朱健康：植物逆境生物學(xué)的領(lǐng)軍者

董理

俗話說：“民以食為天。”

糧食問題自古至今都是整個人類所面臨的首要難題。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)也在向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。在中國，大概在戰(zhàn)國、秦漢之際便已逐漸形成了一套以精耕細(xì)作為特點的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)，從最初的刀耕火種、鐵犁牛耕，到今日向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)邁進的機械耕作，農(nóng)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)歷了兩千多年的歷史。

中國農(nóng)民長久以來都是靠天吃飯，“老天爺”變變臉，農(nóng)民可能就得顆粒無收。在以人力、畜力以及手工工具為主的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)下，人們一面祈求老天能慈眉善目，一面又在不懈地提高農(nóng)業(yè)技術(shù)來抵御旱澇等自然災(zāi)害。

干旱一直是全球性的問題， 世界上干旱與半干旱地區(qū)面積分別約占全球陸地面積的25%和30%，而這些地區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)面積卻占世界耕地面積的1/3以上。同時，在濕潤地區(qū)也常伴有季節(jié)性的或難以預(yù)測的干旱，這些都對世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成巨大威脅。我國是世界上干旱與半干旱土地面積都很大的國家，干旱及半干旱地區(qū)土地面積約占全國土地面積的52.5%，占全國耕地面積的38%左右，據(jù)調(diào)查，每年大約有0.13億公頃播種面積因受到干旱的危害而損失50億千克～75億千克糧食。在戰(zhàn)國時期中國就發(fā)明了當(dāng)時世界上最先進的壟作法來抵御干旱等自然災(zāi)害，包括漢代出現(xiàn)的代田法都是用于抗旱的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)。

時至今日，人類對抗干旱的方法早已不只是局限于耕種手段，而是已經(jīng)深入到生物工程領(lǐng)域。早在1965年，科學(xué)家便從棉花幼鈴中分離出了一種能使外植體切除葉片后的葉柄脫落加速的物質(zhì)結(jié)晶，稱之為“脫落素Ⅱ”。同年，科學(xué)家還用色譜分析法從歐亞槭葉子里分離出一種抑制物質(zhì)，能使生長中的幼苗和芽休眠，被命名為“休眠素”。科學(xué)家經(jīng)過比較研究休眠素和脫落素Ⅱ的化學(xué)性質(zhì)后，證明兩者為同一物質(zhì)，于是將二者統(tǒng)一命名為“脫落酸”。

脫落酸（ABA）是植物五大天然生長調(diào)節(jié)劑之一，是能引起芽休眠、葉子脫落和抑制細(xì)胞生長等生理作用的植物激素。它可以提高植物的抗旱和耐鹽力，對開發(fā)利用中低產(chǎn)田以及植樹造林、綠化沙漠等有極高的價值。此外，ABA還能引起葉片氣孔的迅速關(guān)閉，可用于花的保鮮、調(diào)節(jié)花期、促進生根等，在花卉園藝上有較大的應(yīng)用價值。對ABA及其應(yīng)答基因的研究可揭示植物抗逆生理反應(yīng)的分子過程，從而為定向增強作物對環(huán)境的適應(yīng)力奠定基礎(chǔ)。

天然脫落酸（S-ABA）的提取十分困難，大約300公斤的棉籽中才能提取9毫克的天然脫落酸，1毫克的S-ABA市價大約在200美元左右，現(xiàn)階段并不適用于廣泛的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但由于其對農(nóng)業(yè)發(fā)展有著極其重要的作用，世界各國都在爭相研究廉價脫落酸的生產(chǎn)方法。

用成就鑄造一流

2012年4月28日，上海市松江區(qū)辰山植物園內(nèi)，一座現(xiàn)代化的植物逆境生物學(xué)研究中心正式揭牌。研究中心的帶頭人正是國際著名植物生物學(xué)家、植物抗逆分子生物學(xué)領(lǐng)軍科學(xué)家、美國科學(xué)院院士、美國普渡大學(xué)生物化學(xué)系和園藝及園林系杰出教授、中國頂尖“千人計劃”的入選者朱健康教授。

雖然研究中心成立僅僅兩年多的時間，但朱健康教授的課題組就做出了令人矚目的成就，AM1小分子正是其中之一。“我們找到的這種小分子化合物，能像植物本身產(chǎn)生的脫落酸一樣，增強植物的抗旱能力，”朱健康教授介紹道，“AM1具備跟脫落酸一樣的活性，但是要比脫落酸便宜許多。脫落酸見光易分解，AM1就相對穩(wěn)定。”AM1與ABA的化學(xué)結(jié)構(gòu)有一定相似性，并且在基因的表達模式上也有80%以上的共性。實驗結(jié)果表明，AM1能夠很好地發(fā)揮類似ABA的抗旱作用。“抗旱原理有兩個方面：一是使植物的氣孔關(guān)閉，能夠減少植物蒸騰作用時散失的水分，在干旱情況下，對植物噴灑AM1能讓植物氣孔關(guān)閉，從而達到保水的作用；另一個是能夠像脫落酸一樣能使植物抗旱基因表達，這些基因在平時是不表達的，但噴灑了AM1后就能讓植物的抗旱基因在平時表達出來。”

當(dāng)世界各國都在苦苦尋找如何制造廉價脫落酸的途徑時，朱健康教授運用多年在植物生物學(xué)領(lǐng)域的造詣，在脫落酸的研發(fā)中另辟蹊徑，回避了人工合成脫落酸的堅實壁壘，將脫落酸的受體蛋白作為主要研究目標(biāo)。2009年，朱健康教授和中科院上海藥物研究所徐華強教授合作，成功解析了脫落酸受體蛋白的結(jié)構(gòu)和信號傳遞途經(jīng)，其相關(guān)成果被《科學(xué)》雜志評為當(dāng)年年度十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。在此基礎(chǔ)上，“借助于模式植物擬南芥的脫落酸受體蛋白，通過分子對接、虛擬篩選等方法，從人工合成的小分子化合物庫中，成功篩選得到脫落酸受體的激動劑AM1”。

利用噴灑AM1增助植物的抗旱能力，具有很好的靈活性，可根據(jù)植物所處環(huán)境和用途有針對性地進行噴灑，例如，花卉展覽時噴灑可以保持花朵艷麗的色彩，北京奧運會期間上百萬盆花卉就曾通過噴灑脫落酸而保持其活力。AM1技術(shù)成熟之后完全有能力替代脫落酸，并且能夠節(jié)約許多成本，運用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，也能充分地體現(xiàn)出中國建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)所倡導(dǎo)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、高效的特點。

人類幾千年來都在為解決糧食問題尋求突破，而“在世界人口迅速膨脹，環(huán)境持續(xù)惡化的今天，如果沒有革命性的糧食問題解決辦法，那么數(shù)十億人口將在未來幾十年面臨食物短缺的問題。”朱健康教授在上海植物逆境生物研究中心建立之初，便將“提高農(nóng)作物產(chǎn)量”和實現(xiàn)“農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展”作為研究中心的首要使命。在面對糧食問題這種世界性難題時，不僅需要重拳出擊，更需要組合重拳。因此在AM1研發(fā)的同時，朱健康教授的課題組還從植物基因工程中尋找著解決糧食問題的另一縫隙，再打出一記重拳。

植物基因組定點修飾技術(shù)——這是朱健康教授在植物逆境生物學(xué)研究中心兩年來所專注的另一項重點技術(shù)。“以前要改變植物基因的話，都是在幾萬個基因中通過誘變等方法隨機改變某個基因，單獨要想改變某個特定基因而保持其他基因不變是很困難的，”朱健康教授介紹道，“現(xiàn)在有一個基因打靶的辦法，我們是最早研發(fā)出這種應(yīng)用于植物上的方法的研發(fā)組之一。”endprint

這項技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可以準(zhǔn)確地定位所需要的特定基因。例如，加強農(nóng)作物本身的抗蟲害基因，這樣就能夠減少農(nóng)藥的噴灑，讓糧食更加綠色、健康。農(nóng)藥危害長期以來都嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境和人的身體健康。據(jù)世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國環(huán)境署報告，“全世界每年有300多萬人農(nóng)藥中毒，其中20萬人死亡。美國每年發(fā)生6.7萬起農(nóng)藥中毒事故，在發(fā)展中國家情況更為嚴(yán)重……我國每年農(nóng)藥中毒事故達50萬人次，死亡約10萬多人。”“現(xiàn)在真正威脅到糧食安全的就是農(nóng)藥，”朱健康教授深知農(nóng)藥危害之大，“利用基因定點修飾就有可能減少甚至不再需要農(nóng)藥。”農(nóng)藥不僅會對人身造成惡心、昏迷、死亡等急性危害，還會殘留在人體內(nèi)，長久以往會對人體免疫系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等造成嚴(yán)重危害，甚至?xí)ㄟ^母乳傳至后代，威脅到人類的種族延續(xù)。

植物基因定點修飾技術(shù)不同于轉(zhuǎn)基因技術(shù)，“轉(zhuǎn)基因是把植物本身沒有的基因轉(zhuǎn)移過來，而我們的植物基因定點修飾技術(shù)是把植物本身就有的基因加以修飾，”朱教授在談到基因定點修飾技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)的區(qū)別時講道，“這是兩種不同的技術(shù)，我們的技術(shù)只是把植物本來就有的基因經(jīng)過修飾，讓它更好地表達或有更好的活性。”在植物的進化過程中，基因的改變都是隨機性的，植物基因定點修飾技術(shù)就夠讓本來隱蔽起來的基因重?fù)Q新生。“例如植物本身沒有抗除草劑基因，但是有和它相似的基因，我們把這種基因修飾一下，就有抗除草劑的功能。”在談到這種技術(shù)的安全性時，朱教授用一種對科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度說道：“這就需要在技術(shù)普及之前進行大量的研究，一項新技術(shù)的誕生當(dāng)然需要一些時間讓公眾認(rèn)可，但不能因此就停止研究。農(nóng)藥危害是現(xiàn)在亟需解決的問題，或許新的技術(shù)有一些潛在的問題需要研究解決，但如果不做，現(xiàn)在面臨的問題就沒法解決。”調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，中國的化肥使用量密度在世界上是最高的，近60年來增長了百倍，被稱為“白色恐怖”；而化肥被植物的利用率僅為40%左右，剩下的都?xì)埩粼诹烁刂校兂闪宋廴尽?img src="https://cimg.fx361.com/images/2018/01/12/kxja201723kxja20172313-3-l.jpg" style=""/>

除了抗蟲害基因的研究，“植物中抗旱、抗鹽堿、抗寒等抗性基因的研究都是植物基因研究中最難、最復(fù)雜的課題，而這些也是我們中心研究的重心所在，我們希望通過努力能在這些方面有所突破。”朱健康教授認(rèn)為對植物抗性研究的難度不亞于人類尋找抵抗癌癥的方法。

無論是植物激素ABA的小分子類似物——AM1，還是植物基因組定點修飾技術(shù)都任重而道遠，但朱教授卻充滿自信地說：“我們做就要做第一，要么就沒必要去做。”在世界生物科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，想要做一名領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)頭羊談何容易。而想要為解決中國十幾億人口的糧食安全問題做出突出貢獻更要面臨著難以想象的困難。或許正是憂心于中國的糧食安全，朱健康教授才毅然背負(fù)起這份沉重的壓力，在上海建立起植物逆境生物學(xué)研究中心，這同時也是他和整個上海植物逆境生物學(xué)研究中心向科學(xué)事業(yè)新的巔峰發(fā)起的挑戰(zhàn)。

兼容并包的王者風(fēng)度

上海辰山植物園是一個空氣清新、環(huán)境優(yōu)美、鳥語花香的地方，辰山科研中心大樓的三樓正是整個上海植物逆境生物學(xué)研究中心的所在。盡管身處這樣風(fēng)景秀麗的地方，卻也給朱健康教授在管理上帶來了一些問題：“我們現(xiàn)在最頭疼的就是空間有限，很多學(xué)生沒法給他們騰出房間去靜下心來查文獻和學(xué)習(xí)，包括一些新來的研究組長都沒有一個單獨的辦公室。”即使如此，朱教授所帶領(lǐng)的團隊在競爭激烈的植物逆境領(lǐng)域仍處于世界領(lǐng)先地位。“從我?guī)ьI(lǐng)實驗室開始到現(xiàn)在已經(jīng)有二十幾年的時間了，從一開始就處在世界領(lǐng)先的位置，不能說我一回國做就落后了，那不行！”朱教授一直保持著一種對科學(xué)事業(yè)勇攀高峰的態(tài)度，“做出來的東西如果不是領(lǐng)先的，那我們就不去做它！”“有人覺得，以我現(xiàn)在的成績，又何必整天去爭強好勝，多一篇文章、少一篇文章對我名譽也沒太大影響，”今年47歲的朱健康說道，“的確不會有什么影響，但我就是按捺不住，就是想把研究做好，就是不想服輸。做最好的東西，競爭肯定也更加激烈，但競爭就一定要取勝，不然就不做。”朱教授的要強是骨子里的，他認(rèn)為“作為個人是這樣，作為中心也要這樣”。

朱健康教授回國時，不僅帶回了先進的學(xué)術(shù)成果，許多追隨他多年的優(yōu)秀的博士后和研究員也都一同回到了中國，同時朱健康教授也把國外研究所“兼容并包”的學(xué)術(shù)理念融入到了上海植物逆境生物學(xué)研究中心。“我們是面向全球招聘，像美國能吸引世界各國的人才到那里去做研究，那中國為什么不可以這樣做。”許多外籍科研人員都被朱健康教授的學(xué)術(shù)成就和研究中心包容開放的學(xué)術(shù)氛圍吸引到了上海辰山。“我們的科研成果都是開放的，不保密的，這有助于各課題組之間的交流，也有利于各研究所的共同進步，”朱教授透露，“許多外籍科學(xué)家都希望來我們這里‘鍍鍍金。”

中國生物科學(xué)從十幾年前跟隨國際的研究腳步到如今的領(lǐng)先地位，之所以能夠獲得這樣的成就，離不開國家對科學(xué)事業(yè)的支持和投入，朱教授對此也頗有感觸：“十幾年前，在中國農(nóng)大聽外國教授演講，感覺人家做得就是好，我們有差距，前年又在農(nóng)大邀請普渡大學(xué)的教授來講，發(fā)現(xiàn)農(nóng)大的教授講得更棒。”

“我很滿意國家對我們科學(xué)研究的支持，但也希望這種支持不會中斷，一直下去。”說到底，無論是作為頂尖“千人計劃”入選者的朱健康，還是其他通過“千人計劃”“百人計劃”歸國的科學(xué)家們，都會被中國日益完善的科研環(huán)境所吸引。根扎得越深，樹才長得越是茂盛，一方好的科研土壤，也一定會誕生更強盛的科學(xué)事業(yè)。上海植物逆境生物學(xué)研究中心處在植物園這一片沉靜、祥和的氛圍中，為研究中心創(chuàng)造了良好的科研環(huán)境。研究中心也正如這片鳥語花香的植物園，在上海的西南角，低調(diào)卻燦爛著。endprint