喚醒植物體內的沉默基因
——記中國科學院昆明植物研究所研究員劉莉

□ 王德通

劉莉

近百年來，地球氣候經歷了一次以全球變暖為主要特征的顯著變化，并在近年來愈演愈烈。2018年，聯合國政府間氣候變化專門委員會發布了《IPCC全球升溫1.5℃特別報告》再一次為全人類敲響了警鐘：一旦全球平均氣溫較工業化前水平升高1.5℃甚至是2℃，那么將會為地球、人類以及動植物帶來不可挽回的影響。

尤其對植物而言，它的生長需要的自然環境是由一系列生物脅迫和非生物脅迫造成的，其中干旱、水淹、寒冷等非生物脅迫對植物的危害尤為嚴重。“植物不像動物一樣可以躲避、逃跑，它們自身在適應環境的過程中會產生某種機制并會將這種機制傳遞給它的子代，讓其世世代代更好地存活下去。”中國科學院昆明植物研究所（簡稱“中科院昆明植物所”）研究員劉莉說。多年來，她所領導的課題組就將研究的關注點放在了葉綠體蛋白的生物學功能研究，以解析在全球氣候變化下，植物在抵抗非生物逆境（水分脅迫）、植物生長發育調控（抗衰老和增強光合速率）的作用，運用多種遺傳工程方法創建改良植物抗逆性體系，激活植物體內的沉默基因，以此作為研究之路而耕耘不輟，十幾年熱情不減。

偶被啟蒙，樹立人生理想

達爾文曾說過：“我之所以能在科學上成功，最重要的一點就是對科學的熱愛，堅持長期探索。”這一特質，在劉莉身上得到了很好的驗證。

高中時期，劉莉就讀于華中師范大學第一附屬中學，學校開放自由、兼容并包的氛圍讓學生有很多機會去武漢市的各個高校進行交流、學習。一次偶然的機會，劉莉來到了華中農業大學聽到了我國作物遺傳育種和植物分子生物學家張啟發院士的一個報告，當時張院士提到：水稻利用遺傳工程來改良，可以很好地提升產量，使其抗逆性增強，以此提升它們吸收肥料的能力。原本只是對生物學有淺顯了解的劉莉，在那次報告中第一次感受到了分子生物學、分子遺傳學研究的價值與趣味所在，而這場令劉莉頗為震撼的報告便成了她科研道路的啟蒙，使她在進行大學專業選擇時毫不猶豫選擇了生物系，通過在作物遺傳改良國家重點實驗室轉化組林擁軍教授團隊多年的研究歷練，劉莉于2008年獲得了華中農業大學遺傳學博士學位。

科研無止境，劉莉直言自己在博士時期才摸到做科研的門檻。博士畢業后，為了能夠學習到研究領域更前沿的知識，她毅然踏上了國外留學之路，來到了美國加利福尼亞州立大學戴維斯分校進行博士后研究，在植物科學系遺傳學教授Eduardo Blumwald的團隊進行“利用干旱和衰老雙重誘導啟動子構建抗旱性極強的轉基因煙草和水稻，解析其極端抗旱的分子調控機制”的研究。在這之后，劉莉又來到了植物生物學系著名的葉綠體蛋白質功能研究者Steven Theg教授的團隊進行“揭示葉綠體基質伴侶蛋白的功能”和“分析光合作用過程中葉綠體的質子動力”的研究，在這一階段，她將主要精力放在做葉綠體實驗上，以解析其在抵抗非生物逆境、植物生長發育調控的作用，并通過研究發現葉綠體中有一類伴侶蛋白Hsp70，可以幫助細胞膜穩定，幫助葉綠體蛋白轉運，而這一方向研究也成為劉莉目前科研方向的重點。

從2008年9月到2014年4月，劉莉在美國度過了自己整個職業生涯的重要時期，6年的磨礪與淬煉也給劉莉今后的科研歷程打下了堅實的基礎。

寄情于植，回國致研開拓前行

無論在哪里從事研究工作，理想和目標都是相同的，只有堅持，才可以走得長遠。在劉莉看來，現在的中國不僅在實驗室硬件條件上有了大幅度提升，同時也給了科學家們更大的舞臺去施展抱負，帶著這份期盼，她于2014年正式進入中科院昆明植物所資源植物與生物技術重點實驗室擔任課題組長，并于2015年獲得“百人計劃”支持，基于在美國的研究基礎，主要從事小立碗蘚等植物耐旱和抗鹽性狀形成的適應性進化機制和葉綠體在抗逆反應中的作用機制研究。

在劉莉的講述下，記者了解到：苔蘚是最早登陸的綠色高等植物，在植物的進化樹上處于一個非常特殊的位置，它既有水生藻類旺盛的繁殖再生能力，又進化出高等植物適應陸地生存的抗逆反應機制，能經歷長期干旱而迅速恢復再生。尤其是高原極端環境下生長的苔蘚，因抵御逆境的能力非常強大，對于揭示植物抗逆性形成機制和進化意義非常有價值。

長期以來的研究發現：蛋白質跨膜需要多種伴侶蛋白的參與，但是其具體運行機制仍然存在爭議。在之前的研究中，劉莉首次發現了定位于葉綠體基質的伴侶蛋白Hsp70在跨生物膜過程中是能量提供的主導馬達蛋白，因其創新性進展引起國際上多個領域專家的關注。自2014年春季，她在中科院昆明植物所開展獨立研究后，劉莉便領導團隊對小立碗蘚中的Hsp70的分子進化、信號轉導調控和轉運蛋白復合體工作機制等方面做了一系列研究，并取得了諸多原創性科研成果。

經過研究探索，他們發現超量表達的Hsp70的轉基因植株抗旱能力增強。經過干旱處理后的小立碗蘚葉綠體膜結構完整，復水時在10分鐘內恢復光合速率，實際上得益于Hsp70蛋白激活共表達網絡成員參與葉綠體和細胞核之間的細胞器信號交流和反饋互作。這一發現，加深了我們對半自主細胞器適應環境過程中如何維持自身穩定性的認識。此外，劉莉還首次開發了定位于葉綠體類囊體的熒光探針，且目前已經成功建立了監測質子動力勢的共聚焦顯微鏡成像體系和熒光光度計體系。這一研究成果為基因工程改造水稻等農作物、提高光合效率及產量奠定了扎實的理論基礎，研究成果在2015年國際光合會議上展出后立即受到同行專家的高度關注，以此為基礎與美國加州大學伯克利分校等多所著名大學建立了良好的合作。

針對植物基因組原位遺傳操作技術這一植物分子遺傳學研究的難點和瓶頸，劉莉課題組還建立了穩定、可靠、高效的苔蘚轉基因方法。目前，他們已克隆苔蘚抗逆相關基因、誘導啟動子30余個，申請專利13個，是相關研究領域獲授權和進入實審的發明專利、擁有自主知識產權最多的團隊。針對苔蘚基因組特點，他們還構建了苔蘚植物中第一例高效多靶標基因組編輯技術，目前已與中國科學院植物研究所、武漢大學等多家單位建立良好合作，為解析陸生起源基因家族的功能進化奠定了基礎。

2018年劉莉課題組合影

砥礪前行，破解科研未解之謎

獨行雖快，眾行致遠。劉莉今天取得的成就離不開團隊支持與協作。在10人左右的研究團隊中，每位成員都有自己擅長的科研方向，作為團隊的領頭人，多年來劉莉與成員們彼此尊重，共同學習、成長，步步前行中留下的是與這些志同道合的同事們揮灑青春的歲月。

對于未來的研究之路，劉莉仍保持著那份最初的赤誠，她直言：在逐漸深入研究中，就會發現研究領域內的未解之謎仍有很多。“我們可以把遺傳改良研究比喻成一盤美味的番茄炒蛋，而我們現在仍在停留在找雞蛋和番茄的過程中，而在找到了雞蛋和番茄之后，我們還要判斷哪個雞蛋和番茄是合適的、好吃的，所以這個事情可以做一輩子。”劉莉說。未來，她還將和團隊成員們聚焦于葉綠體蛋白逆境適應作用研究，為解析新基因促進生物譜系特異性形成提供理論和實驗基礎，為進一步利用新基因及互作系統進行遺傳改良提供科學依據。

在關系到人類賴以生存的自然環境方面，劉莉團隊也在做著長久的努力。最近幾年在參加相關國際會議與領域交流時，劉莉發現許多從事生態學研究的人都對植物很感興趣，未來她希望利用目前團隊中所搜集到的具有耐高溫、耐污染抗旱等特性的特色苔蘚資源，結合自己團隊目前研發的技術和生態學研究的科學家合作來為生態修復做一些事情。

獨我情懷寄樹草，劉莉還將領導團隊繼續發掘、攻克科研中的未知……