數(shù)載科研圖報國

倪海波

“民以食為天”，充足的糧食不僅是百姓生活所必需的條件，也是國家保持穩(wěn)定發(fā)展的必備因素，如果社會經(jīng)濟(jì)是一臺不斷向前運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器，那么糧食就是這臺機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所需要的基本能源。

然而，隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類日益加劇的活動使得地球環(huán)境遭受了極其嚴(yán)重的污染，并且對全球氣候變化造成了重大影響，同時也加劇了全球化的土壤鹽漬化程度，使得大量的農(nóng)作物生長面臨威脅，以至于最終導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，甚至生態(tài)植被退化的現(xiàn)象。數(shù)據(jù)表明，高鹽脅迫影響全球約7%的土地，特別是農(nóng)業(yè)用地。約30%的灌溉作物受到高鹽脅迫，這極大地危及我國糧食和生態(tài)安全，成為制約我國經(jīng)濟(jì)、社會進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。

多年來，深圳大學(xué)生命與海洋科學(xué)學(xué)院教授蔣中浩堅持致力于認(rèn)識和揭示植物如何感知及應(yīng)對外界鹽脅迫的原理，深入研究植物抵抗鹽脅迫并發(fā)現(xiàn)其抵抗機(jī)制。他說，如今，該研究方向不僅是國際植物學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，同時也是保障我國國際競爭力的關(guān)鍵科學(xué)領(lǐng)域，對國家的穩(wěn)定發(fā)展具有極其重要的戰(zhàn)略意義。因此，無論在科研過程中經(jīng)歷多少困難挑戰(zhàn)，他都不會放棄對這一領(lǐng)域的研究。

勇攀高峰

全球氣候變暖、臭氧層耗竭、酸雨、水資源條件惡化……在全球生態(tài)環(huán)境急劇變化的情況下，植物必須借助復(fù)雜的信號通路不斷做出相應(yīng)的調(diào)整以適應(yīng)環(huán)境變化。然而，植物是如何感受外界刺激的？在遭受外界刺激之后，植物又是如何對自身做出相應(yīng)調(diào)整以適應(yīng)環(huán)境變化的？長期以來，這一直是學(xué)術(shù)界難以攻克的難點(diǎn)，也是蔣中浩刻苦鉆研想要探索的奧秘。

但即使在該領(lǐng)域苦研多年，擁有豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，蔣中浩也不得不坦承，這條研究道路并不容易。

這一點(diǎn)，從他關(guān)于植物鈣信號的研究中便可見一斑。在真核生物的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中，外界環(huán)境的變化會被受體和鈣離子通道感知，傳遞鈣離子通過質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞或釋放細(xì)胞內(nèi)存儲的鈣離子，形成特定的鈣信號。當(dāng)植物遭遇鹽脅迫時，外界的鈣離子便會通過迄今仍然未被發(fā)現(xiàn)的鈣離子通道進(jìn)入細(xì)胞產(chǎn)生鈣信號。這種鈣信號導(dǎo)致植物根系細(xì)胞對鹽脅迫的適應(yīng)，以及隨后形成鈣離子波，長距離傳播并介導(dǎo)整個植株的適應(yīng)反應(yīng)。

然而，目前對于植物如何響應(yīng)高鹽脅迫有關(guān)的離子運(yùn)輸、信號傳導(dǎo)，以及代謝途徑被廣泛研究，但關(guān)于植物如何感受外界鹽脅迫，即植物如何將外界鹽脅迫信號轉(zhuǎn)化為內(nèi)部生物信號這一基本生命過程的研究卻相對匱乏。

對植物感受外界鹽脅迫具體反應(yīng)機(jī)制認(rèn)知的缺乏，必然導(dǎo)致在環(huán)境急劇變化的當(dāng)下，人類不能有效地利用該機(jī)制研發(fā)相應(yīng)措施，保障農(nóng)作物等植物的健康生長。圍繞這一重要問題，多年來，蔣中浩通過結(jié)合突變體篩選、鈣信號成像實(shí)驗(yàn)、離子特異性檢測、細(xì)胞表面電勢分析、脂質(zhì)組學(xué)研究等多種科研方法，開展了一系列原創(chuàng)性工作。經(jīng)過長期的潛心苦研之后，終于在2019年，蔣中浩在該領(lǐng)域取得了突破性成果。

一直以來，氯化鈉是引起植物鹽脅迫的主要原因。其離子毒性體現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)高濃度鈉離子與其他離子競爭參與生物反應(yīng)，而其通過擾亂離子平衡產(chǎn)生滲透脅迫從而對細(xì)胞功能具有負(fù)面影響。鹽感知是鹽出現(xiàn)后的起始事件，出現(xiàn)極快，而細(xì)胞質(zhì)鈣濃度增加又是可檢測的最早感受鹽環(huán)境脅迫的信號，它的發(fā)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于鹽脅迫誘導(dǎo)基因表達(dá)。在研究中，蔣中浩通過鈣成像技術(shù)，結(jié)合離子濃度的等滲分析研究，構(gòu)建了鹽誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)鈣濃度增加的檢測方法，首次通過鈣信號解決了植物是否能夠區(qū)分離子脅迫和滲透脅迫的重要科學(xué)問題，為研究植物如何感受高鹽脅迫奠定了基礎(chǔ)。

除此之外，蔣中浩還運(yùn)用鈣成像技術(shù)篩選并研究植物鹽離子感受突變體。與傳統(tǒng)的遺傳篩選需要達(dá)到穩(wěn)定期不同，鹽誘導(dǎo)下發(fā)生的細(xì)胞質(zhì)鈣濃度增加事件僅持續(xù)約50秒，而誘導(dǎo)后短時間發(fā)生的事件又是評定表型的重要指標(biāo)。因此，利用鹽誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)鈣濃度增加的遺傳分割方法是最有可能發(fā)現(xiàn)植物鹽環(huán)境感受分子機(jī)制的研究手段。蔣中浩通過捕捉鹽誘導(dǎo)下細(xì)胞質(zhì)中瞬時增加的鈣濃度，利用正向遺傳學(xué)篩選，獲得了一些細(xì)胞質(zhì)鈣濃度增加缺陷型突變體。通過分析這些突變體的鈣信號，蔣中浩發(fā)現(xiàn)植物對外界鹽脅迫下不同價態(tài)陽離子的感受機(jī)制可能不同;另外，當(dāng)植物根尖感受鹽脅迫時，會通過細(xì)胞質(zhì)膜上的鹽感受器向植物上部傳遞鈣信號波;除此之外，SOS信號途徑，即擬南芥高鹽環(huán)境下離子平衡與信號傳導(dǎo)體系，依賴于上游鹽環(huán)境感受器所產(chǎn)生的細(xì)胞內(nèi)鈣信號。

不只如此，蔣中浩還通過遺傳篩選獲得的一些高鹽脅迫下離子特異性誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)鈣濃度增加缺陷型突變體，鑒定到具有緊密相關(guān)性的一系列基因MOCAs。其中MOCA1可以將GlcA轉(zhuǎn)移到IPC，形成細(xì)胞質(zhì)膜外側(cè)的鞘脂——GIPC。GIPC可以感受到細(xì)胞外陽離子的變化，引起細(xì)胞外表面電勢變化，從而激活細(xì)胞質(zhì)膜上的鈣離子通道，導(dǎo)致胞內(nèi)鈣離子濃度增加，進(jìn)一步調(diào)節(jié)細(xì)胞生理生化活動以適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境。蔣中浩通過研究證明GIPC可以與鈉離子結(jié)合并參與鹽誘導(dǎo)的早期信號事件，以及持續(xù)地影響植物生長和發(fā)育。同時他還發(fā)現(xiàn)MOCA1形成的GIPC在植物中是作為離子感受器來行使功能的，而與動物的鹽感受離子通道不同，這種植物特異性的GIPC鞘脂是第一個被發(fā)現(xiàn)的非離子通道型鹽感受器?！斑@說明植物在進(jìn)化過程中，對應(yīng)對外界環(huán)境中水分和離子變化有著獨(dú)特的方法?！笔Y中浩說道。而他的這項(xiàng)研究也為研究植物感受鹽脅迫機(jī)制開辟了一條新道路。

一系列的成果對研究植物抗性生理，植物的環(huán)境感受機(jī)制，以及植物脂質(zhì)功能起到了積極推動作用，給學(xué)術(shù)界的發(fā)展帶來了新的推力。該成果還被國際著名學(xué)術(shù)雜志Nature作為封面推薦文章發(fā)表。文章甫一發(fā)表，便受到了學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注，被多位世界知名科學(xué)家推薦至著名學(xué)術(shù)論文數(shù)據(jù)庫Faculty Opinions收錄。

不僅如此，由于植物的鹽感受機(jī)制對闡明鹽環(huán)境適應(yīng)性性狀的分子調(diào)控基礎(chǔ)，以及闡析農(nóng)業(yè)生物生長發(fā)育的可塑性和對鹽脅迫的應(yīng)答機(jī)制具有重要意義，同時也對培育精準(zhǔn)抗鹽的農(nóng)作物有極其廣泛的應(yīng)用前景，該成果引起了國家科技部領(lǐng)導(dǎo)高度關(guān)注。王志剛部長和徐南平副部長對該研究項(xiàng)目管理及后續(xù)研究給予專門批示，并派蔣丹平副司長及相關(guān)專家組成的調(diào)研組來與項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行考察交流。對此，蔣中浩頗為欣慰地說道：“多年的艱辛研究終究沒有白費(fèi)，只要能夠?qū)ξ覈萍继貏e是農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展有所幫助，我就心滿意足了。”

追尋科研的價值

通過對植物如何感受鹽脅迫的研究，促進(jìn)農(nóng)作物等植物的健康生長，為保障國家糧食安全做出自己的貢獻(xiàn)，是蔣中浩一直以來的研究追求。但如果撥動時鐘，將時間推到20多年前，就會發(fā)現(xiàn)，彼時的他內(nèi)心雖亦有為社會服務(wù)之志，但尚沒有如今這般明確和成熟，推動他在這條路上走下去的更多只是對植物研究的濃厚興趣。

彼時，蔣中浩剛剛考入蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院攻讀本科學(xué)位。大一時，他走進(jìn)蘭州大學(xué)剛剛建成的實(shí)驗(yàn)樓，接觸并學(xué)習(xí)與植物相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，這一接觸，蔣中浩的眼睛就從植物上挪不開了。看似簡單的植物，它的內(nèi)部竟然有這么多的奧秘可以探索。實(shí)驗(yàn)做著做著，不光眼睛挪不開了，蔣中浩的心也被吸引住了。

到了研究生時期，蔣中浩受教于時任蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長安黎哲教授。安教授本著鼓勵學(xué)生自由探索的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題的能力，同時給學(xué)生足夠的空間將自己的想法轉(zhuǎn)化為實(shí)踐。這樣啟發(fā)式的教育方式，使得蔣中浩對植物內(nèi)部的探索欲望不斷加深，他說，自己后來很多關(guān)于植物的原創(chuàng)性研究，最初的想法和思路就是從那時候開始的。

后來，帶著對植物研究的熱愛和希望在這條研究之路上走得更遠(yuǎn)的想法，蔣中浩申請作為聯(lián)合培養(yǎng)博士生遠(yuǎn)赴美國杜克大學(xué)裴真明教授的實(shí)驗(yàn)室求學(xué)。年輕且驕傲的學(xué)子，為了能夠在自己喜歡的領(lǐng)域鉆研得更深，他幾乎每天從早到晚投入自己的實(shí)驗(yàn)之中。“那時候好像沒有什么別的事情可以讓人分心，除了做實(shí)驗(yàn)就是做實(shí)驗(yàn)?！笔Y中浩回憶道。在那段時間，蔣中浩在裴真明教授的指導(dǎo)下開始進(jìn)行植物如何感受鹽脅迫這一長期懸而未決的研究課題。同時，在研究過程中，蔣中浩也逐漸了解了研究植物關(guān)于鹽脅迫的感應(yīng)機(jī)制對農(nóng)作物成長的重要性。他想通過自己的研究，為祖國的農(nóng)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

2013年獲得博士學(xué)位后，蔣中浩先后前往杭州師范大學(xué)植物環(huán)境感受中心及深圳大學(xué)從事相關(guān)研究工作，中間還曾回到杜克大學(xué)擔(dān)任研究科學(xué)家。

研究上的勞累蔣中浩并不在意，生活上的難題也慢慢會解決，真正讓蔣中浩感受到研究艱難的是對于前景的未知。關(guān)于植物如何感受非生物脅迫，特別是植物如何感知外界鹽脅迫的問題屬于基礎(chǔ)研究的前沿領(lǐng)域，沒有太多前人的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒、很難在短時間內(nèi)獲得成果是該領(lǐng)域的研究特點(diǎn)。在研究的前五六年，蔣中浩一直沒有發(fā)表任何具有代表性的成果，那時候的他如同在迷霧中行走，心里不是沒有焦慮，卻始終看不到出口。“成果也不是不能發(fā)，只是想發(fā)一個更具有突破性的，但很多人并不能理解。”蔣中浩苦笑著回憶那段備受煎熬的時期。談起那段經(jīng)歷，蔣中浩特別感謝自己的父母和妻子，每次當(dāng)實(shí)驗(yàn)不順利的時候，他們都會鼓勵他說：“再堅持一下?！?/p>

直到2019年，蔣中浩終于撥開了迷霧，鑒定出植物對于鹽脅迫的感受器并闡明了其分子機(jī)制，在自己喜歡的領(lǐng)域做出了極具突破性的建樹。談及此，蔣中浩感慨道：“事實(shí)證明，無論過程有多難，對于自己一直從事的事業(yè)，只要咬緊牙關(guān)堅持住，總會有取得突破的那一天?！?/p>

任重而道遠(yuǎn)

20多年的鉆研路程走過，如今蔣中浩已經(jīng)從一個初入植物環(huán)境感受研究專業(yè)的新人，成為在該領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)的科研工作者。盡管已經(jīng)在植物的感受機(jī)制方面取得了突破性進(jìn)展，但蔣中浩很清楚，在氣候環(huán)境并沒有明顯好轉(zhuǎn)的今天，關(guān)于植物應(yīng)對鹽脅迫的研究還有很長的道路要走。

在之前的研究中，蔣中浩已經(jīng)在植物感受環(huán)境研究領(lǐng)域鑒定了植物鹽的感受器，但植物細(xì)胞質(zhì)膜上可能存在的鈣離子通道仍未被鑒定，而這正是植物環(huán)境感受中最為關(guān)鍵的問題之一。此外，植物從最初感受鹽脅迫到如何產(chǎn)生特異性鈣信號的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制仍然還須深入研究。因此，蔣中浩今后將會在過往研究成果的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展“植物感知和應(yīng)答鹽脅迫的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)”的研究，以鹽脅迫下擬南芥的鈣信號作為研究對象，系統(tǒng)性構(gòu)建植物從鹽環(huán)境感知到鹽脅迫響應(yīng)的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

在下一步的研究中，他將會運(yùn)用可以捕捉瞬時鈣信號的鈣成像系統(tǒng)，利用穩(wěn)定表達(dá)水母熒光蛋白的擬南芥突變體種子庫為對象，以測定植物細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度變化為切入點(diǎn)，篩選鹽脅迫無感受的突變體，從而獲得編碼擬南芥鹽脅迫感受器和鈣離子通道及其相關(guān)調(diào)控組分的基因信息。

另外，蔣中浩還將利用鈣成像系統(tǒng)，進(jìn)一步闡明鈣信號在植物鹽脅迫感受響應(yīng)機(jī)制中的先導(dǎo)作用，通過發(fā)現(xiàn)感受器相關(guān)基因及鈣離子通道，揭示植物將鹽脅迫因子轉(zhuǎn)變?yōu)樯镄盘柕姆肿訖C(jī)理，系統(tǒng)解答植物如何感受鹽脅迫這一關(guān)鍵問題。“要做這些依然很難，但必須繼續(xù)做下去?！笔Y中浩嚴(yán)肅道。

關(guān)于未來的研究方向，蔣中浩規(guī)劃得很清楚，目前團(tuán)隊(duì)成員的研究工作主要還是對他之前做出的突變體進(jìn)行分析研究，各自專注于不同的突變體研究上?！暗却蠹以诟髯缘难芯抗ぷ魃献龀鱿鄳?yīng)的成果后，我們便會眾絲纏成線，由點(diǎn)到面地對該領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)性的研究?！笔Y中浩總結(jié)道。同時，他很清楚，以后的研究道路上還會遇到無數(shù)的難題和挫折，有些他現(xiàn)在可以預(yù)料得到，有些是目前看不見的，“但無論是為了自己心中對探索的熱愛，還是為了給國家的發(fā)展貢獻(xiàn)力量，我都會以堅持不殆的信念繼續(xù)走下去。”蔣中浩說道。