探索神奇的生物世界
——記合肥工業(yè)大學生物科學系教授曹樹青

本刊記者　宋 潔

探索神奇的生物世界
——記合肥工業(yè)大學生物科學系教授曹樹青

本刊記者宋 潔

專家簡介：

曹樹青，2001年7月獲南京農(nóng)業(yè)大學博士學位。2001年8月至2003年7月在復旦大學生命科學學院從事博士后研究。2011年9月至12月在美國普渡大學從事訪學研究?，F(xiàn)任合肥工業(yè)大學生物與食品工程學院生物科學系主任、教授、博士生導師。先后主持包括國家自然科學基金面上項目、國家重大科技專項子課題等在內(nèi)的國家級和省部級以及企業(yè)委托等課題20余項，指導國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目2項和校級大學生創(chuàng)新項目7項，主持校級精品課程及研究生教改項目各1項，參與省部級教改項目3項。

作為課題組的負責人，曹樹青在本領域研究較深。他先后在國內(nèi)外權威和核心刊物上發(fā)表學術論文80余篇，其中在國際知名學術期刊New Phytologist、 Nature Communications、Planta、PLOS ONE、Molecular Genetics and Genomics、Pant and Soil、Plant Physiology and Biochemistry、Physiologia Plantarum等上發(fā)表SCI收錄的論文30余篇。除了這些重要論文，曹樹青還獲授權或申請國家發(fā)明專利14項，參與撰寫“973”專著1部。

土壤重金屬污染是全球面臨的重要環(huán)境問題之一，因為土壤污染的重金屬可通過農(nóng)作物而進入食物，嚴重影響食品安全和人類健康。為解決這一問題，科學家采取了很多措施，植物修復基因工程便是解決土壤重金屬污染的重要途徑之一。

其原理是利用綠色植物來轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化污染物使其對環(huán)境無害。研究表明，通過植物的吸收、揮發(fā)、根濾、降解、穩(wěn)定等作用，可以凈化土壤或水體中的污染物，達到凈化環(huán)境的目的。而在其中，植物修復的對象是重金屬、有機物或放射性元素污染的土壤及水體。因而，植物修復基因工程是一種很有潛力、正在發(fā)展的清除環(huán)境污染的綠色技術。

經(jīng)過長年不懈的努力，合肥工業(yè)大學生物與食品工程學院生物科學系主任、曹樹青教授，帶領科研團隊首次揭示了植物響應重金屬鎘脅迫信號轉(zhuǎn)導的分子調(diào)控機制，為土壤重金屬污染植物修復基因工程提供了新的技術途徑和基因資源。2014年10月20日，這一成果在線發(fā)表在國際植物學知名學術期刊《新植物學家》上，并獲得第十三屆全國農(nóng)業(yè)生物化學與分子生物學學術研討會優(yōu)秀論文獎。

從源頭保障農(nóng)產(chǎn)品安全

尋找和發(fā)掘耐受重金屬毒害且調(diào)控重金屬超量積累的關鍵基因并闡明其作用機理卻不容易，但這卻是植物修復基因工程獲得成功并從源頭上控制農(nóng)產(chǎn)品食品安全的關鍵所在。

我國有近20%的耕地存在鎘、砷、汞、鉛、鎳、銅等重金屬超標，而土壤中重金屬可通過農(nóng)作物吸收進入食物鏈，嚴重影響食品安全并危及人類健康。曹樹青介紹說，通過物理和化學手段治理土壤重金屬污染非常困難，也容易造成二次污染。

曹樹青課題組的此次研究正是瞄準于此，主要通過正向和反向遺傳學途徑，篩選和克隆涉及植物重金屬超量積累（或降低重金屬吸收）的關鍵基因，并闡明其作用機理。該研究不僅有助于揭示植物耐受重金屬毒害的分子機理，而且可以為從源頭上控制農(nóng)產(chǎn)品安全提供新的技術途徑。

在得到了轉(zhuǎn)基因重大專項以及國家自然科學基金等項目資助下，曹樹青課題組利用正向遺傳學途徑篩選和鑒定了一個擬南芥耐鎘突變體xcd1-D，并克隆了其相應的基因MAN3，該基因編碼一個1，4-糖苷水解酶。過量表達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)出對鎘敏感。鎘脅迫誘導MAN3基因表達、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基因協(xié)調(diào)表達，進而增加植物對鎘積累和耐受。大量實驗表明，過量表達MAN3基因的擬南芥植株，在重金屬鎘污染的土壤中仍然保持正常生長狀態(tài)。

隨著研究的不斷深入，他們發(fā)現(xiàn)了MAN3及其介導的甘露糖的新功能，首次揭示了其在植物響應重金屬鎘脅迫過程中新的信號轉(zhuǎn)導通路，這為土壤重金屬污染植物修復基因工程提供了新的技術途徑和基因資源。成果自從在線發(fā)表在國際植物學知名學術期刊《新植物學家》后，獲得了業(yè)界廣泛矚目。

科研活動是一個連貫的對自然、社會規(guī)律的探索過程，因而一項科研需要堅持以保證其延續(xù)性。曹樹青表示，下一步，他打算深入挖掘植物響應重金屬鎘信號轉(zhuǎn)導的分子調(diào)控機制，對植物響應其他重金屬包括砷及鉛等的分子調(diào)控機制進一步研究，爭取將已獲得的研究成果產(chǎn)業(yè)化。

拓展科研的廣度

創(chuàng)新路上，中國科技正不斷向各種高度、深度和廣度延伸?！熬取奔仁强萍紕?chuàng)新的目標，也是丈量科技創(chuàng)新質(zhì)量的標尺，“廣度”則涵蓋了科學研究領域的方方面面。嚴格意義上，曹樹青的視野在生物科學，除了從事植物修復基因工程、植物抗逆分子生物學及食品生物技術等方面研究，他的科研視野也落在利用正向和反向遺傳學途徑上，他篩選鑒定多個與非生物脅迫相關的功能基因，初步闡明這些基因參與非生物脅迫響應調(diào)節(jié)的可能機理。

為什么會選擇這方面的研究？緣于他對糧食安全的擔憂。糧食安全是國家安全的物資基礎，始終是關系到國計民生和國家安危的重要問題。在他看來，如何增強作物品種的抗逆性，還依然是目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上亟待解決的關鍵問題之一。在解決這個問題方面，利用轉(zhuǎn)基因育種提高作物的耐寒和抗旱能力無疑具有重要的理論與經(jīng)濟意義。這項工作的關鍵在于對植物抗逆分子機理的認識及關鍵基因的發(fā)掘。

通過長期的鉆研，曹樹青探索出了一條比較有效的科研方法。他以模式植物擬南芥為材料，通過正向和反向遺傳學途徑，利用現(xiàn)代分子生物學技術和基因工程手段，篩選和克隆抗逆關鍵基因，闡明其功能，并用于作物抗逆分子遺傳改良。這一研究可獲得具有自主知識產(chǎn)權的新基因，不僅可以為作物抗逆遺傳改良提供新的基因資源，而且對于揭示植物抗逆分子機理具有重要的理論意義。

科研育人，并行不悖

曹樹青是一個忙碌的人，平時除了做科研，還在合肥工業(yè)大學作為教授、博士生導師帶學生。在他的指導下，先后培養(yǎng)碩士和博士生30余人，一些學生已先后在國內(nèi)外知名大學從事博士后研究和攻讀博士學位。他指導過的優(yōu)秀學生和研究團隊更是不計其數(shù)。

除此，他還承擔了多項兼職：擔任國家科學技術獎評審專家、國家自然科學基金委員會同行評議專家、教育部科技獎評審專家、教育部博士點及霍英東青年教師基金評審專家、《環(huán)境科學與技術》編委、《合肥工業(yè)大學學報》（自然科學版）編委、安徽省食品安全標準委員會委及合肥工業(yè)大學學術委員會委員等。

科研領域的探索是一條新奇與艱辛交織的道路。20多年來，他關注過水稻葉片衰老的機理及其與光合功能衰退的關系、水稻超高產(chǎn)的生理遺傳基礎、水稻高光效生理育種研究、植物修復基因工程、植物抗逆關鍵基因克隆及其在農(nóng)業(yè)上應用、水稻功能基因安全利用與技術平臺研究，也曾帶領團隊克隆和發(fā)掘了多個新的涉及重金屬信號轉(zhuǎn)導的功能基因。如今，這些領域已取得一些重要進展，但曹樹青的科研，正沿著深度、廣度兩條路徑，不斷深入，而他的夢想——“為最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化利用提供新的技術途徑和基因資源”，也在步步實現(xiàn)?？?/p>