用生命科學(xué)演繹種子植物的智慧——記北京大學(xué)生命科學(xué)院教授鐘上威

本刊記者　汲曉奇

用生命科學(xué)演繹種子植物的智慧——記北京大學(xué)生命科學(xué)院教授鐘上威

本刊記者汲曉奇

一粒微小的種子能深埋大地沉睡千年躲避不利環(huán)境，而當(dāng)外界環(huán)境合適生長時(shí)迅速萌發(fā)，頑強(qiáng)不屈破土而出，開始新的生命周期。是什么讓種子植物具備了如此智慧？探索植物感知和適應(yīng)復(fù)雜多變環(huán)境的奧妙成為鐘上威多年的樂趣，他運(yùn)用生命科學(xué)信號傳導(dǎo)研究演繹了陸生種子植物從土壤中萌發(fā)到生長出土的智慧旅程。

好奇是一把鑰匙，能開啟普羅大眾內(nèi)心求知的原始動(dòng)力，也激發(fā)了科技工作者無窮的毅力和探索的源泉。純粹的好奇讓鐘上威選擇了植物學(xué)研究，開啟了與陸生種子植物的一系列“對話”。

2007年本科畢業(yè)后，鐘上威師從北京大學(xué)的郭紅衛(wèi)教授和美國耶魯大學(xué)的鄧興旺院士，把植物學(xué)作為將來的研究方向，與植物對話是他最大的樂趣，每天長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)讓他樂此不疲。對植物的悉心關(guān)注，讓他發(fā)現(xiàn)光氧化是扼殺出土幼苗的“兇手”，氣體激素乙烯能調(diào)控植物葉綠素合成，而光又能調(diào)節(jié)甚至逆轉(zhuǎn)乙烯的功能……鐘上威對觀察到的各種奇妙現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究，系列成果多次發(fā)表在《美國科學(xué)院院報(bào)》（PNAS），《當(dāng)代生物學(xué)》（Current Biology），《植物細(xì)胞》（Plant Cell）等國際權(quán)威雜志上，并多次被F1000頂尖專家撰文重點(diǎn)推薦，在領(lǐng)域中產(chǎn)生了廣泛影響。

隨著我國城鎮(zhèn)化發(fā)展的不斷深化，耕地面積減少，青壯年從農(nóng)村大量流入城市，過去先育種再插秧的傳統(tǒng)播種方法難以維持，機(jī)械化耕種勢在必行。把握時(shí)代脈動(dòng)，是創(chuàng)新的開始，鐘上威學(xué)成歸國后，便組建實(shí)驗(yàn)室對機(jī)械化播種中廣泛存在的一個(gè)關(guān)鍵問題——幼苗怎樣實(shí)現(xiàn)出土存活，展開了深入研究。

“傳統(tǒng)種植是先育種、再人工插秧移植，而機(jī)械播種是直接將種子埋在土壤中，對種子在土壤中的整齊萌發(fā)及幼苗出土存活能力要求很高。傳統(tǒng)育種主要關(guān)注成苗是否強(qiáng)壯、能不能抗蟲害等問題，對幼苗在土壤中的生長發(fā)育過程研究不多。此外，復(fù)雜多樣的土壤條件也限制了對這一過程研究的精確性、可控性和定量性。只有能在不同實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，才能深入研究其分子調(diào)控機(jī)理。”在研究初期，鐘上威遇到了很多的困難，但這些難題沒有阻攔住他的步伐，好奇的驅(qū)動(dòng)如種子破土而出的力量一樣不可阻擋，他堅(jiān)持反復(fù)摸索試驗(yàn)，最終通過巧妙地選擇成分單一的二氧化硅，按顆粒大小設(shè)置土壤質(zhì)地，實(shí)現(xiàn)了量化的土壤厚度和硬度研究方法。這套自創(chuàng)的既能模擬外界真實(shí)土壤環(huán)境，又可在實(shí)驗(yàn)室定量操作的標(biāo)準(zhǔn)土壤實(shí)驗(yàn)體系，意外地打開了成功研究之門。

利用這套簡便高效的方法，鐘上威鑒定到了第一類特異介導(dǎo)幼苗出土存活的轉(zhuǎn)錄因子，揭示了幼苗可以通過一個(gè)偶聯(lián)在一起的精巧機(jī)制，同步調(diào)控下胚軸和子葉這兩個(gè)不同組織器官中的生長發(fā)育過程，從而使得幼苗能順利從不同的土壤中生長出來并存活。研究成果發(fā)表在《美國科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）上。隨后，鐘上威又繼續(xù)對不同土壤中種子萌發(fā)的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)種子萌發(fā)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)由3條通絡(luò)組成，分別介導(dǎo)不同光照條件下的快速反應(yīng)和時(shí)間積累效應(yīng)。通過合作，他進(jìn)一步對該調(diào)控過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型演繹，發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致，揭示了種子對環(huán)境反應(yīng)的高度精確性。研究成果再次發(fā)表在《美國科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）上。這些原創(chuàng)的研究成果為提高機(jī)械化種植的種子萌發(fā)及幼苗出土成活提供了有力支持和保障。

談到今后的發(fā)展，鐘上威充滿著信心和激情。回到北大后，他得到了北大“985”項(xiàng)目、中組部“青年千人計(jì)劃”、國家自然科學(xué)基金委以及蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等各方面的大力支持，已迅速組建起來了一支年輕、充滿活力的研究團(tuán)隊(duì)，深入探索幼苗出土存活的調(diào)控機(jī)制。其中，對幼苗感應(yīng)土壤厚度的分子機(jī)理研究成果又即將在國際一流科研雜志《Current Biology》上發(fā)表。“只想回國做一些實(shí)事，實(shí)現(xiàn)人生價(jià)值”的鐘上威希望，通過自己和團(tuán)隊(duì)的努力，為祖國農(nóng)業(yè)發(fā)展、提高機(jī)械化種植效率、改善16億人口糧食問題貢獻(xiàn)綿薄之力。