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《科学家》杂志-【大家栏目】植物逆境生物学的领军者—朱健康

时间:2014/10/17

 

俗话说:“民以食为天。”

粮食问题自古至今都是整个人类所面临的首要难题。随着科学技术的进步,传统农业也在向现代化农业转型。在中国,大概在战国、秦汉之际便已逐渐形成了一套以精耕细作为特点的传统农业技术, 从最初的刀耕火种、铁犁牛耕,到今日向现代化农业迈进的机械耕作,农业的发展已经历了两千多年的历史。

 

中国农民长久以来都是靠天吃饭,“老天爷” 变变脸,农民可能就得颗粒无收。在以人力、畜力以及手工工具为主的传统农业结构下,人们一面祈求老天能慈眉善目,一面又在不懈地提高农业技术来抵御旱涝等自然灾害。

 

干旱一直是全球性的问题,世界上干旱与半干旱地区面积分别约占全球陆地面积的25%和30%, 而这些地区雨养农业面积却占世界耕地面积的1/3以上。同时,在湿润地区也常伴有季节性的或难以预测的干旱,这些都对世界农业生产构成巨大威胁。我国是世界上干旱与半干旱土地面积都很大的国家,干旱及半干旱地区土地面积约占全国土地面积的52.5%,占全国耕地面积的38%左右,据调查,每年大约有0.13亿公顷播种面积因受到干旱的危害而损失50亿千克—75亿千克粮食。在战国时期中国就发明了当时世界上最先进的垄作法来抵御干旱等自然灾害,包括汉代出现的代田法都是用于抗旱的传统农业技术。

时至今日,人类对抗干旱的方法早已不只是局限于耕种手段,而是已经深入到生物工程领域。早在1965 年,科学家便从棉花幼铃中分离出了一种能使外植体切除叶片后的叶柄脱落加速的物质结晶,称之为“脱落素Ⅱ”。同年,科学家还用色谱分析法从欧亚槭叶子里分离出一种抑制物质,能使生长中的幼苗和芽休眠,被命名为“休眠素”。科学家经过比较研究休眠素和脱落素Ⅱ的化学性质后,证明两者为同一物质,于是将二者统一命名为“脱落酸”。

 

脱落酸(ABA)是植物五大天然生长调节剂之一, 是能引起芽休眠、叶子脱落和抑制细胞生长等生理作用的植物激素。它可以提高植物的抗旱和耐盐力,对开发利用中低产田以及植树造林、绿化沙漠等有极高的价值。此外,ABA 还能引起叶片气孔的迅速关闭,可用于花的保鲜、调节花期、促进生根等,在花卉园艺上有较大的应用价值。对ABA 及其应答基因的研究可揭示植物抗逆生理反应的分子过程,从而为定向增强作物对环境的适应力奠定基础。

 

天然脱落酸(S-ABA)的提取十分困难,大约300 公斤的棉籽中才能提取9 毫克的天然脱落酸, 1 毫克的S-ABA 市价大约在200 美元左右,现阶段并不适用于广泛的农业生产。但由于其对农业发展有着极其重要的作用,世界各国都在争相研究廉价脱落酸的生产方法。

 

用成就铸造一流

2012年4月28日,上海市松江区辰山植物园内,一座现代化的植物逆境生物学研究中心正式揭牌。研究中心的带头人正是国际著名植物生物学家、植物抗逆分子生物学领军科学家、美国科学院院士、美国普渡大学生物化学系和园艺及园林系杰出教授、中国顶尖“千人计划”的入选者朱健康教授。

 

虽然研究中心成立仅仅两年多的时间,但朱健康教授的课题组就做出了令人瞩目的成就,AM1 小分子正是其中之一。“我们找到的这种小分子化合物, 能像植物本身产生的脱落酸一样,增强植物的抗旱能力,”朱健康教授介绍道,“AM1 具备跟脱落酸一样的活性,但是要比脱落酸便宜许多。脱落酸见光易分解,AM1 就相对稳定。”AM1 与ABA 的化学结构有一定相似性,并且在基因的表达模式上也有80% 以上的共性。实验结果表明,AM1 能够很好地发挥类似ABA的抗旱作用。“抗旱原理有两个方面: 一是使植物的气孔关闭,能够减少植物蒸腾作用时散失的水分,在干旱情况下,对植物喷洒AM1 能让植物气孔关闭,从而达到保水的作用;另一个是能够像脱落酸一样能使植物抗旱基因表达,这些基因在平时是不表达的,但喷洒了AM1 后就能让植物的抗旱基因在平时表达出来。”

当世界各国都在苦苦寻找如何制造廉价脱落酸的途径时,朱健康教授运用多年在植物生物学领域的造诣,在脱落酸的研发中另辟蹊径,回避了人工合成脱落酸的坚实壁垒, 将脱落酸的受体蛋白作为主要研究目标。2009 年, 朱健康教授和中科院上海药物研究所徐华强教授合作,成功解析了脱落酸受体蛋白的结构和信号传递途经,其相关成果被《科学》杂志评为当年年度十大科学发现之一。在此基础上,“借助于模式植物拟南芥的脱落酸受体蛋白,通过分子对接、虚拟筛选等方法,从人工合成的小分子化合物库中,成功筛选得到脱落酸受体的激动剂AM1”。

 

利用喷洒AM1 增助植物的抗旱能力,具有很好的灵活性,可根据植物所处环境和用途有针对性地进行喷洒,例如,花卉展览时喷洒可以保持花朵艳丽的色彩,北京奥运会期间上百万盆花卉就曾通过喷洒脱落酸而保持其活力。AM1技术成熟之后完全有能力替代脱落酸,并且能够节约许多成本,运用在农业生产中,也能充分地体现出中国建设现代化农业所倡导的高产、优质、低耗、高效的特点。

 

人类几千年来都在为解决粮食问题寻求突破,而“在世界人口迅速膨胀,环境持续恶化的今天,如果没有革命性的粮食问题解决办法,那么数十亿人口将在未来几十年面临食物短缺的问题。”朱健康教授在上海植物逆境生物研究中心建立之初,便将“提高农作物产量”和实现“农业可持续发展”作为研究中心的首要使命。在面对粮食问题这种世界性难题时,不仅需要重拳出击,更需要组合重拳。因此在AM1 研发的同时,朱健康教授的课题组还从植物基因工程中寻找着解决粮食问题的另一缝隙,再打出一记重拳。

植物基因组定点修饰技术——这是朱健康教授在植物逆境生物学研究中心两年来所专注的另一项重点技术。“以前要改变植物基因的话,都是在几万个基因中通过诱变等方法随机改变某个基因,单独要想改变某个特定基因而保持其它基因不变是很困难的,”朱健康教授介绍道,“现在有一个基因打靶的办法,我们是最早研发出这种应用于植物上的方法的研发组之一。”

 

这项技术应用在农业生产中,可以准确地定位所需要的特定基因。例如,加强农作物本身的抗虫害基因,这样就能够减少农药的喷洒,让粮食更加绿色、健康。农药危害长期以来都严重威胁着生态环境和人的身体健康。据世界卫生组织和联合国环境署报告,“全世界每年有300 多万人农药中毒, 其中20 万人死亡。美国每年发生6.7 万起农药中毒事故,在发展中国家情况更为严重……我国每年农药中毒事故达50万人次,死亡约10万多人。”“现在真正威胁到粮食安全的就是农药,”朱健康教授深知农药危害之大,“利用基因定点修饰就有可能减少甚至不再需要农药。”农药不仅会对人身造成恶心、昏迷、死亡等急性危害,还会残留在人体内, 长久以往会对人体免疫系统、生殖系统等造成严重危害,甚至会通过母乳传至后代,威胁到人类的种族延续。

 

植物基因定点修饰技术不同于转基因技术,“转基因是把植物本身没有的基因转移过来,而我们的植物基因定点修饰技术是把植物本身就有的基因加以修饰,”朱教授在谈到基因定点修饰技术和转基因技术的区别时讲道,“这是两种不同的技术,我们的技术只是把植物本来就有的基因经过修饰,让它更好地表达或有更好的活性。”在植物的进化过程中,基因的改变都是随机性的,植物基因定点修饰技术就够让本来隐蔽起来的基因重换新生。“例如植物本身没有抗除草剂基因,但是有和它相似的基因,我们把这种基因修饰一下,就有抗除草剂的功能。”在谈到这种技术的安全性时,朱教授用一种对科学严谨的态度说道:“这就需要在技术普及之前进行大量的研究,一项新技术的诞生当然需要一些时间让公众认可,但不能因此就停止研究。农药危害是现在亟需解决的问题,或许新的技术有一些潜在的问题需要研究解决,但如果不做,现在面临的问题就没法解决。”调查数据显示,中国的化肥使用量密度在世界上是最高的,近60 年来增长了百倍,被称为“白色恐怖”;而化肥被植物的利用率仅为40% 左右,剩下的都残留在了耕地中,变成了污染。

 

除了抗虫害基因的研究,“植物中抗旱、抗盐碱、抗寒等抗性基因的研究都是植物基因研究中最难、最复杂的课题,而这些也是我们中心研究的重心所在,我们希望通过努力能在这些方面有所突破。” 朱健康教授认为对植物抗性研究的难度不亚于人类寻找抵抗癌症的方法。

 

无论是植物激素ABA 的小分子类似物—— AM1,还是植物基因组定点修饰技术都任重而道远, 但朱教授却充满自信地说:“我们做就要做第一, 要么就没必要去做。”在世界生物科学技术蓬勃发展的今天,想要做一名领域内的领头羊谈何容易。而想要为解决中国十几亿人口的粮食安全问题做出突出贡献更要面临着难以想象的困难。或许正是忧心于中国的粮食安全,朱健康教授才毅然背负起这份沉重的压力,在上海建立起植物逆境生物学研究中心,这同时也是他和整个上海植物逆境生物学研究中心向科学事业新的巅峰发起的挑战。


兼容并包的王者风度

上海辰山植物园是一个空气清新、环境优美、鸟语花香的地方,辰山科研中心大楼的三楼正是整个上海植物逆境生物学研究中心的所在。尽管身处这样风景秀丽的地方,却也给朱健康教授在管理上带来了一些问题:“我们现在最头疼的就是空间有限,很多学生没法给他们腾出房间去静下心来查文献和学习,包括一些新来的研究组长都没有一个单独的办公室。”即使如此,朱教授所带领的团队在竞争激烈的植物逆境领域仍处于世界领先地位。“从我带领实验室开始到现在已经有二十几年的时间了, 从一开始就处在世界领先的位置,不能说我一回国做就落后了,那不行!”朱教授一直保持着一种对科学事业勇攀高峰的态度,“做出来的东西如果不是领先的,那我们就不去做它!”“有人觉得,以我现在的成绩,又何必整天去争强好胜,多一篇文章、少一篇文章对我名誉也没太大影响,”今年47 岁的朱健康说道,“的确不会有什么影响,但我就是按捺不住,就是想把研究做好,就是不想服输。做最好的东西,竞争肯定也更加激烈,但竞争就一定要取胜,不然就不做。”朱教授的要强是骨子里的, 他认为“作为个人是这样,作为中心也要这样”。

 

朱健康教授回国时,不仅带回了先进的学术成果,许多追随他多年的优秀的博士后和研究员也都一同回到了中国,同时朱健康教授也把国外研究所“兼容并包”的学术理念融入到了上海植物逆境生物学研究中心。“我们是面向全球招聘,像美国能吸引世界各国的人才到那里去做研究,那中国为什么不可以这样做。”许多外籍科研人员都被朱健康教授的学术成就和研究中心包容开放的学术氛围吸引到了上海辰山。“我们的科研成果都是开放的, 不保密的,这有助于各课题组之间的交流,也有利于各研究所的共同进步,”朱教授透露,“许多外籍科学家都希望来我们这里‘镀镀金’。”

 

中国生物科学从十几年前跟随国际的研究脚步到如今的领先地位,之所以能够获得这样的成就, 离不开国家对科学事业的支持和投入,朱教授对此也颇有感触:“十几年前,在中国农大听外国教授演讲,感觉人家做得就是好,我们有差距,前年又在农大邀请普渡大学的教授来讲,发现农大的教授讲得更棒。”

 

“我很满意国家对我们科学研究的支持,但也希望这种支持不会中断,一直下去。”说到底,无论是作为顶尖“千人计划”入选者的朱健康,还是其他通过“千人计划”“百人计划”归国的科学家们, 都会被中国日益完善的科研环境所吸引。根扎得越深,树才长得越是茂盛,一方好的科研土壤,也一定会诞生更强盛的科学事业。上海植物逆境生物学研究中心处在植物园这一片沉静、祥和的氛围中, 为研究中心创造了良好的科研环境。研究中心也正如这片鸟语花香的植物园,在上海的西南角,低调却灿烂着。

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