突破，要数通过在鼠和人的体细胞中外源性表达一些特定的转录因子，从而将体细胞重建并逆转为类胚胎干细胞（iPS细胞，可诱导的多能性干细胞)。这些研究使得培养多能性干细胞并将其运用到临床实践中充满了希望。而血液干细胞、神经干细胞和肌肉干细胞等成体干细胞领域的研究进展也必将为人类带来更多的福祉。
小分子RNA的发现将RNA推到了生物学研究的前沿。1998年科学家们在线虫中发现，短链RNA可以配对结合靶体mRNA，并抑制特定基因的表达。现在，RNA干扰（RNAi）技术已经被广泛运用。对微小RNA（miRNA）和piRNAs（piwi-interacting RNAs）的广泛研究更让人们看到了小分子RNA的多样性和多功能性。RNA的作用机制及其生物学功能的研究将使人类更好地认识生命神奇的本质，并将影响到其他相关领域，如发育、分化和肿瘤发生等领域的研究进展。
环境的影响或者年龄的增长都会使表观遗传信息发生变化。表观遗传学是指非DNA序列改变所引起的可遗传性变化。X 染色体失活、DNA 的甲基化/去甲基化、组蛋白密码(histone code)、基因组印记和表观基因组学则是表观遗传学研究的主要方面。人类表观基因组计划是人类基因组计划后又一个战略性计划，它的实施将为探寻与人类发育和疾病相关的表观遗传变异提供蓝图。
宿主（人和动物）经过长期的进化，迫于病原体的压力，产生天然免疫和获得性免疫。机体的免疫系统通过识别自己、排除异己以维持机体正常的生理功能。但免疫反应并不总是有益的，过度免疫反应将导致过敏，甚至死亡。病原体通过抗原变异等手段躲过宿主的免疫识别并“劫持”宿主细胞，最终与宿主共生或将宿主细胞杀死。随着现代科学技术的发展，人类对传染病的控制已经有了质的飞跃，但对于病原体和免疫生物学的认识还需要进一步的研究，以便更好地为人类的健康服务。
肿瘤已经成为人类健康的头号杀手。肿瘤的抑制、癌症可疑性基因和肿瘤转移依然是肿瘤治疗和肿瘤研究所面临的主要挑战。2005年美国启动了一项绘制癌症基因组图谱（TCGA）的计划，将为癌症的早发现早治疗带来福音。近年来，科学家们认为肿瘤的瘤体内存在着可以自我更新的肿瘤干细胞。如何选择性地杀死肿瘤干细胞是将来有效治疗肿瘤的一个重要方向。
蛋白质是细胞的生物学功能的最终执行者。蛋白质的修饰和降解调节着细胞的各项功能，同时也是药物研究的靶目标。蛋白质修饰和降解的异常将导致疾病的产生。泛素化、组蛋白的甲基化/去甲基化、乙酰化/去乙酰化以及细胞内信号通路中各种蛋白磷酸化/去磷酸化的正确与否直接与细胞及机体的功能相关，这些都是细胞与分子生物学近几年的重要研究内容。
在分子与细胞生物学领域，我国科学家在过去的几年中取得了令人注目的成绩，例如，北京生命科学研究所戚益军博士首次在单细胞生物绿藻中发现微小RNA，该成果发表于《基因与发育》 (Gene & Development)上；湖南中南大学卢光秀实验室和北京动物所周琪研究组同时在《细胞研究》 (Cell Research)上发表文章，成功克隆出人类孤雌细胞来源的胚胎干细胞株；中国科学院上海生命科学研究院裴钢研究组发现了β-arrestin 1是自身免疫敏感性因子，并对CD4+ T细胞的存活起着非常关键的作用，该论文发表在《自然—免疫》 (Nature Immunology)；中国医学科学院林东昕教授发表在《自然—基因》 (Nature Genetics)上的论文确认caspase 8的启动子上的6个核苷酸插入/缺失的多态变异性与多种癌症的发病几率有很强的相关性。2007年度，国内的科学家在《自然》系列、《科学》、《细胞》(Cell)等世界顶级的期刊上发表了约40篇原创性论文，取得了可喜的进步。
分子与细胞生物学研究的各个领域是相互关联、相互重叠的。例如，RNA干扰药物即将进入肿瘤治疗的临床试验；而脐带血干细胞早已进入临床用来治疗白血病；蛋白质的修饰和降解也与其他5个热点领域的研究息息相关。全面推进细胞和分子生物学的各领域的研究将加深人们对生命的认识，并为人类的健康积极服务。
三、神经及认知科学的研究进展与趋势
大脑是生命体最高级的控制中枢。人的感觉、运动、学习、记忆、动机和情绪等都是脑功能的反映。对脑功能机制的研究，并最终揭示大脑工作的奥秘，为大脑疾病的诊治提供理论基础、将是本世纪神经科学家最重要的课题。
神经元是大脑中最基本的功能单元，而由神经元和胶质细胞组成的高度精密和错综复杂的神经网络是脑功能的结构基础。今后对神经元结构和功能调节方式多样性的分子机制的探讨，以及如何通过药物或基因工程的方法实现对这些基本过程的人为调控将是研究的热点。
神经环路的建立及其与行为之间的相互关系，把人们对大脑的认识推向了更高的层次。人们已经在突触和神经网络的可塑性方面取得长足的进步，初步建立了神经网络与个体行为，如感觉运动、学习记忆和趋利抉择等之间的联系。同时仿真神经网络和人工神经网络研究也取得重要进展，初步实现了神经信号从生命体到集成电路芯片之间的跨越。
神经元及其网络的发育和（或）功能的异常将导致神经精神疾病的发生。近年来，精神疾病的遗传学研究取得了明显进展，多个致病基因（如与帕金森病相关的PINK1， LRRK2）和易感基因相继被发现，氧化应激、星形胶质细胞、小胶质细胞、蛋白质异常修饰和折叠等等在老年性痴呆(AD)、帕金森病(PD)、舞蹈病(HD)、肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)等神经退行性疾病发生和发展过程中的作用得到进一步明确，人们据此提出了相应的神经保护方法。利用影像学方法，通过显示β淀粉样蛋白在脑中沉积，AD的影像学诊断的建立已向前迈出了可喜的一步。 如何利用类似的方法或其他方法（如生化检测），实现对PD、HD、ALS等其他神经退行性疾病的早期诊断将是未来研究的重要方向之一。
认知科学的研究旨在理解人的认知活动的本质。近年来，认知科学的研究手段展现出理论和实验相结合、多种手段并用的态势。利用电生理和心理物理的实验数据逐渐形成了知觉加工理论，“未来脑”的理论研究说明了理论和实验结合的重要性。功能性核磁共振成像（fMRI）、计算机科学中的虚拟现实技术的应用，证实了多种手段相结合的重要性。
认知控制的神经机制研究主要围绕着冲突监测假设和冲突调节假设展开。在社会认知的研究方面，近年来对大脑内侧额叶皮质区(MFC)及其功能进行了较为系统的研究和总结。此外，高分辨率fMRI及其应用，神经活动源的探测，ChR2和NpHR基因在控制脑细胞活性的应用，以及人造神经运动装置等技术的发展，为神经科学和认知科学研究的深入发展提供了新的工具。
我国科学家在神经科学和认知科学的研究上取得了不少进展，特别是在神经环路的调控、环境信号的分子作用机制等方面的研究上有了突破。如中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所郭爱克研究组以果蝇作为研究两难抉择的模式动物，发现多巴胺和蘑菇体环路调控机制，为理解脑的这一智能抉择行为提供了更为简约的生物模型并揭示了新的抉择方式；北京生命科学研究所罗敏敏研究组首次证明二氧化碳可以被哺乳动物的嗅觉系统灵敏地检测到。这两项研究成果都在《科学》上发表。
探究神经系统整合多种信号的机制，建立与AD、PD等神经疾病相关的中国人临床标本库，寻找和识别神经系统新基因等，已成为我国近年来神经科学研究的主要方向，而优先发展感知觉、学习和汉字认知的研究，注重社会认知神经科学的研究，充分运用功能磁共振成像技术等现代研究手段，则成为认知科学研究的重要趋势。
四、植物学的国内外研究现状与进展
植物学是生物学的重要分支学科之一。近年来由于新理论的引入、新技术的应用，植物激素、植物胁迫、植物发育生物学等领域的研究取得了重要进展。
植物激素的研究涉及到植物生物学的各个领域，研究内容包括激素的化学本质、生理功能，生物合成途径及其调控，信号转导途径及其调控，激素在植物生长发育和植物响应环境胁迫中的调节作用等。植物激素研究一直是植物学的热点，也是最活跃的领域之一。
植物在生长发育过程中经常遭受生物胁迫和非生物胁迫的危害，病害、干旱、盐碱、极端温度等胁迫造成了许多重要粮食作物大量减产。营固着方式的植物主要通过调整自身来适应环境，在长期的进化过程中获得了一系列特有的对应环境变化的生理生化机制，如转录因子、脱落酸和水杨酸等激素以及Ca2+等在胁迫条件下的变化。对植物适应或抵抗胁迫的研究，不仅可以解释植物适应逆境的机制，而且可获得各种抗逆基因，用于作物的抗逆育种。因此，对植物逆境胁迫适应机制的研究也一直是植物学领域的研究热点之一。
植物发育生物学是研究植物个体发育规律及其调控机制的学科。利用现代生物学技术方法，植物发育生物学研究近年来进展迅速。各国科学家已分离了一系列植物发育如根发育、叶的形成以及花发育等相关的基因，并在细胞和分子水平上对其表达调控的规律及其生物学功能进行了较深入的分析。对发育过程中的基因表达模式及其调控机制的研究，尤其是从分子、细胞、器官到整体不同层次上开展研究工作，已成为植物发育生物学研究的重要发展趋势。
科学的发展离不开技术的进步，各种新技术、新方法的不断引入是推动植物学不断发展的重要因素之一。在植物学研究的技术中，转基因技术是非常重要的，它为植物育种提供了新的方法。拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)等植物基因组测序工作完成后，人们已经开始利用各种“组学”（-omics）研究技术开展植物学领域的研究，这些技术的应用为全面了解植物发育过程、生理功能等提供了可能。
近几年，我国科学家在植物学研究方面也取得了一定的进展，尤其在植物胁迫、激素脱落酸（Abscisic acid，ABA）信号转导等方面取得了重大突破。如中国农业大学武维华研究组在《细胞》上发表了钾离子通道AKT1 活性调节新模型；张大鹏研究组在Nature上发表了关于ABA新受体——镁螯合酶的H亚基（ABAR）的论文，该受体在气孔运动、种子萌发和幼苗发育过程中起调节作用；2007年，北京生命科学研究所马力耕研究组又在Science上发表了关于细胞膜上ABA受体的论文。马力耕的研究发现了一种G蛋白耦联受体是ABA的受体，该受体通过与异三聚体G蛋白α亚基直接相互作用传递ABA信号并调控ABA的许多反应。
五、系统生物学及相关学科的发展及前景展望
1990年启动的人类基因组计划（Human Genome Project）把研究目标锁定在测定人类遗传信息载体DNA的所有核苷酸顺序，从而破译人类全部遗传信息。在人类基因组计划实施的同时，生物科学界出现了一系列“组学”。它们是基因组学（Genomics）、蛋白质组学（Proteomics）、转录组学（transcriptomics）以及“代谢组学”（metabolomics）等等。
随着“组学”的兴起和各种高通量生物学研究技术的快速发展，生物学数据量以指数级数的速度迅猛增长。如何管理这些“海量”数据，以及如何从它们中提取有用的知识已成为对当前生物学家、数学家、计算机专家等的巨大挑战。研究者也不再满足于对个别基因和蛋白质的结构与功能进行研究，而希望能够对细胞和神经等复杂系统和网络的行为进行全面的认识。这些新的研究需求导致了生物信息学(Bioinformatics)、计算生物学(Computational Biology)的诞生。
人类基因组计划完成后，生命科学步入了后基因组时代。要真正揭开生命的奥秘，需要从复杂系统的角度来开展生物科学的研究。因此，产生了一门建立在经典实验生物学、生物大科学和计算生物学等基础上的交叉科学——系统生物学（Systems Biology）。
系统生物学是世纪之交生命科学领域的新兴学科。1999年，世界上第一个系统生物学研究所（Institute for Systems Biology）成立于美国的西雅图。我国第一个系统生物学研究所成立于2003年，由中国科学院上海生命科学研究院和上海交通大学合作组建。2005年，上海系统生物医学中心在上海交通大学成立；中科院上海生命科学研究院与中国科学技术大学合作组建了国内第一个系统生物学系。此外，2006年，清华大学蒙民伟医学系统生物学研究所、上海大学系统生物技术研究所、上海系统科学研究院系统生物学研究中心等研究机构陆续成立。2007年，中国科学院系统生物学重点实验室在中科院上海生命科学研究院成立。
在系统生物学研究方面，国家科技部2004年启动了国家重点基础研究发展计划（973）项目“多基因复杂性状疾病的系统生物学研究”；并在2006年启动了国家重大科学研究计划项目“模式生物与细胞等功能系统的系统生物学研究”。这些研究机构的成立以及计划的实施，为我国开展系统生物学研究打下了良好的基础，也将推动系统生物学的进一步发展和完善。
“组学”未来的一个重要工作是把规模化研究思路和定量化方法进行结合，对生命活动的分子机制进行整体的、动态的描述；此外，生命系统各种分子之间不是独立作用，在各个“组”之间存在着广泛的相互作用和相互调控，构成生命活动的复杂网络和动态平衡。系统生物学将集成组学研究获得的信息，采用生物信息学和计算生物学的方法，最终阐明生命复杂系统运作及其调控模式。因此，系统生物学使生物科学研究开始迈出了从纯粹实验科学向理论科学的转变、从定性科学向定量科学转变的关键一步，不仅带来生物科学研究的重大变革，也将对农业、环境以及医药等其他相关领域的发展产生重要影响。
Biological Sciences
The 21st century, predicted by many researchers in the scientific field as a century of life sciences, has already witnessed a large number of breath-taking breakthroughs in the fertile research ground of biological sciences. As part of the collective efforts by the Chinese Association of Science & Technology (CAST) to produce up-to-date progress reports for major scientific disciplines, it is presented here the 2007-2008 progress report on biological sciences.
It became obvious from the beginning of this project that it will be impossible to exhaustively cover all the noticeable landscapes of biological sciences due to the extremely broad scope of the field. Instead, this report is focused on some of the topics representing the most exciting growth points in today’s biology. While each of the subject report is dedicated to the discussion of a specific topical area, such as stem cell biology, the integrative report aims at providing a general perspective for the various selected sub-disciplines of biological sciences touched in this volume. Four major sub-disciplines are covered in this report, namely, cell and molecular biology, neuroscience and cognitive science, plant biology, and systems biology. These sub-discipline classifications are mainly meant to provide a conceptual framework for discussions, as crossing and merging of sub-disciplines are common, leading to the “blur out” of classical discipline borderlines.
The section of cell and molecular biology contains six sub-sections covering these distinct areas: stem cell research, the function of small RNAs, epigenetics and epigenomics, molecular/cellular basis of innate immunity, cancer biology, and finally, protein modification and degradation. Stem cell research has been and remains one of the fastest-moving fields in biology. The classical research areas in embryonic and adult stem cells continue to make steady progress, for example, in understanding the molecular basis of ES cell pluripotency and the epigenetic changes associated with cell differentiation.
Nevertheless, the most exciting development clearly belongs to recent breakthroughs in successfully reprogramming differentiated mouse and human cells into ES-like stem cells (iPS cells, for induced pluripotent stem cells) via the introduction of a few selected transcription factors; and the successful derivation of iPS cells opens up new avenues for both basic research and regenerative medicine. The discovery of the small RNAs (siRNAs, miRNAs, and recently, piRNAs) has dramatically changed our views on regulation of gene expression and made significant impact on the research of numerous related biological processes, such as development, differentiation and tumourigenesis; and the ability to knockdown the expression of specific genes by RNAi has also transformed our daily research activities. Currently extensive efforts are dedicated to elucidating the molecular mechanisms by which the various classes of small RNAs act in vivo, understanding how their actions are integrated into the biology of the cell and of the organism, and developing potential RNAi-based therapeutics for treating human diseases. Aside from stem cells and RNAi, another “just-as-hot” area is epigenetics / epigenomics; and interestingly, these three frontier areas also intersect with each other as epigenetic regulation clearly plays critical roles in stem cell biology, while RNAi-mediated mechanisms are known to regulate epigenetic modifications. The sub-section on epigenetics and epigenomics discusses following topics briefly, such as X-inactivation, DNA methylation, histone modifications, and the human epigenome project.
The next two sub-sections, on innate immunity and cancer biology, represent topics that are more directly related to human health/diseases. The study of innate immunity has been a major growth point in immunology in recent years. This sub-section presents an overview on host-pathogen interactions, and summarizes mechanisms used by host cells to detect the invading pathogens as well as strategies employed by the pathogens to evade host defense and immune responses. In cancer biology, the study of tumor suppressors, cancer susceptibility genes, and metastasis remains major points of interest. The cancer genomics approach has led to the identification of many previously unknown mutations (and other genetic changes) associated with cancer, and will continue to reveal novel mechanistic insights of tumourigenesis and provide clues for new therapeutic targets. Tumor stem cells have been identified for a number of cancers, and the research on these cells holds the promise of getting to the root of the fundamental issues in cancer biology, such as tumor formation, metastasis, and drug resistance. Finally, the cell and molecular biology section closes with a discussion on protein modification and degradation. Protein modification plays a fundamental role in generating functional diversity, regulating cellular signaling, and conferring the complexity of life. While protein phosphorylation has been extensively studied, some of the other common modifications, such as ubiquitylation, sumoylation, methylation, and acetylation, are of major recent interest and therefore are discussed in the report.
The next section of the integrative report deals with neuroscience and cognitive science. In neuroscience, the study of basic biology of neurons and neuronal networks continues to yield fundamental insights on the cellular and molecular basis of plasticity, learning and memory. The research on neurodegenerative diseases and mental disorders not only directly pertains to human health, but also serves as a unique opportunity to gain better understanding of the neuronal system. Identification of susceptibility genes associated with disorders, such as schizophrenia and bipolar disorder, provides the groundwork for the future investigation of pathogenesis mechanisms. For neurodegenerative diseases, such as AD and PD, an important progress has been made in studying disease genes, and in understanding their molecular pathogenesis where abnormal protein modifications/folding/degradation seems to play a key role in mediating neuronal death. Cognitive science aims to understand the nature of human mind. With the rapid advances in research technology, especially various imaging techniques, significant insights have been gained in areas ranging from fundamental cognitive processes, such as perception, attention, and consciousness, to mechanisms of cognitive control and neural basis of complex functions, such as emotions and social decisions.
Plants provide the material basis essential for sustaining higher life on earth. Plant hormones and their signaling pathways remain an area of extensive research, which is integrated into the study of numerous physiological processes regulated by these hormones, such as plant development and plant stress responses. The study on plant development continues to focus on key genes and signaling pathways related to specific developmental processes, such as root development, leaf formation, and flowering. Due to their immotile life style, plants constantly face stresses from both biotic and abiotic sources, and have evolved complex stress response mechanisms to cope with stress conditions. The roles of various transcription factors in plant stress responses, as well as the actions of hormones, such as ABA and SA and of the second messenger Ca2+, are discussed. The last part of the plant biology section provides an overview of recent research technology advances in this field, including transgenic techniques and “-omics” approaches in plants, such as proteomics and metabolomics.
The integrative report closes with a final section on systems biology, a still developing new field in biological sciences. Completion of the human genome project marks the new “post-genome” era of life sciences. The development of genomics, transcriptomics, proteomics, and metabolomics has provided opportunities for obtaining and analyzing the biological information at an unprecedented scale. Systems biology aims to synthesize the information gained from “-omics” approaches with that from classical cell and molecular biology, to provide a new, system-level of insight for various biological systems/processes studied. In order to achieve this goal, the approaches involving bioinformatics and computational biology have to be actively integrated into systems biology research. While collectively the emerging multi-disciplinary field of systems biology appears overwhelmingly complex, an ultimate challenge is how to eventually “simplify” the problems to enable accurate predictions on the dynamic behaviors of a biological system based on certain specific inputs or perturbations. To be able to do so for complex systems will not only be a revolution in biology, but also have enormous impacts on related fields, such as agricultural, environmental, and medical sciences.
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