曹樹青：搏殺在生物科技前沿

◎ 文/曹 莉

他是教授、博士、博士生導(dǎo)師，頭頂安徽省合肥工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)術(shù)委員會主任、生物科學(xué)系主任、《合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報》(自然科學(xué)版)編委頭銜。

他是耕耘在生物科學(xué)領(lǐng)域的知名專家，先后承擔(dān)過國家科學(xué)技術(shù)獎、國家自然科學(xué)基金委員會同行評議、教育部科技獎、教育部博士點及霍英東青年教師基金等多個評審任務(wù)。

他是專注科研事業(yè)的忠實探索者，攻破了多項生物科研難關(guān)，摘取到植物修復(fù)基因工程、食品生物技術(shù)、植物抗逆分子生物學(xué)等一枚枚飽含心血又引人注目的創(chuàng)新成果。

他叫曹樹青，他所從事的科學(xué)研究真如他的名字一樣，緊緊地與生命植物科學(xué)聯(lián)系在一起，為探究出生命植物的內(nèi)在特點和規(guī)律投入了常人難以想象的精力。他的科研，與其叫執(zhí)著不如稱之為搏殺。正是有了這種搏殺精神和行動，他在向生物科研深層次挺進時才不畏艱苦、砥礪前行，錘煉出在生物科技前沿挺立的精彩之身。

潛心科研,碩果芬芳——被主流媒體廣泛關(guān)注的最新成果

2018年6月26日，國際著名期刊Cell子刊《細胞報告》發(fā)表了合肥工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院曹樹青課題組與劉永勝課題組合作的研究論文“DFR1-mediated Inhibition of Proline Degradation Pathway Regulates Drought and Freezing Tolerance in Arabidopsis”。這一論文的發(fā)表，當(dāng)即引起了《科技日報》、科學(xué)網(wǎng)、《中國科學(xué)報》、中國科技網(wǎng)、光明網(wǎng)、中國新聞網(wǎng)等主流媒體的連鎖反應(yīng)，紛紛進行個性化報道和細致解讀。

筆者深入探究個中緣由得知，安徽省合肥工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院曹樹青教授課題組與劉永勝教授課題組合作，發(fā)現(xiàn)脯氨酸代謝平衡與植物抗逆應(yīng)答新機制，首次成功探明了功能性基因DFR1在植物面對惡劣環(huán)境時調(diào)節(jié)適應(yīng)能力的機制，為提升農(nóng)經(jīng)作物抗凍抗旱能力開辟了新的理論路徑。然而，這一關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)來之不易，真如我國現(xiàn)代著名作家冰心的詩句中描述的那樣：“成功的花兒，人們只驚羨她現(xiàn)時的明艷！然而當(dāng)初她的芽兒，浸透了奮斗的淚泉，灑遍了犧牲的血雨?！?/p>

曹教授和他的科研團隊為探明功能性基因DFR1在植物面對惡劣環(huán)境時調(diào)節(jié)適應(yīng)能力的機制，經(jīng)歷了成百上千次實驗，失敗了重來，再失敗再重新開始……一次次不厭其煩地克隆試驗該基因的功能，并在模式植物擬南芥中開展了系列研究，最終他們在研究中找到了DFR1通過調(diào)控植物細胞中重要的滲透壓調(diào)節(jié)劑脯氨酸的代謝平衡來調(diào)節(jié)植物對逆境應(yīng)答的新機制。

講起實驗經(jīng)過時，曹教授難以掩飾內(nèi)心的激動。他說，該研究首次發(fā)現(xiàn)并成功克隆了一個全新的未知功能 基 因 DFR1（Drought and Freezing Responsive 1），該基因編碼一個線粒體蛋白，通過調(diào)控脯氨酸的動態(tài)平衡實現(xiàn)對各種環(huán)境脅迫的應(yīng)答反應(yīng)。DFR1的表達受干旱和低溫的誘導(dǎo)。過量表達DFR1提高了擬南芥中脯氨酸的含量，同時提高了擬南芥對重度干旱和冷害的抗性；而在DFR1突變體中，脯氨酸含量降低，對干旱和冷害的抗性也隨之降低。在干旱和冷害脅迫條件下，DFR1蛋白與脯氨酸降解途徑上的兩個關(guān)鍵酶PDH和P5CDH均發(fā)生相互作用并顯著抑制這些酶的活性，從而阻斷整個脯氨酸降解途徑，使得逆境脅迫下脯氨酸的含量增加，進而增加植物對環(huán)境脅迫的耐受性。

這是一個有趣的實驗：將模式植物置于干旱或低溫環(huán)境后，DFR1基因的表達量立即急劇增加高達400倍，植物細胞中脯氨酸含量也隨之升高50倍，并在惡劣環(huán)境中一直維持在較高水平。在該基因的調(diào)控作用下，DFR1過量表達植物對惡劣環(huán)境的耐受性大幅提高，在持續(xù)18天重度干旱或12小時-8℃冷凍處理條件下，其植株存活率較野生型提升3至4倍。同時，在擬南芥脫離惡劣環(huán)境后的3至6小時內(nèi)，該基因表達量便急劇下降，導(dǎo)致PDH和P5CDH活性被快速釋放，從而加速脯氨酸的降解，并恢復(fù)在惡劣環(huán)境中造成的細胞生理機能損傷。從中可以看出，在正常條件下DFR1基因的表達量很低以維持脯氨酸的穩(wěn)態(tài)平衡；而在逆境脅迫條件下，DFR1基因的表達量急劇增加從而導(dǎo)致脯氨酸含量的升高和環(huán)境脅迫的耐受性的提高；在脅迫解除后，DFR1的表達量又急劇下降以釋放PDH和P5CDH活性從而加速脯氨酸的降解和逆境脅迫損傷的恢復(fù)。

實驗結(jié)果表明，DFR1基因不僅調(diào)控植物在重度脅迫下的存活率，也調(diào)控植物在中度脅迫下的生物量，而植物中脯氨酸這個嬌小玲瓏的調(diào)節(jié)劑十分的“嬌氣”，絕不能過多，過多積累會導(dǎo)致細胞生理機能受損，正常環(huán)境下模式植物擬南芥中該基因只有保持極低的表達量，才能維持脯氨酸的穩(wěn)態(tài)平衡，實現(xiàn)植物對各種環(huán)境脅迫的應(yīng)答反應(yīng)，使得其在未來的農(nóng)作物抗逆分子育種中具有極其重要的應(yīng)用前景；此外，該基因在植物中具有高度保守性，意味著該機制可能是植物長期適應(yīng)脅迫環(huán)境進化產(chǎn)生的抗逆應(yīng)答機制。

無涯學(xué)海,磅礴前行——科研實踐中不同凡響的“首次”

創(chuàng)新驅(qū)動是新時代的國策之一，面向科學(xué)前沿開展原始創(chuàng)新，已經(jīng)成為科學(xué)家們義不容辭的責(zé)任?？萍记把氐牟珰嶋H上就是一場充滿硝煙彌漫的戰(zhàn)斗，任何戰(zhàn)斗只有勝利者才能高高地揮揚著勝利的旗幟。而每一個科技前沿首次創(chuàng)新的成果，也都是科學(xué)家們像士兵一樣頑強搏殺的結(jié)果。

在曹教授多年的科研創(chuàng)新攻關(guān)實踐中創(chuàng)造了很多個“首次”，發(fā)現(xiàn)DFR1調(diào)控植物抗逆應(yīng)答新機制只是其中之一。首次揭示植物響應(yīng)重金屬鎘脅迫過程中新的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、首次克隆植物耐受重金屬毒害的關(guān)鍵基因并闡明其作用機理，等等，都是曹教授最具代表性的原創(chuàng)性研究成果。

說起植物響應(yīng)重金屬鎘脅迫過程中新的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路這一成果，曹教授是利用正向遺傳學(xué)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(yīng)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(dǎo)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(guān)基因協(xié)調(diào)表達，進而增加植物對鎘積累和耐受。該成果發(fā)現(xiàn)了MAN3及其介導(dǎo)的甘露糖的新功能，這一首次重要發(fā)現(xiàn)于2014年10月20日在線發(fā)表在國際植物學(xué)著名期刊《新植物學(xué)家》后，即刻引起新華社、中國新聞網(wǎng)、科學(xué)網(wǎng)、人民網(wǎng)、光明網(wǎng)、中央人民廣播電臺、新浪網(wǎng)等10多家中央級媒體的廣泛關(guān)注和報道，并榮獲“2014年度合肥工業(yè)大學(xué)十大新聞”，同時入選《科學(xué)中國人》雜志創(chuàng)新之路、《科技中國》雜志英才、《科技文摘報》當(dāng)代科技前沿、《科技成果管理與研究》當(dāng)代科學(xué)人、《今日中國》中國力量、《中國科技網(wǎng)》科技追夢人、《科技日報》“兩會”聚焦、《創(chuàng)新時代》重點推薦等期刊欄目，錄入《引領(lǐng)中國的時代驕子》《領(lǐng)軍人才與創(chuàng)新發(fā)展》《創(chuàng)新成果與卓越人物》《中國創(chuàng)新夢》等大型文獻。他研究的植物修復(fù)基因工程及食品生物技術(shù)不僅有助于揭示植物耐受重金屬毒害的分子機理，而且可為利用植物修復(fù)技術(shù)治理土壤中重金屬污染提供新的基因資源并為從源頭上控制農(nóng)產(chǎn)品食品安全提供新的技術(shù)途徑。

據(jù)了解，曹教授近年來主要從事植物修復(fù)基因工程、食品生物技術(shù)、植物抗逆分子生物學(xué)等方面研究，利用正向和反向遺傳學(xué)途徑，篩選鑒定了多個與非生物脅迫相關(guān)的功能基因，包括DFR1、ZAT6、MAN3等，并闡明了這些基因參與非生物脅迫響應(yīng)調(diào)節(jié)的可能機理。先后在國內(nèi)外權(quán)威和核心刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，其中在國際知名學(xué)術(shù)期刊Cell Reports、New Phytologist、Plant Physiology、Nature Communications、Plant, Cell &Environment、Journal of Experimental Botany等上發(fā)表SCI收錄的論文30余篇，參與撰寫973專著1部，有16項成果獲得授權(quán)（或申請）國家發(fā)明專利，還獲得2017年中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎、安徽省科技進步獎二等獎、同澤優(yōu)秀園丁獎等獎項。