林辰濤：調(diào)控植物花期的“節(jié)奏大師”

本刊記者|武圣俊

林辰濤：調(diào)控植物花期的“節(jié)奏大師”

本刊記者|武圣俊

導(dǎo)語“你知道嗎，做著自己喜歡的事，又能體現(xiàn)自身的價值，讓自己的研究對社會，對國家都有價值這讓我感到很幸福，別看我來回奔波，但是我覺得這就是我理想中的生活方式”，林辰濤如是說。

植物根植于土壤，看似與其他生物毫無溝通，但是植物學(xué)家們卻與植物長年溝通、對植物的各種“開關(guān)”了如指掌。福建農(nóng)林大學(xué)特聘教授林辰濤便是這樣一位研究植物光受體、光反應(yīng)、與花期“開關(guān)”的科學(xué)家。

今年林辰濤領(lǐng)導(dǎo)的福建農(nóng)林大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在植物光受體研究領(lǐng)域取得了重大的突破，10月20日，該團(tuán)隊(duì)以第一完成單位在世界頂級學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表了標(biāo)題為“擬南芥隱花色素2的光激活與失活機(jī)制”的研究論文，在論文中首次解析了植物藍(lán)受光體蛋白原初光反應(yīng)。這一研究成果受到了中、美、英、日、韓各國媒體的報(bào)道，也標(biāo)志著福建農(nóng)林大學(xué)在隱花色素方面領(lǐng)跑國際光受體蛋白研究領(lǐng)域。

林辰濤團(tuán)隊(duì)的研究為將來提高農(nóng)林作物光合作用效率，精準(zhǔn)調(diào)控農(nóng)林作物花期等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)利用提供了重要的理論基礎(chǔ)，對全球農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

你知道什么是世界上最大的太陽能電池嗎

雖然，隱花色素最早在植物里被發(fā)現(xiàn)，但是，從細(xì)菌到真菌，從植物到動物，隱花色素這一古老的光受體存在于地球上已知的大部分生物中，并在不同的生物體內(nèi)起著不同的作用。隱花色素是我們目前已知的最古老的光受體之一。

談到研究光受體初衷的時候，林辰濤問記者：“你知道世界上最大的太陽能電池是什么嗎？”感覺到記者的茫然后，林辰濤微笑道：“大家都知道太陽是地球幾乎所有能量的終極來源，光影響著地球上所有的生物?，F(xiàn)在人類爭相開發(fā)使用太陽能，中國已經(jīng)是目前世界上最大的太陽能電池面板制造國。但是我要說，植物才是世界上最大的太陽能電池。我們維持生命的能量都是來源于植物，而植物收獲的能量都來自于太陽，所以植物才是世界上最大的太陽能工廠。植物是如何轉(zhuǎn)換太陽能量的呢？植物這座太陽能工廠里的流水線是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的呢？探索植物與光的一切聯(lián)系就是我從事光受體領(lǐng)域研究的初衷?！?/p>

植物有兩套光受體，除了需要一套負(fù)責(zé)收集太陽能量以供光合作用的光受體之外，還有一套負(fù)責(zé)感知與傳遞光信號的光受體以控制光合作用、并且調(diào)節(jié)植物生長的各個過程。也就是說自然界需要這樣一套專門負(fù)責(zé)光信號傳遞的光受體來“告訴”植物，如何才能更有效地收集太陽能或提供光“營養(yǎng)”。為了提高植物的光合作用效率以提高農(nóng)作物產(chǎn)量，人們首先要搞清楚負(fù)責(zé)感知與傳遞光信號的光受體到底是什么以及它們?nèi)绾喂ぷ鬟@兩個基本問題。

科學(xué)家們早已知道在植物中有至少兩類負(fù)責(zé)感知和傳遞光信號的光受體，其中一類是稱之為光敏色素的紅光受體，另一類是稱之為隱花色素的藍(lán)光受體。光敏色素光受體蛋白早已被分離純化，但是神秘的隱花色素卻困擾了人們多年。

1992年，林辰濤剛從美國密執(zhí)根州立大學(xué)博士畢業(yè)，他得知賓夕法尼亞大學(xué)Anthony Cashmore教授利用遺傳學(xué)的方法在植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一個疑似藍(lán)受光體的基因（后來稱之為隱花色素1或CRY1），而當(dāng)時這一重大發(fā)現(xiàn)尚需在蛋白質(zhì)生物化學(xué)上加以證實(shí)。為了證明隱花色素1（CRY1）是否能特異性地吸收藍(lán)光，是否確實(shí)是藍(lán)受光體，林辰濤選擇了去費(fèi)城Anthony Cashmore的實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究。他在用生物化學(xué)的方法純化了隱花色素1之后，發(fā)現(xiàn)該蛋白質(zhì)只能吸收藍(lán)光而不吸收包括紅光在內(nèi)的其它可見光譜，并在吸收了藍(lán)色光子之后會改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)并獲得新的生物物理學(xué)特征與新的生物化學(xué)活性。林辰濤的這些結(jié)果證實(shí)了隱花色素1的確是一個藍(lán)光受體。這一研究成果解決了藍(lán)光受體研究領(lǐng)域長期以來的一個基本問題，并于1995年發(fā)表在世界頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。長江后浪推前浪，二十年后林辰濤帶領(lǐng)的福建農(nóng)林大學(xué)團(tuán)隊(duì)終于發(fā)現(xiàn)了植物隱花色素的原初光反應(yīng)，并再次登上了《科學(xué)》雜志。

隱花色素領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究對未來農(nóng)業(yè)意味著什么

林辰濤與他的同事們在隱花色素領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究對未來農(nóng)業(yè)領(lǐng)域會有什么樣的影響呢？為什么人們認(rèn)為有關(guān)隱花色素原初光反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)會為未來提高農(nóng)林作物光合作用效率，精準(zhǔn)調(diào)控農(nóng)林作物花期等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)利用提供必要的理論基礎(chǔ)呢？林辰濤解釋道，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中如果我們要培育一個具有高產(chǎn)、高質(zhì)量、環(huán)保、無公害、適合大面積推廣等優(yōu)點(diǎn)的品種，就必需要明白農(nóng)作物中幾萬個基因的工作原理、每個基因的特性、以及不同基因之間的相互作用原理。林辰濤形象地把現(xiàn)代農(nóng)作物優(yōu)良品種的培育比作汽車制造。只有明白汽車上每一個零件的作用和工作原理以及不同零件之間的相互作用原理才能生產(chǎn)出一部好汽車。這也就是為什么近年來我國政府大力提倡基礎(chǔ)科學(xué)研究的道理。

林辰濤進(jìn)一步解釋道，光除了影響農(nóng)作物光合作用之外還影響農(nóng)作物生長發(fā)育的所有重要環(huán)節(jié)。例如不同地區(qū)由于緯度不同導(dǎo)致光周期不同，也就是在不同季節(jié)的日照時間不同，而日照時間的差異影響著農(nóng)作物開花的時間，所以受地域的限制很多好的品種無法在其他地區(qū)得到推廣。大豆就是最好的例子，因?yàn)榇蠖箤庵芷诜浅５拿舾?，而隱花色素又決定著大豆在不同光周期下的開花時間。了解隱花色素如何控制光周期反應(yīng)的原理將幫助人們更有效地培育不受地域限制的大豆廣適品種。另一個例子是種植密度對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響。密植是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的一個方法。但是種植密度增大降低了每株植物平均所獲得的紅光與藍(lán)光,而由紅光或藍(lán)光受體所誘導(dǎo)的植物避蔭反應(yīng)則往往降低農(nóng)作物的單株產(chǎn)量。因此了解光受體如何控制避蔭反應(yīng)的工作機(jī)理則可以讓我們更好地培育耐密植的品種，以提高單位面積農(nóng)田的總收獲量。

在來到福建農(nóng)林大學(xué)之前，林辰濤曾經(jīng)在中國農(nóng)科院工作并建立了一個專注研究大豆隱花色素的實(shí)驗(yàn)室。通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，林辰濤帶領(lǐng)的在中國農(nóng)科院團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了大豆的隱花色素不但控制大豆的光周期反應(yīng)與開花時間，而且還影響著大豆的衰老過程。大豆結(jié)了豆子之后就會進(jìn)入衰老的過程，在衰老的過程中會把其他部分的營養(yǎng)都轉(zhuǎn)運(yùn)到豆子里去，所以衰老的過程也影響著大豆的產(chǎn)量和質(zhì)量。在他離開后，林辰濤當(dāng)年的一個優(yōu)秀學(xué)生劉斌研究員繼續(xù)帶領(lǐng)著這個實(shí)驗(yàn)室。有趣的是，劉斌帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)近來發(fā)現(xiàn)隱花色素也控制著大豆避蔭反應(yīng)。

調(diào)控植物的花期調(diào)控植物的花期不僅僅影響大豆等一年生農(nóng)作物的產(chǎn)量。人為調(diào)控植物的生長周期在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中可能還有許多目前未知的應(yīng)用。例如：竹子是我國南方的重要林作物。竹子一般需要到七八十年才能開花，所以培育新品種的竹子非常的困難。目前，林辰濤團(tuán)隊(duì)正在嘗試通過調(diào)節(jié)竹子的隱花色素以及其相關(guān)基因來縮短竹子的開花時間，從而加快竹子品種的改良，培育出更好的竹子。

在謹(jǐn)慎樂觀的態(tài)度中探索前行

謹(jǐn)慎樂觀，這是林辰濤對基礎(chǔ)科學(xué)研究成果在未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用前景的預(yù)期。林辰濤感嘆，生物體復(fù)雜多樣，想要完全了解植物中的每一個基因和它們在植物生長過程中不同的功能和各自的機(jī)制何其之難？想把所有的問題都一一搞明白這是研究基礎(chǔ)科學(xué)問題的科學(xué)家們的本能。盡管并不是解決了每一基礎(chǔ)科學(xué)問題都會立即帶來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的某一應(yīng)用成果,但不了解植物的基因與蛋白質(zhì)這些基礎(chǔ)科學(xué)問題的社會則不可能獲得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的突破。例如,決定植物花期的因素不止是隱花色素一個，要把植物里和隱花色素相互作用一同影響植物開花的因素都找到，才能準(zhǔn)確無誤的調(diào)控植物的花期和衰老的過程。林辰濤堅(jiān)信，隱花色素以及其它植物光受體的基礎(chǔ)研究一定會對人類的下一輪農(nóng)業(yè)技術(shù)革命做出貢獻(xiàn)。

林辰濤帶領(lǐng)的福建農(nóng)林大學(xué)團(tuán)隊(duì)在研究隱花色素的過程中還獲得了一個“副產(chǎn)品”,他們的基礎(chǔ)科學(xué)研究提高了整個團(tuán)隊(duì)在蛋白質(zhì)工程研究上的技術(shù)水平。而這一“副產(chǎn)品”現(xiàn)在已被更直接地用于服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。林辰濤舉了一個例子。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不僅包括傳統(tǒng)的農(nóng)作物生產(chǎn),還包括養(yǎng)殖業(yè)為人們提供肉蛋奶制品.養(yǎng)殖業(yè)使用的大量飼料往往含有各種酶制劑以幫助動物消化,而這些酶制劑的研發(fā)與生產(chǎn)十分依賴于蛋白質(zhì)工程的研究水平。比如植酸酶就是一類大部分飼料中都使用的酶制劑。磷是動物所需要的重要元素。但是飼料中的磷大都存在于植物的植酸這種化合物中而無法，養(yǎng)殖業(yè)的飼料大都是植物為原料，但是很多動物卻沒法通過消化植酸來獲得磷營養(yǎng)，所以飼料中會添加進(jìn)去無機(jī)磷。但是，無機(jī)磷成本高，而且動物無法完全消化，就被動物隨糞便排出體外，造成嚴(yán)重的水污染和土壤污染。而通過蛋白工程技術(shù)可以使植酸酶降解植酸內(nèi)的有機(jī)磷為無機(jī)磷，這樣就可以避免飼料里再添加無機(jī)磷，從而避免養(yǎng)殖業(yè)的環(huán)境污染問題。通過蛋白質(zhì)工程技術(shù)，研究出更好的能夠應(yīng)對更極端環(huán)境的植酸酶以及其它許多工農(nóng)業(yè)酶制劑正是林辰濤所帶領(lǐng)的福建農(nóng)林大學(xué)團(tuán)隊(duì)目前正在從事的另一項(xiàng)“副業(yè)”。

“做自己喜歡的事又體現(xiàn)出價值，是最幸福的”

“在云端”是林辰濤生活的真實(shí)寫照，這么多年林辰濤就是這樣在地球的兩端來回穿梭。林辰濤是美國加利福尼亞大學(xué)終身教授，也在福建農(nóng)林大學(xué)任教。忙碌的他不停地把自己在海外的研究成果，飛越山河大海帶回祖國。“你知道嗎，做著自己喜歡的事，又能體現(xiàn)自身的價值，讓自己的研究對社會，對國家都有價值這讓我感到很幸福，別看我來回奔波，但是我覺得這就是我理想中的生活方式?！绷殖綕腋５恼f道。

對于林辰濤來說，成功不僅是眼前自己在光受體領(lǐng)域取得的成果，還包括為中國培養(yǎng)青年科技人才，林辰濤認(rèn)為未來我國能在光受體領(lǐng)域的研究一直領(lǐng)跑才是自己的成功。未來國際光受體領(lǐng)軍人物不應(yīng)是他自己，而是國內(nèi)新生的科研力量，這是林辰濤所希望的。在培養(yǎng)學(xué)生的時候，林辰濤注重學(xué)生的發(fā)散思維，認(rèn)為興趣使然是從事領(lǐng)域的初始動力，也是科研獲得成果的重要因素。所以林辰濤經(jīng)常會給學(xué)生很多不同的課題，讓學(xué)生根據(jù)自己興趣挑選。

林辰濤和青年科技工作者在一起。

“中國農(nóng)業(yè)的崛起離不開地方農(nóng)林院校的崛起”

林辰濤在美國的實(shí)驗(yàn)室多年來培養(yǎng)了許多中國學(xué)生，這些學(xué)生中最優(yōu)秀者都在學(xué)有所成之后回國服務(wù)。長久以來，我國的科研資源，人才資源大都集中在北上廣等大城市的大學(xué)院所，地方院所的學(xué)生素質(zhì)略差。全國各地的好學(xué)生都跑去了北上廣或國外讀書。因此他早年的學(xué)生們回國之后也大都集中在北京上海等地工作。林辰濤認(rèn)為這是一個“先有雞還是先有蛋”的問題。他數(shù)年前回到老家參與福建農(nóng)林大學(xué)的“高水平大學(xué)”建設(shè)，也希望為解決這個問題做一點(diǎn)努力。

“福建農(nóng)林大學(xué)黨委書記葉輝玲，校長蘭思仁，以及主管科研與教學(xué)的副校長林文雄與王宗華在高水平大學(xué)建設(shè)中做了大量的工作，他們才是我們之所以能在科研上做出一些成果的無名英雄”林辰濤真誠的說道。相信通過福建農(nóng)林大學(xué)的和林辰濤與他的同事們的努力，在福建農(nóng)林大學(xué)取得這么多優(yōu)異的成果后，地方院校，特別是地方農(nóng)業(yè)院校將越來越受重視。

談到科研成功最大的助力，林辰濤表示，自己的成就都離不了黨和政府的支持。他認(rèn)為，鄧小平是對自己在科研的道路上影響最大的人，也是改變了包括林辰濤這一代人命運(yùn)的一代偉人?！耙?yàn)猷囆∑剑也庞袡C(jī)會上大學(xué)，才有機(jī)會到美國留學(xué)”，林辰濤激動的說道。今年，科技三會的召開更讓林辰濤打起了十二分的精神，正是國家把科技的位置擺正，對科學(xué)技術(shù)的萬分重視讓林辰濤感覺動力十足。多年來，林辰濤懷著對科研的熱情，在科研的道路上一步一個腳印，不斷取得碩果，在光受體領(lǐng)域做出了非凡的成就和巨大的影響?！霸谝院蟮目蒲械缆飞?，會繼續(xù)拼搏，不會放緩腳步”，林辰濤對記者表示。