喚醒植物體內(nèi)的沉默基因
——記中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所研究員劉莉

□ 王德通

劉莉

近百年來(lái)，地球氣候經(jīng)歷了一次以全球變暖為主要特征的顯著變化，并在近年來(lái)愈演愈烈。2018年，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)發(fā)布了《IPCC全球升溫1.5℃特別報(bào)告》再一次為全人類(lèi)敲響了警鐘：一旦全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高1.5℃甚至是2℃，那么將會(huì)為地球、人類(lèi)以及動(dòng)植物帶來(lái)不可挽回的影響。

尤其對(duì)植物而言，它的生長(zhǎng)需要的自然環(huán)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(duì)植物的危害尤為嚴(yán)重。“植物不像動(dòng)物一樣可以躲避、逃跑，它們自身在適應(yīng)環(huán)境的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生某種機(jī)制并會(huì)將這種機(jī)制傳遞給它的子代，讓其世世代代更好地存活下去。”中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)“中科院昆明植物所”）研究員劉莉說(shuō)。多年來(lái)，她所領(lǐng)導(dǎo)的課題組就將研究的關(guān)注點(diǎn)放在了葉綠體蛋白的生物學(xué)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(zhǎng)發(fā)育調(diào)控（抗衰老和增強(qiáng)光合速率）的作用，運(yùn)用多種遺傳工程方法創(chuàng)建改良植物抗逆性體系，激活植物體內(nèi)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(shù)立人生理想

達(dá)爾文曾說(shuō)過(guò)：“我之所以能在科學(xué)上成功，最重要的一點(diǎn)就是對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)，堅(jiān)持長(zhǎng)期探索?！边@一特質(zhì)，在劉莉身上得到了很好的驗(yàn)證。

高中時(shí)期，劉莉就讀于華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué)，學(xué)校開(kāi)放自由、兼容并包的氛圍讓學(xué)生有很多機(jī)會(huì)去武漢市的各個(gè)高校進(jìn)行交流、學(xué)習(xí)。一次偶然的機(jī)會(huì)，劉莉來(lái)到了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)聽(tīng)到了我國(guó)作物遺傳育種和植物分子生物學(xué)家張啟發(fā)院士的一個(gè)報(bào)告，當(dāng)時(shí)張?jiān)菏刻岬剑核纠眠z傳工程來(lái)改良，可以很好地提升產(chǎn)量，使其抗逆性增強(qiáng)，以此提升它們吸收肥料的能力。原本只是對(duì)生物學(xué)有淺顯了解的劉莉，在那次報(bào)告中第一次感受到了分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)研究的價(jià)值與趣味所在，而這場(chǎng)令劉莉頗為震撼的報(bào)告便成了她科研道路的啟蒙，使她在進(jìn)行大學(xué)專(zhuān)業(yè)選擇時(shí)毫不猶豫選擇了生物系，通過(guò)在作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化組林擁軍教授團(tuán)隊(duì)多年的研究歷練，劉莉于2008年獲得了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)博士學(xué)位。

科研無(wú)止境，劉莉直言自己在博士時(shí)期才摸到做科研的門(mén)檻。博士畢業(yè)后，為了能夠?qū)W習(xí)到研究領(lǐng)域更前沿的知識(shí)，她毅然踏上了國(guó)外留學(xué)之路，來(lái)到了美國(guó)加利福尼亞州立大學(xué)戴維斯分校進(jìn)行博士后研究，在植物科學(xué)系遺傳學(xué)教授Eduardo Blumwald的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行“利用干旱和衰老雙重誘導(dǎo)啟動(dòng)子構(gòu)建抗旱性極強(qiáng)的轉(zhuǎn)基因煙草和水稻，解析其極端抗旱的分子調(diào)控機(jī)制”的研究。在這之后，劉莉又來(lái)到了植物生物學(xué)系著名的葉綠體蛋白質(zhì)功能研究者Steven Theg教授的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行“揭示葉綠體基質(zhì)伴侶蛋白的功能”和“分析光合作用過(guò)程中葉綠體的質(zhì)子動(dòng)力”的研究，在這一階段，她將主要精力放在做葉綠體實(shí)驗(yàn)上，以解析其在抵抗非生物逆境、植物生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控的作用，并通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)葉綠體中有一類(lèi)伴侶蛋白Hsp70，可以幫助細(xì)胞膜穩(wěn)定，幫助葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)，而這一方向研究也成為劉莉目前科研方向的重點(diǎn)。

從2008年9月到2014年4月，劉莉在美國(guó)度過(guò)了自己整個(gè)職業(yè)生涯的重要時(shí)期，6年的磨礪與淬煉也給劉莉今后的科研歷程打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

寄情于植，回國(guó)致研開(kāi)拓前行

無(wú)論在哪里從事研究工作，理想和目標(biāo)都是相同的，只有堅(jiān)持，才可以走得長(zhǎng)遠(yuǎn)。在劉莉看來(lái)，現(xiàn)在的中國(guó)不僅在實(shí)驗(yàn)室硬件條件上有了大幅度提升，同時(shí)也給了科學(xué)家們更大的舞臺(tái)去施展抱負(fù)，帶著這份期盼，她于2014年正式進(jìn)入中科院昆明植物所資源植物與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任課題組長(zhǎng)，并于2015年獲得“百人計(jì)劃”支持，基于在美國(guó)的研究基礎(chǔ)，主要從事小立碗蘚等植物耐旱和抗鹽性狀形成的適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制和葉綠體在抗逆反應(yīng)中的作用機(jī)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(jìn)化樹(shù)上處于一個(gè)非常特殊的位置，它既有水生藻類(lèi)旺盛的繁殖再生能力，又進(jìn)化出高等植物適應(yīng)陸地生存的抗逆反應(yīng)機(jī)制，能經(jīng)歷長(zhǎng)期干旱而迅速恢復(fù)再生。尤其是高原極端環(huán)境下生長(zhǎng)的苔蘚，因抵御逆境的能力非常強(qiáng)大，對(duì)于揭示植物抗逆性形成機(jī)制和進(jìn)化意義非常有價(jià)值。

長(zhǎng)期以來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)：蛋白質(zhì)跨膜需要多種伴侶蛋白的參與，但是其具體運(yùn)行機(jī)制仍然存在爭(zhēng)議。在之前的研究中，劉莉首次發(fā)現(xiàn)了定位于葉綠體基質(zhì)的伴侶蛋白Hsp70在跨生物膜過(guò)程中是能量提供的主導(dǎo)馬達(dá)蛋白，因其創(chuàng)新性進(jìn)展引起國(guó)際上多個(gè)領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注。自2014年春季，她在中科院昆明植物所開(kāi)展獨(dú)立研究后，劉莉便領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)對(duì)小立碗蘚中的Hsp70的分子進(jìn)化、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白復(fù)合體工作機(jī)制等方面做了一系列研究，并取得了諸多原創(chuàng)性科研成果。

經(jīng)過(guò)研究探索，他們發(fā)現(xiàn)超量表達(dá)的Hsp70的轉(zhuǎn)基因植株抗旱能力增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)干旱處理后的小立碗蘚葉綠體膜結(jié)構(gòu)完整，復(fù)水時(shí)在10分鐘內(nèi)恢復(fù)光合速率，實(shí)際上得益于Hsp70蛋白激活共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)成員參與葉綠體和細(xì)胞核之間的細(xì)胞器信號(hào)交流和反饋互作。這一發(fā)現(xiàn)，加深了我們對(duì)半自主細(xì)胞器適應(yīng)環(huán)境過(guò)程中如何維持自身穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)。此外，劉莉還首次開(kāi)發(fā)了定位于葉綠體類(lèi)囊體的熒光探針，且目前已經(jīng)成功建立了監(jiān)測(cè)質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)的共聚焦顯微鏡成像體系和熒光光度計(jì)體系。這一研究成果為基因工程改造水稻等農(nóng)作物、提高光合效率及產(chǎn)量奠定了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，研究成果在2015年國(guó)際光合會(huì)議上展出后立即受到同行專(zhuān)家的高度關(guān)注，以此為基礎(chǔ)與美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校等多所著名大學(xué)建立了良好的合作。

針對(duì)植物基因組原位遺傳操作技術(shù)這一植物分子遺傳學(xué)研究的難點(diǎn)和瓶頸，劉莉課題組還建立了穩(wěn)定、可靠、高效的苔蘚轉(zhuǎn)基因方法。目前，他們已克隆苔蘚抗逆相關(guān)基因、誘導(dǎo)啟動(dòng)子30余個(gè)，申請(qǐng)專(zhuān)利13個(gè)，是相關(guān)研究領(lǐng)域獲授權(quán)和進(jìn)入實(shí)審的發(fā)明專(zhuān)利、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)最多的團(tuán)隊(duì)。針對(duì)苔蘚基因組特點(diǎn)，他們還構(gòu)建了苔蘚植物中第一例高效多靶標(biāo)基因組編輯技術(shù)，目前已與中國(guó)科學(xué)院植物研究所、武漢大學(xué)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(jìn)化奠定了基礎(chǔ)。

2018年劉莉課題組合影

砥礪前行，破解科研未解之謎

獨(dú)行雖快，眾行致遠(yuǎn)。劉莉今天取得的成就離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)支持與協(xié)作。在10人左右的研究團(tuán)隊(duì)中，每位成員都有自己擅長(zhǎng)的科研方向，作為團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)頭人，多年來(lái)劉莉與成員們彼此尊重，共同學(xué)習(xí)、成長(zhǎng)，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(duì)于未來(lái)的研究之路，劉莉仍保持著那份最初的赤誠(chéng)，她直言：在逐漸深入研究中，就會(huì)發(fā)現(xiàn)研究領(lǐng)域內(nèi)的未解之謎仍有很多?！拔覀兛梢园堰z傳改良研究比喻成一盤(pán)美味的番茄炒蛋，而我們現(xiàn)在仍在停留在找雞蛋和番茄的過(guò)程中，而在找到了雞蛋和番茄之后，我們還要判斷哪個(gè)雞蛋和番茄是合適的、好吃的，所以這個(gè)事情可以做一輩子?！眲⒗蛘f(shuō)。未來(lái)，她還將和團(tuán)隊(duì)成員們聚焦于葉綠體蛋白逆境適應(yīng)作用研究，為解析新基因促進(jìn)生物譜系特異性形成提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為進(jìn)一步利用新基因及互作系統(tǒng)進(jìn)行遺傳改良提供科學(xué)依據(jù)。

在關(guān)系到人類(lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境方面，劉莉團(tuán)隊(duì)也在做著長(zhǎng)久的努力。最近幾年在參加相關(guān)國(guó)際會(huì)議與領(lǐng)域交流時(shí)，劉莉發(fā)現(xiàn)許多從事生態(tài)學(xué)研究的人都對(duì)植物很感興趣，未來(lái)她希望利用目前團(tuán)隊(duì)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(jié)合自己團(tuán)隊(duì)目前研發(fā)的技術(shù)和生態(tài)學(xué)研究的科學(xué)家合作來(lái)為生態(tài)修復(fù)做一些事情。

獨(dú)我情懷寄樹(shù)草，劉莉還將領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)發(fā)掘、攻克科研中的未知……