沈允钢

沈允钢

沈允钢(1927.12.2-),浙江杭州人,植物生理学家。

1951年毕业于浙江大学农业化学系,1953年加入九三学社,1980年当选为中国科学院院士(学部委员)。

沈允钢主要从事光合作用机理和生理研究,包括光合电子传递、光合磷酸化及激发能在两种光系统间的分配与类囊体动态变化的关系;光合产物的合成、转化、输出和贮存;光合作用和作物产量形成及植物生物量累积与环境及植物生命活动的关系、光合机构运转与调控等。


人物经历

中华民国十六年(1927年)十二月二日,沈允钢出生于浙江省杭州市一个商人家庭。父亲朱金荪入赘沈家,从事商业活动,母亲沈雪吟,操持家务,生有二子,沈允钢是长子。沈允钢幼年在杭州长大,日寇侵华,杭州形势紧张,他随家人去杭州乡村和临安避难。之后在上海私立文化小学、肇光中学、工部局立华童公学继续求学。

中华民国二十三年(1934年)三月,入浙江杭州湖墅私塾读书,一年半后转入浙江杭州德胜桥小学。

中华民国二十六年(1937年)十一月,随家人去杭州乡村和临安避难,后进入上海租界居住。

中华民国二十七年(1938年)九月,在上海私立文化小学读五年级上至毕业。

中华民国二十九年(1940年)九月,进上海私立肇光中学上初中,5个月后转入上海工部局办的华童公学读书。

沈允钢

中华民国三十一年(1942年)三月,因上海租界也被占领,回杭州居住。辍学半年后,在浙江杭州伪省立杭州中学就读至高一。抗战胜利后,

中华民国三十四年(1945年)十月,入浙江杭州私立安定中学读高二上。

中华民国三十五年(1946年)二月,转入浙江省立杭州高级中学就读高二下至毕业。

中华民国三十六年(1947年)九月,考入浙江大学农业化学系。

1951年7月,毕业于浙江大学农业化学系。同年8月,沈允钢被分配到中国科学院上海实验生物研究所植物生理研究室工作,任研究实习员。进所后的第一项工作是参加著名植物生理学家罗宗洛带领的防风林调查,赴苏北开展调研活动,学习室外工作经验。

1953年2月,植物生理研究室独立成中国科学院上海植物生理研究所,沈允钢在其生化组任研究实习员,师从著名植物生理学家殷宏章,研究植物碳水化合物代谢。

1954年,他在殷宏章指导下开始探讨稻麦籽粒发育过程中淀粉合成及分解酶活力变化与生理过程的联系。

1956年,沈允钢等对水稻开花后物质的累积和运转的规律进行研究,发现开花后的光合作用对产量的形成有重大影响。

1956年10月至12月,由所里派至苏联科学院生物物理研究所参加放射线同位素在生物科学中示踪应用技术培训班。

1958年,沈允钢进一步证明籽粒在成熟过程中的确有麦芽糖产生,在盾状体中存在一种麦芽糖激酶,将麦芽糖直接磷酸化,然后再转变成蔗糖。这个发现受到了国内外同行的重视。

1959年,沈允钢参与了殷宏章开展的群体光能利用的研究。

1960年,越级晋升为研究员。

1961年,沈允钢等对植物叶片光合作用产物输出的动态进行了研究,发现光合作用产物输出的速度在一定范围内与其待输出产物的浓度成正比;光合作用产物的流动与体内利用、贮藏过程有密切关系。

1962年,沈允钢和同行合作发现了光合磷酸化中间高能态的存在,比美国科学家Jagendorf等人早发现一年。这一发现及后续的研究,为Mitchell1961年提出的化学渗透假说提供了直接证据,因此Mitchell也于1978年获nobel奖。

1963年,沈允钢观察到中间高能态有不同存在状态,在国际上首次提出了质子区域化理论,并在以后的工作中又获得了不少支持证据。

1974年11月,应邀担任中国赴美国光合作用研究考察团团长,进行了1个月的考察,对美国光合作用研究增添了感性认识,并结识了国际上一些正在大力研究光合作用的科学家。

1978年,沈允钢和同行又创造了田间取样气流法。

1980年,当选为中国科学院院士 (学部委员)。

1982年9月,按中国科学院与日本学术振兴会协议,赴日本讲学及考察光合作用研究1个多月。

1983年,参加在比利时召开的第6届国际光合作用大会时,英国科学家Hall教授邀请沈允钢参加联合国环境规划署热带亚热带草地生态系统生物生产力和光合作用科研项目(1985年-1991年),负责中国区域中心工作。

1994年10月-12月,按中国科学院与澳大利亚CSIRO协议,去澳大利亚植物产业研究所Anderson实验室合作研究3个月,共同发表论文1篇。

2006年11月25日,“恭贺沈允钢先生八十华诞暨光合实验室2006年学术研讨会”在绍兴举行,以学术交流和年会研讨的形式庆祝沈允钢院士的生日,光合作用研究开放实验室全体科研人员和研究生参加会议。

主要成就

科研成就

植物体内碳水化合物代谢

1954年,开始探讨稻麦籽粒发育过程中淀粉合成及分解酶活力变化与生理过程的联系。他观察到稻麦籽粒成熟过程中,淀粉大量积累时,淀粉分解酶的活力仍相当大,因此进一步追究β-淀粉酶及其产物麦芽糖的生理功能。他与合作者在实验中证明,β-淀粉酶可通过迅速分解引子淀粉而影响磷酸化酶合成淀粉的能力,从而否定了外国文献中认为β-淀粉酶对磷酸化酶有直接抑制作用的说法。1958年,他对淀粉酶的作用产物——麦芽糖在水稻、小麦等籽粒中的转变作过较深入的研究,观察到它仅在籽粒发芽时的胚乳中大量存在,在其它时期或植株的其它部位则几乎观测不到;并进一步证明籽粒在成熟过程中的确有麦芽糖产生,,但迅速被转化;在盾状体中存在一种麦芽糖激酶,将麦芽糖直接磷酸化,然后再转变成蔗糖。

1956年,沈允钢等对水稻开花后物质的累积和运转的规律进行研究,发现开花后的光合作用对产量的形成有重大影响,籽粒2/3以上的干物质是靠这时期的光合作用新制造出来的,其余是从茎秆原存物转化而来;证明籽粒乳熟期是累积物质和代谢水平最旺盛时期,此时光合产物常供应紧张,不够灌浆之需。过了这阶段,即使光合产物供应有富余,也不能全用于形成籽粒中的物质了。在此工作基础上,1958年他运用同位素14C测定技术,探明了水稻乳熟期各叶片间光合作用产物没有什么运转,而无效分蘖的光合作用产物可部分转到有效分蘖上。1961年,沈允钢等对植物叶片光合作用产物输出的动态进行了研究,发现光合作用产物输出的速度在一定范围内与其待输出产物的浓度成正比,光合作用产物的流动与体内利用、贮藏过程有密切关系;并指出叶片光合作用产物输出的特性大体可分为两类,一类是在进行光合作用时产物大量输出,叶片以积累蔗糖为主(如水稻和小麦);另一类是在进行光合作用时产物很少输出,叶片以积累淀粉为主(如棉花和大豆)。他们还研究了光合作用产物积累与光合作用的关系,对农业生产实践有参考意义。

光合磷酸化研究

20世纪50年代末,沈允钢在殷宏章先生的领导下,着手探讨光合作用机理研究,着重进行光合磷酸化的机理研究。1961年,他与合作者完成了光合磷酸化量子需要量的测定,结果表明在光合电子传递还原一个辅酶II等电子受体的同时无论合成一个腺三磷与否都需要利用4-6个光量子,这证实腺三磷合成和光合电子传递是偶联在一起的。这一结果被殷宏章先生带到1961年在莫斯科召开的第五届国际生化学会议的光合作用专题组中发表,得到了与会代表的认可。沈允钢等在测定光合磷酸化量子需要量时观察到特殊的“光强效应”,即当照光的强度低于一定程度时,光合磷酸化的效率显著降低,在光强增加到一定程度以上,此种情况逐渐消失,1962年,沈允钢等对此现象作了进一步探讨。实验证明,经预先照光的叶绿体在暗中具有能使ADP和Pi合成ATP的能力,从而在世界上首先发现了光合磷酸化过程中存在着高能中间态,比美国科学家Jagendorf等早发表一年,这一发现引起了国际同行的重视,在文献中被多次引用。Jagendorf等的后续研究证明这种高能中间态就是Mitchell提出的化学渗透假说中的跨膜质子梯度,为化学渗透假说提供了最早的直接证据,该学说于1978年获诺贝尔化学奖。沈允钢等的光合磷酸化高能态的发现,使光合磷酸化机理研究迈进了大大一步,受到了国际科学界的高度评价。1977年,联邦德国出版的《植物生理百科全书》引述中国首先发现高能中间态,1972年日本《蛋白质,核酸,酵素》杂志刊载论述沈允钢等高能中间态的论文,并说这篇论文是60年代光合磷酸化研究的两篇最重要论文之一。此后,对光合磷酸化的进一步研究观察到不少有意义的现象。这些研究结果具有重要的理论价值,被授予1979年中国科学院科技成果奖二等奖和1982年国家自然科学奖二等奖。

质子区域化研究

1963年,沈允钢等的试验证明,使用低浓度NH4Cl解耦联剂减少跨膜氢离子浓度差后,反而可促进ATP形成,这个现象很难简单地用Mitchell的化学渗透学说来解释,由此推测中间高能态有多种存在状态,这是在国际上很早地表明质子有区域化现象的初步线索,为提出质子区域化假说提供了证据。1982年,沈允钢和学生的研究证明毫秒级延迟发光的快相除与文献中提到的膜电位有关外,还受质子浓度差的影响,而且这一质子浓度差主要是水氧化时释放的质子引起的,这也有力的支持了质子有区域化的看法。1993年,他指导学生的研究表明,不同pH介质中,光引起的类囊体收缩机理是不完全相同的,这一结果有助于澄清国际上的争论。1996年,沈允钢院士和学生观察到,低温条件(0-1℃)有利于水氧化所释放的质子在类囊体膜上形成区域化,温度升高使水氧化产生的区域化质子易向非区域化质子转变,25℃ 时就难以观察到水氧化所释放的质子区域化现象。1998年的实验表明,在接近体内生理状态的等渗条件下质子更趋向区域化等。

光合机构运转与调节研究

早在1961年就发现,非循环光合磷酸化中合成ATP和NADPH的比值并不象国外文献中所说的偶联完全时其比值为1。他在测定光合磷酸化量子需要量时获得大多数是略大于1,以后国外不少实验室也得到超过1的结果,从而改变了原来的结论。有人列表统计此比值大于1的文献记录时,将中国的实验数据列为最早出现的。沈允钢等接着对这问题进行了较系统的研究,发现这和光合机构当时的生理状态和所处的环境有密切关系,在生理状态良好时此比值可大于1;但遇到不合适的条件时常会发生高能态无谓损耗,使得光合磷酸化与电子传递的偶联程度不完全,而使此比值小于1。这个发现表明光合磷酸化常是光合能量转换的限制步骤,在适当时期提高光合磷酸化常可改善光合作用和获得增产效果,这对农业生产实践有参考意义。沈允钢等发现了一系列能够改善光合磷酸化与电子传递的偶联效率的物质(如金霉素、多粘菌素B和多元酸等),并证明它们是通过影响ATP合酶的亚基(膜上催化磷酸化反应的蛋白复合体),使之较少能量耗散而提高光合磷酸化能力,从而促进光合作用。此外,他们还发现低浓度亚硫酸盐处理叶绿体或叶片,常可促进循环光合磷酸化而增加ATP的供应和提高光合作用。这些试验表明,植物光合作用进行时,常常受到ATP供应不足的限制,并可通过一些措施使之改善。

光合效率研究

早在1956年开始研究光合作用产物的积累、转化与运输时,沈允钢就着眼于提高光合效率的问题。1975年,他和同事们开展了覆盖栽培下的施用CO2的研究,因为覆盖条件下,增加CO2浓度是提高作物光合作用效率的有效途径之一。改革开放后,他和学生对植物叶片光合作用“午睡”现象作了探讨。实验结果表明,叶片在中午光合作用降低的原因,在很多情况下与中午前后空气湿度较低和温度较高所导致的大气饱和差的增大有关,为“午睡”现象的分析提供了较系统的证据。与此同时,他们用在中午采取喷雾处理提高空气湿度的办法对灌浆期小麦进行了试验,获得明显的增产效果,寻找出减轻光合作用“午睡”现象、提高光合作用效率的途径。沈允钢等还对C3和C4植物光合效率的日变化作了系统研究,发现多种田间C3 植物在晴天的光合效率有明显的日变化,中午前后光合效率降低,其原因是由光抑制所致;而C4植物在晴天光合效率的日变化明显地不同于许多C3植物,即中午光合效率非但不降低.而是略有提高,这种提高依赖结构的改变而不是光化学效率的改善。

1963年,建立了补偿式光合作用测定法,利用pH指示剂反映二氧化碳浓度的变化,来推算光合作用强度。1967年,改进了光合作用干重测定法,即采取措施将叶片与植株相连之处的木质部保留而将输出光合产物的韧皮部破坏,使叶片仍能在原来生长部位得到水分和矿质元素供应,进行光合作用,但光合产物不再输出,这样就克服了过去的干重法中因光合产物输出而引起测定误差的缺陷。1978年又创造了田间取样气流法,把在自然条件下测定光合作用的气体样品用装置储存起来,带回室内用仪器分析,增加了测定的灵活性。

主要论著

1:沈允钢、沈巩楙、殷宏章,成熟期及发芽期籽粒中麦芽糖的转化,生化学报,1958,1(4) :261~270。

2:沈允钢、殷宏章、沈巩楙,水稻开花前后光合作用产物的转变与分配,科学通报,1959, 12:398。

3:沈允钢,沈巩楙,植物叶片光合产物输出动态的研究,实验生物学报,1962,8(1):45~ 53。

4:YKShen,GMShen,The “LightIntensity Effect” and Intermediate Steps of Photophosphorylation,Scientia Sinica,1962,8:1087~1106.

5:沈允钢、李有则、沈巩楙等,关于光下积聚高能中间产物性质的探讨,生物化学与生物物 理学报,1963,3(3):278~292。

6:YKShen,YCHung,The Development of Photophosphorylation Activity in Eliolated Wheat Seedings during Greening,Scientia Sinica,1964,13(10):1164 ~1174.

7:沈允钢、王天铎,光合作用——从机理到农业,上海科学技术出版社,1978。

8:YKShen,CHXu,JMWei,et al,The Dynamics of Millisecond Delayed Light Emisson and Its Relation with Photophosphorylation,Advances in Photosynthesis Research (ed.by Sybesma),Junk Publishers,1984:383~386.

9:YKShen,The Physiological Approach to the Mechanism of Photophosphorylation,PhysiolVeg,1985,23:725~729.

10:YKShen,Coupling Efficiency and Its Regulation,Beijing Symposium on Bioenergetics and Biomembrames,(edby Heischer),King and Papa,Vanderbilt University Printing services,1987:341~357.

11:YKShen,HPDai,JMWei,YQQian,The Relationship between the Function of the Couping Factor and Its Combination with the Thylakoid, Progress in Photosynthesis Research (edby Biggins),Martinus Nijhoff Pubishers,1987:103~107.

12:YKShen,Coupling Problems of Photophosphorylation,Current Biochemical Research in China (edby CLZhou),Academic Press Inc,1989:137~147.

13:YKShen,Regulation of Photosynthetic Apparatus under Various Environments,Proceedings of International Symposium(Edby Polish Biophysical Society),1989:80~84.

14:YKShen,Some Factors Limiting Photosynthesis in Nature,Carrent Research in Photosynthesis (edby MBaltscheffsky),Kluwer Academic Publishers,1990:843~850.

15:YKShen,JYYe,Relationship between Dynamics of Thylakoid Membrane and Energy Transduction,Acta Phytophysiologica Sinica,1991,17(1):112~115.

16:沈允钢、叶济宇,类囊体膜动态变化与能量转换的关系,植物生理学报,1991,17(1): 109~112。

17:黄卓辉、钱月琴、沈允钢,6卞氨基嘌呤对叶绿体耦联因子功能的影响,植物生理学报 ,1991,17(1):15~19。

18:YKShen,ZHHuang,DYLi,YZhang,Photophosphorylation in Photosynthesis,Research in Photosynthesis(Morata Med)Ⅱ,781~789.

19:张树源、沈允钢等,青海高原主要C3植物的光合作用,植物学报,1992,34(3):176~ 184。

20:许大全、沈允钢等,C4植物玉米叶片光合效率的日变化,植物生理学报,1993,19(1): 43~48。

21:YKShen,Dynamic Approaches to the Mechanism of Photosynthesis, Photosynthesis Research,1994,39:1~13.

22:李德耀、沈允钢,质子动力势各组成部分与光合作用的关系,科学通报,1994,39(18) :1712~1715。

23:郭连旺、沈允钢等,田间棉花叶片光合作用效率中午降低的原因,植物生理学报,1994, 20(4):360~366。

24:王祝华、沈允钢等,芦苇(Phragmites Communis Trin)生物生产力及其对大气CO2加 浓的响应,生态学报,1994,14(4):398~401。

25:王建、沈允钢等,光系统Ⅱ电子受体pBQ及DMBQ的耗氧的动态变化,生物化学与生物物 理学报,1995,27(5):499~508。

26:叶济宇、魏家绵、沈允钢等,低渗膨胀对菠菜完整叶绿体光合作用的影响,植物生理学报 ,1995,21(1):73~79。

27:王振国、魏家绵、沈允钢等,叶绿体atpB及atpE基因在大肠杆菌中的表达,植物生理学报 ,1995,21(3)265~272。

28:王振国、沈允钢等,玉米叶绿体atpB基因表达产物的特性及其抗体对CF1功能的影响,植 物生理学报,1995,21(3):229~234。

29:郭连旺、许大全、沈允钢,棉花叶片光合作用的光抑制和光呼吸的关系,科学通报,1995 ,40(20):1884~1888。

30:贺东祥、沈允钢等,几种常绿植物光合特性的季节变化,植物生理学报,1995,21(1): 1~7。

31:张荣铣、张玉忠、沈允钢,不同小麦种光合作用对光、温、CO2及水分胁迫的反应,作物 学报,1995,21(2):161~164。

32:史瑾、魏家绵、沈允钢,玉米叶绿体耦联因子ε亚基基因在Ecoli中的表达,生物化学 与生物物理学报,1996,28(1):1~7。

33:史瑾、魏家绵、沈允钢,叶绿体atpE亚基因表达产物的生化特性,植物生理学报,1996, 22(3):225~230。

34:任汇淼、魏家绵、沈允钢,不同温度下叶绿体毫秒延迟发光和质子区域化的关系,植物生 理学报,1996,22(3):296~302。

35:张华敏、刘愚、王美琪、沈允钢,叶绿体中的细胞分裂素结合蛋白的特性,植物生理学报 ,1996,22(1):27~32。

36:郭连旺、许大全、沈允钢,田间小麦叶片光合作用的光抑制不伴随DI蛋白的净降解,植物 学报,1996,38(3):196~202。

37:谭新星、许大全、沈允钢,小麦叶片的状态转换涉及PSII向PSI激发能满溢的变化,植物 生理学报,1997,23(1):9~14。

38:谭新星、许大全、沈允钢,小麦叶片的状态转换和光合作用的光抑制的关系,科学通报, 1997,42(20):2208~2211。

39:叶济宇、米华玲、王颖君、沈允钢,菠菜类囊体中的作用光关闭后荧光短时上升,科学通 报,1997,42(17):1867~1870。

40:叶济宇、王颖君、李德耀、沈允钢,高浓度CO2诱导的小麦叶片毫秒延迟发光的振荡,植 物生理学报,1997,23(2):187~191。

41:叶济宇、米华玲、王颖君、李德耀、沈允钢,质醌参与脓青素催化的PSI循环电子传递, 生物化学与物理学报,1997,29(6):579~584。

42:李荣、徐春和、沈允钢等,TCA法去除放氧外周蛋白对PSII放氧侧的影响,科学学报, 1997,42(1):89~92。

43:武海、许大全、沈允钢等,珊瑚树叶绿素荧光非光化学猝灭的日变化和季节变化,植物生 理学报,1997,23(2):145~150。

44:侯彩霞、於新建、李荣、徐春和、汤章城、沈允钢,甜菜碱稳定PSⅡ放氧中心外周多肽机 理,中国科学,1998,28(4):354~361。

45:史瑾、魏家绵、沈允钢,玉米叶绿体ATP合酶ε亚基的定点突变,生物化学与生物物理学 报,1998,30(5):483~487。

46:Yunkang Shen,Jiamian Wei,The Discovery of Photophosphorylation, Discoveries in Plant Biology,1998 Ⅱ:105~114.

47:YKShen,XBShi,DYLi,HMRen,JMWei,JYYe,Energy Transduction in Leaves Studied by Millisecond Delayed Light Enission, Photosynthesis:Mechanisms and Effects,(Garab ed)1998,Ⅲ:1755~1758.

48:Jiamian Wei,Jin Shi,Ying Gu,Yingzhen Yan,Yunkang Shen,The Comparison of the Stucture and Function of the ε Subunit of CF1 from Different Plant Chloroplasts,Photosynthesis:Mechanisms and Effects,1998,(Garab ed.) Ⅲ:1661 ~1666.

49: 石晓冰、史瑾、沈允钢,突变的叶绿体ATP合酶ε亚基对菠菜叶绿体毫秒延迟发光的影响 ,植物生理学报,1998,25(3):244~248。

50:Daquan Xu and Yunkang Shen,Light Stress:Photoinhibition of Phototsynthesis in Plant under Natural Conditions,M Pessarakli(ed.),Handbook of Plant and Crop Stress,New York:Marcel Dekker,1999.

人才培养

1978年中国科学院开始可招收培养研究生。沈允钢就开始培养研究生,共培养了30多名硕士和博士,为国家培养和输送了优秀的人才。沈允钢继承殷宏章先生的人才培养方法,认为导师的作用在于激发学生的兴趣,引领学生进入研究之门,入门后则要靠自己去刻苦“修行”,导师在于“导”,对学生要善于启发,循循善诱,使之举一反三,触类旁通。

社会任职

沈允钢历任中国科学院上海植物生理研究所研究员、所长,中科院生物学部委员,全国政协委员,国际光合作用委员会委员和亚非国家执行主席,联合国环境规划署中国区域中心负责人等职。

历任中国科学院植物生理研究所光合作用室主任、植物生理研究所所长,中国植物生理学会副理事长、理事长、名誉理事长等职。他还曾任《中国科学》、《科学》等重要学术期刊的编委。

曾任中国科学院上海植物生理研究所光合作用研究室主任(1965年-1982年)、中国科学院上海植物生理研究所所长(1982年-1992年)。曾兼任中国植物生理学会副理事长、理事长和名誉理事长,国际光合作用委员会委员(1989年-1994年),联合国环境规划署《热带、亚热带草地生态系统生物生产力和光合作用》科研项目的中国区域中心负责人(1985年-1991年)和全国政协委员(1994年-2003年)等职。

获奖记录

所获奖项
?1998    何梁何利科学技术进步奖   (获奖)    ?1982    获国家自然科学奖二等奖   (获奖)    ?1979    中国科学院科技成果奖二等奖   高能态的发现及有关研究   (获奖)    

人物评价

沈允钢在多年的科研生涯中,形成了自己的治学观点和方法。勤于工作,勤于学习,是他科研上取得成就的成功之点。对专业知识和其他知识,他同样渴求觅取。他认为,一个科学工作者必须处理好专与博这对矛盾,博是为了专,专深必须求博,博是扩大成就的基础,因此博是科技工作者必须具备的业务素质。正是在这个思想的支配下,他在精通专业的基础上,开拓“求博”的道路。(九三学社评)

1962年,沈允钢等人在世界上首先发现了使光合磷酸化过程中存在着高能中间态,此项工作受到了国际科学界的高度评价。

沈允钢先生还在能量转化功能与膜结构的关系、光合机构的运转及其调控等方面开展了大量卓有成效的工作。无论是担任所领导期间,还是工作在科研第一线,沈允钢先生对研究所发展方向、青年人才培养等都倾注了大量心血,为国家培养了一批卓越人才,对研究所发展做出了重要贡献。他严谨的工作作风、创新的学术思想、正直的人格魅力和高尚的学风道德是年轻科技工作者学习的楷模,深受大家的尊重和爱戴。(中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所评)

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