他們“沉默”10年，攻克35年未解難題

研究成果登上《自然》后的兩個(gè)月里，遠(yuǎn)方越來越忙了。除了開展日常研究外，她還繼續(xù)和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)深入交流，以期將研究成果應(yīng)用在更多領(lǐng)域。

低滲，即水分增多時(shí)，植物細(xì)胞內(nèi)的鈣信號(hào)會(huì)增強(qiáng)。早在35年前，科學(xué)家就觀察到了這一現(xiàn)象，并推測(cè)這是由低滲透壓感受機(jī)制導(dǎo)致的，但始終不知道機(jī)制背后的鈣信號(hào)增強(qiáng)是“誰干的”。

中國(guó)工程院院士、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授鄒學(xué)校科研團(tuán)隊(duì)的教授遠(yuǎn)方和劉峰課題組研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水分增多時(shí)，植物低滲感受器OSCA2.1和OSCA2.2會(huì)迅速感知外界豐富的水分，使胞質(zhì)內(nèi)鈣信號(hào)增強(qiáng)，從而作出防御等反應(yīng)，可以說，它們是植物周圍多水環(huán)境下鈣離子濃度增加的“開關(guān)”。

1、35年未解的“假設(shè)”之謎

人之所以能看到東西、感知冷熱等，是因?yàn)轶w內(nèi)有光、溫度等的感受器。植物和人類一樣，其根、莖等部位也有諸多感受器，在感受外界環(huán)境變化并做出相應(yīng)調(diào)節(jié)的過程中發(fā)揮重要作用。

隨著全球氣候變暖，缺水對(duì)植被和農(nóng)作物的影響會(huì)越來越嚴(yán)重。陸生植物是從水生祖先進(jìn)化而來的，它成功克服了缺水和水分波動(dòng)這兩個(gè)看似難以逾越的障礙，適應(yīng)了陸地環(huán)境。

“動(dòng)物和植物體內(nèi)都有感受器，但強(qiáng)度不同，比如小麥有40多個(gè)感受干旱和多水的基因，而小狗等哺乳動(dòng)物只有幾個(gè)類似的基因。”遠(yuǎn)方說，這是它們的生存環(huán)境決定的，動(dòng)物能跑動(dòng)，而植物是固定在一處生長(zhǎng)的。

高等植物通過阻止脫水和過渡吸水的作用在陸地缺水和水分波動(dòng)中生存。早在35年前，就有科學(xué)家將低滲透壓誘導(dǎo)的鈣信號(hào)增強(qiáng)推測(cè)為低滲透壓感受機(jī)制，但其分子基礎(chǔ)未知。

“長(zhǎng)期以來，業(yè)界一直假設(shè)細(xì)胞質(zhì)鈣離子濃度的增加是在再水合過程中感知低滲透壓的。通俗地說，植物周邊水分增多時(shí)，其體內(nèi)的鈣離子濃度就會(huì)增加。但鈣信號(hào)為什么增強(qiáng)、是誰干的，業(yè)界一直沒弄清楚。”遠(yuǎn)方表示。

鈣離子是植物生長(zhǎng)發(fā)育和逆境響應(yīng)的核心調(diào)控因子。當(dāng)植物感受到外界環(huán)境變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生鈣信號(hào)，進(jìn)而激活下游相應(yīng)機(jī)制。

“鈣信號(hào)是最上游、反應(yīng)最快的，它像通信兵一樣，向后傳遞前方‘戰(zhàn)況’后撤離，最快的鈣信號(hào)兩秒內(nèi)起始、3分鐘結(jié)束。我們想弄清楚環(huán)境變化后最上游發(fā)生了什么。上游的一個(gè)基因感受到鈣信號(hào)后可能影響下游幾十乃至上百個(gè)防御基因，進(jìn)而增強(qiáng)抗性，這對(duì)植物育種等研究來說很關(guān)鍵。”遠(yuǎn)方說。

2、找到鈣離子濃度增加的“開關(guān)”

與所有生物體一樣，陸生植物必須監(jiān)測(cè)其環(huán)境中可利用水的多少來調(diào)控生長(zhǎng)和發(fā)育。對(duì)植物感受器開展深入研究，不僅能真正了解植物對(duì)水分等的需求，還能借助感受器在育種方面取得新突破。

“植物體內(nèi)原本是有很多感受器的，它自身能很好地應(yīng)用，但我們不知道其原理，更沒法利用它改良作物以提高抗性等。如果發(fā)現(xiàn)了這些植物感受器，就能在植物處于逆境下的關(guān)鍵生命周期對(duì)其進(jìn)行改造，這很有應(yīng)用前景。”這是遠(yuǎn)方開展植物感受器研究的重要原因。

“我們終于搞清楚植物在多水環(huán)境下為什么鈣離子濃度會(huì)增加了。”遠(yuǎn)方表示，關(guān)鍵是找到了兩個(gè)基因，它們能夠感受多水環(huán)境，是植物周圍多水環(huán)境下鈣離子濃度增加的“開關(guān)”。

她解釋說，高溫、低溫、干旱等外界環(huán)境就像第一信使，當(dāng)OSCA2.1和OSCA2.2感受到外界的多水環(huán)境后，會(huì)立即將第一信使傳遞到植物細(xì)胞中。這個(gè)信號(hào)就像第二信使，細(xì)胞識(shí)別到第二信使后會(huì)立即將第一信使的信息傳導(dǎo)到細(xì)胞下游影響其基因表達(dá)，告訴它們“該干活了”。

3、聰明的植物在逆境中出品質(zhì)

第二信使“拿到”第一信使的“信件”后，具體作何反應(yīng)？

團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，很多鈣信號(hào)往往會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)消失。“從外界環(huán)境變化到第二信使接收到這一變化信息，最快的僅兩秒鐘。”遠(yuǎn)方說。

為什么信使不多待會(huì)兒，給下游基因更多反應(yīng)時(shí)間？遠(yuǎn)方表示，植物里的不同基因各司其職，鈣信號(hào)將信息傳遞后就回去“睡大覺”了，但這并不是因?yàn)樗鼞卸瑁瞧渖嫘枰鶝Q定的。如果鈣信號(hào)傳遞信息后不返回，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的鈣離子濃度太高進(jìn)而產(chǎn)生毒性，不撤離就是自殺行為。

遠(yuǎn)方舉了一個(gè)種子萌發(fā)的例子。種子萌發(fā)時(shí)，溫度、水分、地點(diǎn)等因素一定要適宜，這是種子萌發(fā)的關(guān)鍵因素。開弓沒有回頭箭，一旦種子萌發(fā)就要活下去，否則沒法繁殖下一代。這要求種子首先能感受到外界的溫度和水分環(huán)境，萌發(fā)后根據(jù)外界環(huán)境的變化調(diào)整自身對(duì)水分等的需求。

如果持續(xù)干旱，植物會(huì)調(diào)高自身細(xì)胞的滲透壓，降低對(duì)水的需求，同時(shí)在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)制造一些多糖、離子等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，加強(qiáng)自身保水能力。

“逆境出品質(zhì)。”遠(yuǎn)方說，為什么干旱時(shí)水果往往會(huì)更甜，因?yàn)樗阪i水過程中不斷產(chǎn)生多糖、離子、氨基酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。而當(dāng)夏季多雨時(shí)，水會(huì)不斷滲入植物，此時(shí)它需要不斷將體內(nèi)的多糖、離子、氨基酸排出細(xì)胞外，否則細(xì)胞會(huì)不斷膨大至破裂。這也解釋了為什么夏天多雨時(shí)香瓜、甜瓜會(huì)裂開。總之，當(dāng)外界環(huán)境超過一定極限，植物內(nèi)部調(diào)控系統(tǒng)往往會(huì)崩潰。

4、以“挖礦精神”持續(xù)鉆研小領(lǐng)域

為什么鉆研一項(xiàng)35年都沒有答案的科學(xué)難題？遠(yuǎn)方認(rèn)為是團(tuán)隊(duì)的“挖礦精神”在支撐。

她認(rèn)為，科學(xué)研究就像挖礦，挖到最好的“原礦”固然重要，而更關(guān)鍵的是將“原礦”打磨成最漂亮的“寶石”，也就是發(fā)現(xiàn)科學(xué)現(xiàn)象背后的機(jī)理和關(guān)鍵作用。

這些年來，遠(yuǎn)方所在團(tuán)隊(duì)一直在默默無聞地研究影響鈣信號(hào)的植物感受器。“植物感受器是一個(gè)很寬泛的概念，但我們從一開始就聚焦影響鈣信號(hào)的植物感受器這一小領(lǐng)域，因?yàn)槲沂冀K認(rèn)為上游的感受器是牽一發(fā)而動(dòng)全身的，弄清其原理對(duì)生物育種等研究更為關(guān)鍵。”遠(yuǎn)方表示。

“展望未來，我們構(gòu)思將系列研究成果和園藝，以及水果和農(nóng)作物結(jié)合起來，針對(duì)不同植物摸清對(duì)應(yīng)的干旱、多水等的感應(yīng)機(jī)制。”遠(yuǎn)方表示，“這些研究的戰(zhàn)線只會(huì)更長(zhǎng)，即使我們這一代人沒法享受到研究成果，我們?nèi)詴?huì)踏踏實(shí)實(shí)潛心做研究，讓這些科學(xué)構(gòu)想盡快實(shí)現(xiàn)。”