曹樹(shù)青：搏殺在生物科技前沿

◎ 文/曹 莉

他是教授、博士、博士生導(dǎo)師，頭頂安徽省合肥工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)術(shù)委員會(huì)主任、生物科學(xué)系主任、《合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》(自然科學(xué)版)編委頭銜。

他是耕耘在生物科學(xué)領(lǐng)域的知名專家，先后承擔(dān)過(guò)國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)同行評(píng)議、教育部科技獎(jiǎng)、教育部博士點(diǎn)及霍英東青年教師基金等多個(gè)評(píng)審任務(wù)。

他是專注科研事業(yè)的忠實(shí)探索者，攻破了多項(xiàng)生物科研難關(guān)，摘取到植物修復(fù)基因工程、食品生物技術(shù)、植物抗逆分子生物學(xué)等一枚枚飽含心血又引人注目的創(chuàng)新成果。

他叫曹樹(shù)青，他所從事的科學(xué)研究真如他的名字一樣，緊緊地與生命植物科學(xué)聯(lián)系在一起，為探究出生命植物的內(nèi)在特點(diǎn)和規(guī)律投入了常人難以想象的精力。他的科研，與其叫執(zhí)著不如稱之為搏殺。正是有了這種搏殺精神和行動(dòng)，他在向生物科研深層次挺進(jìn)時(shí)才不畏艱苦、砥礪前行，錘煉出在生物科技前沿挺立的精彩之身。

潛心科研,碩果芬芳——被主流媒體廣泛關(guān)注的最新成果

2018年6月26日，國(guó)際著名期刊Cell子刊《細(xì)胞報(bào)告》發(fā)表了合肥工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院曹樹(shù)青課題組與劉永勝課題組合作的研究論文“DFR1-mediated Inhibition of Proline Degradation Pathway Regulates Drought and Freezing Tolerance in Arabidopsis”。這一論文的發(fā)表，當(dāng)即引起了《科技日?qǐng)?bào)》、科學(xué)網(wǎng)、《中國(guó)科學(xué)報(bào)》、中國(guó)科技網(wǎng)、光明網(wǎng)、中國(guó)新聞網(wǎng)等主流媒體的連鎖反應(yīng)，紛紛進(jìn)行個(gè)性化報(bào)道和細(xì)致解讀。

筆者深入探究個(gè)中緣由得知，安徽省合肥工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院曹樹(shù)青教授課題組與劉永勝教授課題組合作，發(fā)現(xiàn)脯氨酸代謝平衡與植物抗逆應(yīng)答新機(jī)制，首次成功探明了功能性基因DFR1在植物面對(duì)惡劣環(huán)境時(shí)調(diào)節(jié)適應(yīng)能力的機(jī)制，為提升農(nóng)經(jīng)作物抗凍抗旱能力開(kāi)辟了新的理論路徑。然而，這一關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)來(lái)之不易，真如我國(guó)現(xiàn)代著名作家冰心的詩(shī)句中描述的那樣：“成功的花兒，人們只驚羨她現(xiàn)時(shí)的明艷！然而當(dāng)初她的芽?jī)海噶藠^斗的淚泉，灑遍了犧牲的血雨。”

曹教授和他的科研團(tuán)隊(duì)為探明功能性基因DFR1在植物面對(duì)惡劣環(huán)境時(shí)調(diào)節(jié)適應(yīng)能力的機(jī)制，經(jīng)歷了成百上千次實(shí)驗(yàn)，失敗了重來(lái)，再失敗再重新開(kāi)始……一次次不厭其煩地克隆試驗(yàn)該基因的功能，并在模式植物擬南芥中開(kāi)展了系列研究，最終他們?cè)谘芯恐姓业搅薉FR1通過(guò)調(diào)控植物細(xì)胞中重要的滲透壓調(diào)節(jié)劑脯氨酸的代謝平衡來(lái)調(diào)節(jié)植物對(duì)逆境應(yīng)答的新機(jī)制。

講起實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)時(shí)，曹教授難以掩飾內(nèi)心的激動(dòng)。他說(shuō)，該研究首次發(fā)現(xiàn)并成功克隆了一個(gè)全新的未知功能 基 因 DFR1（Drought and Freezing Responsive 1），該基因編碼一個(gè)線粒體蛋白，通過(guò)調(diào)控脯氨酸的動(dòng)態(tài)平衡實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境脅迫的應(yīng)答反應(yīng)。DFR1的表達(dá)受干旱和低溫的誘導(dǎo)。過(guò)量表達(dá)DFR1提高了擬南芥中脯氨酸的含量，同時(shí)提高了擬南芥對(duì)重度干旱和冷害的抗性；而在DFR1突變體中，脯氨酸含量降低，對(duì)干旱和冷害的抗性也隨之降低。在干旱和冷害脅迫條件下，DFR1蛋白與脯氨酸降解途徑上的兩個(gè)關(guān)鍵酶PDH和P5CDH均發(fā)生相互作用并顯著抑制這些酶的活性，從而阻斷整個(gè)脯氨酸降解途徑，使得逆境脅迫下脯氨酸的含量增加，進(jìn)而增加植物對(duì)環(huán)境脅迫的耐受性。

這是一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：將模式植物置于干旱或低溫環(huán)境后，DFR1基因的表達(dá)量立即急劇增加高達(dá)400倍，植物細(xì)胞中脯氨酸含量也隨之升高50倍，并在惡劣環(huán)境中一直維持在較高水平。在該基因的調(diào)控作用下，DFR1過(guò)量表達(dá)植物對(duì)惡劣環(huán)境的耐受性大幅提高，在持續(xù)18天重度干旱或12小時(shí)-8℃冷凍處理?xiàng)l件下，其植株存活率較野生型提升3至4倍。同時(shí)，在擬南芥脫離惡劣環(huán)境后的3至6小時(shí)內(nèi)，該基因表達(dá)量便急劇下降，導(dǎo)致PDH和P5CDH活性被快速釋放，從而加速脯氨酸的降解，并恢復(fù)在惡劣環(huán)境中造成的細(xì)胞生理機(jī)能損傷。從中可以看出，在正常條件下DFR1基因的表達(dá)量很低以維持脯氨酸的穩(wěn)態(tài)平衡；而在逆境脅迫條件下，DFR1基因的表達(dá)量急劇增加從而導(dǎo)致脯氨酸含量的升高和環(huán)境脅迫的耐受性的提高；在脅迫解除后，DFR1的表達(dá)量又急劇下降以釋放PDH和P5CDH活性從而加速脯氨酸的降解和逆境脅迫損傷的恢復(fù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DFR1基因不僅調(diào)控植物在重度脅迫下的存活率，也調(diào)控植物在中度脅迫下的生物量，而植物中脯氨酸這個(gè)嬌小玲瓏的調(diào)節(jié)劑十分的“嬌氣”，絕不能過(guò)多，過(guò)多積累會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞生理機(jī)能受損，正常環(huán)境下模式植物擬南芥中該基因只有保持極低的表達(dá)量，才能維持脯氨酸的穩(wěn)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)植物對(duì)各種環(huán)境脅迫的應(yīng)答反應(yīng)，使得其在未來(lái)的農(nóng)作物抗逆分子育種中具有極其重要的應(yīng)用前景；此外，該基因在植物中具有高度保守性，意味著該機(jī)制可能是植物長(zhǎng)期適應(yīng)脅迫環(huán)境進(jìn)化產(chǎn)生的抗逆應(yīng)答機(jī)制。

無(wú)涯學(xué)海,磅礴前行——科研實(shí)踐中不同凡響的“首次”

創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)是新時(shí)代的國(guó)策之一，面向科學(xué)前沿開(kāi)展原始創(chuàng)新，已經(jīng)成為科學(xué)家們義不容辭的責(zé)任。科技前沿的搏殺實(shí)際上就是一場(chǎng)充滿硝煙彌漫的戰(zhàn)斗，任何戰(zhàn)斗只有勝利者才能高高地?fù)]揚(yáng)著勝利的旗幟。而每一個(gè)科技前沿首次創(chuàng)新的成果，也都是科學(xué)家們像士兵一樣頑強(qiáng)搏殺的結(jié)果。

在曹教授多年的科研創(chuàng)新攻關(guān)實(shí)踐中創(chuàng)造了很多個(gè)“首次”，發(fā)現(xiàn)DFR1調(diào)控植物抗逆應(yīng)答新機(jī)制只是其中之一。首次揭示植物響應(yīng)重金屬鎘脅迫過(guò)程中新的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、首次克隆植物耐受重金屬毒害的關(guān)鍵基因并闡明其作用機(jī)理，等等，都是曹教授最具代表性的原創(chuàng)性研究成果。

說(shuō)起植物響應(yīng)重金屬鎘脅迫過(guò)程中新的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路這一成果，曹教授是利用正向遺傳學(xué)途徑篩選和鑒定了一個(gè)擬南芥耐鎘突變體xcd1-D，并克隆了其相應(yīng)的基因MAN3，該基因編碼一個(gè)1,4-糖苷水解酶。過(guò)量表達(dá)MAN3基因?qū)е骆k的耐受和積累，而MAN3基因功能缺失則該突變體表現(xiàn)出對(duì)鎘敏感。鎘脅迫誘導(dǎo)MAN3基因表達(dá)、增加甘露聚糖水解酶活性及甘露糖水平，從而激活谷胱甘肽依賴的植物螯合素合成途徑上的相關(guān)基因協(xié)調(diào)表達(dá)，進(jìn)而增加植物對(duì)鎘積累和耐受。該成果發(fā)現(xiàn)了MAN3及其介導(dǎo)的甘露糖的新功能，這一首次重要發(fā)現(xiàn)于2014年10月20日在線發(fā)表在國(guó)際植物學(xué)著名期刊《新植物學(xué)家》后，即刻引起新華社、中國(guó)新聞網(wǎng)、科學(xué)網(wǎng)、人民網(wǎng)、光明網(wǎng)、中央人民廣播電臺(tái)、新浪網(wǎng)等10多家中央級(jí)媒體的廣泛關(guān)注和報(bào)道，并榮獲“2014年度合肥工業(yè)大學(xué)十大新聞”，同時(shí)入選《科學(xué)中國(guó)人》雜志創(chuàng)新之路、《科技中國(guó)》雜志英才、《科技文摘報(bào)》當(dāng)代科技前沿、《科技成果管理與研究》當(dāng)代科學(xué)人、《今日中國(guó)》中國(guó)力量、《中國(guó)科技網(wǎng)》科技追夢(mèng)人、《科技日?qǐng)?bào)》“兩會(huì)”聚焦、《創(chuàng)新時(shí)代》重點(diǎn)推薦等期刊欄目，錄入《引領(lǐng)中國(guó)的時(shí)代驕子》《領(lǐng)軍人才與創(chuàng)新發(fā)展》《創(chuàng)新成果與卓越人物》《中國(guó)創(chuàng)新夢(mèng)》等大型文獻(xiàn)。他研究的植物修復(fù)基因工程及食品生物技術(shù)不僅有助于揭示植物耐受重金屬毒害的分子機(jī)理，而且可為利用植物修復(fù)技術(shù)治理土壤中重金屬污染提供新的基因資源并為從源頭上控制農(nóng)產(chǎn)品食品安全提供新的技術(shù)途徑。

據(jù)了解，曹教授近年來(lái)主要從事植物修復(fù)基因工程、食品生物技術(shù)、植物抗逆分子生物學(xué)等方面研究，利用正向和反向遺傳學(xué)途徑，篩選鑒定了多個(gè)與非生物脅迫相關(guān)的功能基因，包括DFR1、ZAT6、MAN3等，并闡明了這些基因參與非生物脅迫響應(yīng)調(diào)節(jié)的可能機(jī)理。先后在國(guó)內(nèi)外權(quán)威和核心刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，其中在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Cell Reports、New Phytologist、Plant Physiology、Nature Communications、Plant, Cell &Environment、Journal of Experimental Botany等上發(fā)表SCI收錄的論文30余篇，參與撰寫973專著1部，有16項(xiàng)成果獲得授權(quán)（或申請(qǐng)）國(guó)家發(fā)明專利，還獲得2017年中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)、安徽省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、同澤優(yōu)秀園丁獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。