一個田間長大的孩子和植物光合效率提升的故事—訪2021級星友宋青峰

宋青峰申報的“植物工廠蔬菜光合效率檢測機器人”成功入選2021年啟明星（C類）計劃，他成為啟明星大家庭的一員。約宋青峰做啟明星采訪緣于2022年6月30日召開的雙碳主題的啟明星論壇。宋青峰那天報告的關鍵詞是植物冠層光合效率、植物表型組和碳中和，他報告中曬出的幾張在大田的植物三維光合表型系統(tǒng)照片甚為矚目。會后我就約宋青峰去他們位于松江五厙的基地看看并對他作啟明星采訪。

40 ℃高溫無法阻擋做科研的熱情

7月13日（那天是上海入夏以來第二個高溫極值日，最高氣溫40.9 ℃！）我搭載青峰的車去松江。宋青峰穿著所里公眾開放日給科普志愿者發(fā)的橙色T恤衫，比我在照片上看到的樣子更精神、健碩。我們首先在位于松江基地的水稻試驗田里看了他們栽種的水稻，這片幾百平方米面積的水田里水稻秧苗已有2～3寸長，每株苗邊都插有標記，再過幾周他們就要進行水稻冠層光合氣體交換測量。因為酷暑，試驗田里見不到人，但是在農(nóng)田邊上的兩處平房里此刻卻有十多位科研人員在進行各種操作和計算，青峰告訴我，這些年輕人大都有各種課題任務，為了早日得到研究數(shù)據(jù)，40 ℃酷暑并不能阻擋他們，其中有一位來自北京中國農(nóng)大的研究生說因為看重這里的科研條件，能學到東西，所以專程趕來了。

那年暑期他隨母親鋤了一個夏天的草

1986年出生的宋青峰是在吉林松原農(nóng)村田間長大的孩子，父親是小學教師，母親是農(nóng)民。除了上學，他的很多時間就是隨母親干農(nóng)活。家里30畝地，因為離水源地遠一些，主要種的是飼料玉米，“我小時候就挎著小籃子跟著母親下田播種，走一步撒一顆種子，剛干覺得好玩，但干了一會就覺得又累又餓。到了秋天收割玉米就更累了，進玉米地就先割玉米，然后把收下的玉米棒子直接往車上扔，一天干下來晚上會酸累得動都不想動。”農(nóng)村的中小學除了寒暑假，還會放農(nóng)忙假，春秋各一次，每次十天左右，讓孩子幫家人干農(nóng)活。高中畢業(yè)那年（2005年）宋青峰一考完試就著急回家?guī)椭?，那年暑期他隨母親鋤了一個夏天的草，“印象最深的就是一遍一遍地除草，直到苗長高了草長不起來為止。每天早飯后戴著草帽，灌上井里的水到田里。我鋤草鋤得遠不如母親干凈，鋤過的地方隔了一兩天就又長出草來，而母親鋤過的地方要一周后才長出草來”。這一年實際上是宋青峰告別農(nóng)村生活的最后一年，當年他以優(yōu)異成績考進上海交通大學進入人生的新階段。但是在接受啟明星采訪時，他愿意比較仔細地回溯自己的農(nóng)田生涯，他承認那段歲月的磨煉對他以后的人生之路影響甚大。“我以后能吃苦，不避困境和務實的秉性一定有那段農(nóng)村生活的烙印?！?/p>

將書本上的物理概念結合生活場景做推演

或許天生就是讀書的料，宋青峰的學習成績一直比較好且穩(wěn)定，從重點初中一直到重點高中，高中時物理老師講錯的他都能指出。有一次親戚問他有什么學習竅門，他說就是喜歡?！皩W到的物理學上的一些名詞術語或概念，如摩擦力、能量轉換、慣性等，我不僅僅滿足于書上標出的定義進行背誦，還會結合生活場景做概念的推演，在自己的腦海里生成一幅應用場景，我會自問自答。高二那年有一次經(jīng)過一處工地，看到打樁機的汽缸爆一下，壓力錘就擊打一下樁柱，我馬上就聯(lián)想到能量激發(fā)、轉換過程，想到摩擦力等概念。我還圍著打樁機仔細觀察了打樁機的工作過程，當時還在想這有可能會出高考題。果真那年的高考題就有一道題涉及打樁機的工作原理。”這種看到相關場景就會很自然地遷移到相關的物理學概念，把學到的知識點串聯(lián)起來的習慣讓那些在別人眼里艱深乏味的知識學習在宋同學這里毫不覺得枯燥，甚至是很有趣?！芭囵B(yǎng)和保持學習興趣是一切知識學習探究最基本的源動力”在宋青峰身上再次得到佐證。盡管有學習天賦，但是在初高中階段，青峰還是花了不少時間學習的。而幫母親干農(nóng)活上的時間損耗其實完全沒有影響他的學習，反而是讓他更好地提高學習效率，不浪費時間。由此得到的回報是他更能體會到生活、生存的不易，一切都不會是天上掉下來，只能靠自己的打拼和努力。

高考前填志愿時，他填報了心儀的上海交通大學（2005年上海交大在吉林全省招生60名），有這樣的底氣是因為之前的多次模擬考他的成績是穩(wěn)定的。高考結束當天答案就公布了，看了結果后宋青峰估計自己的成績應該在650～660分之間，最后他的分數(shù)是657分。

進入上海交大生物信息學專業(yè)深造

宋青峰被錄取于上海交大生命科學技術學院。他原本對計算機專業(yè)也是感興趣的，正好那年交大生命大專業(yè)平臺新設了生物信息專業(yè)，宋青峰如愿進了這個專業(yè)，他植物表型組學的基礎也是在那時打下的。雖然與計算機專業(yè)所學的專業(yè)課有很大區(qū)別，但計算機軟硬件、編程的課程在生物信息學專業(yè)都有學?！爱敃r還有一門課——工程制圖——對我的幫助也很大，我的立體感、空間感就來自于此，后來我做表型組學平臺框架研制等都得益于此?！贝笏臅r因為專業(yè)學習和畢業(yè)論文需要，青峰到中科院計算生物學研究所（中科院與德國馬普所共建）實習一年，主要是周末過去，參與課題。宋青峰的本科畢業(yè)論文是做一個圖像序列追蹤軟件。實習過程中，后來成為他的博士生導師、對他學術生涯有重要影響的朱新廣老師剛從美國回來。有一天朱老師敲開了青峰實習老師的門，他們交談時青峰就對朱老師有了很深的印象，心想如果有機會讀研的話能到朱老師門下學習就最好不過了。很快大四結束了，青峰因為成績好獲得保研機會，他還申請到計算所碩博連讀研究生，之后進入朱老師課題組。

以提升植物冠層光合效率為研究方向

朱老師的研究方向是光合作用模型，簡言之就是要把植物的光合作用這件事進行數(shù)字化、模型化，然后就可以計算，找到提高效率的靶標，做調整優(yōu)化，以達到提高光合作用效率的目的。循著這樣的研究路徑，青峰的博士論文課題確定為做冠層光合計算模型，冠層是指植物在地表以上的部分。在5年碩博的前一半時間里，圍繞論文涉及的光模擬，宋青峰先后開發(fā)了光線追蹤算法以及多物理場模型，模擬了以水稻為對象的冠層光強分布，以及多物理場（溫度、熱力、流體等）過程等，并利用計算機模擬風速、水汽、二氧化碳濃度等水稻田生長環(huán)境。光的模擬這一塊進展非常好，一直到現(xiàn)在都在用。這個光模擬過程涉及：實驗中照到每一片葉片上的光強，再結合其光合轉化率，算出冠層整體二氧化碳的固定速率，即冠層光合作用速率。

從簡陋的測量箱到成套系列測量系統(tǒng)

以上冠層光合計算模型雖然在計算機中表現(xiàn)完美，但是結果準不準還有賴于實驗驗證，但當時沒有這方面的驗證儀器。于是，設計這樣的冠層光合氣體交換測量系統(tǒng)（一米見方的測量箱，待測植株放入箱體后，通過測量箱內空氣中的二氧化碳變化速率來測得冠層光合速率）成了當務之急。朱老師鼓勵小宋大膽嘗試做出這樣一個設備。沒幾個月，宋青峰就搗鼓出這樣一臺比較簡陋的原型機，并得到了一些數(shù)據(jù)。這是一個密閉的金屬框架測量箱體，蓋子可以打開，側面接進測量氣體，傳感器在外面，氣體抽出再輸入。測量對象是盆栽植物（水稻和煙草），測試的結果支持了他們這一模型的合理性。后來他們帶著測量箱到松江試驗田里測量，得到的數(shù)據(jù)也驗證了模擬實驗結論。

早期版本的冠層光合測量系統(tǒng)在田間測試

雖然過程中的實驗結果令人鼓舞，但畢竟還是人工測量的方式，要真正令人信服就要做成系統(tǒng)能自主閉合的自動化測量，且能24小時連續(xù)檢測。為此，宋青峰前后設計了四五個測量系統(tǒng)，其間難度在于箱體的密閉性要好，還要輕便、透光性好，如果在野外測試還要穩(wěn)定性好。在宋青峰博士畢業(yè)那年，“植物冠層光合氣體交換測量系統(tǒng)”終得問世。該系統(tǒng)還在2015年的工業(yè)博覽會上展出。這臺測量系統(tǒng)樣機成功研發(fā)的消息一傳出去，因為科研上有實在的需求，很多同行找到他們希望能提供設備。目前已經(jīng)實現(xiàn)多通道全自動測量并在國內外多家科研單位得到應用。

從一維到三維多視角測量

多通道全自動冠層光合測量系統(tǒng)

多視角三維系統(tǒng)

有了這樣一個可以連續(xù)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的系統(tǒng)（箱體）后，新的問題又提了出來：冠層光合雖然能測量了，但影響冠層光合效率的因素很多且復雜，尤其是植物株型結構的影響。當時的株型測量還是一維至多是二維的，如果不能提供植物的三維結構，那么所測得的植株數(shù)據(jù)的完整性是存疑的。宋青峰告訴我，以前冠層光合領域的很多工作大都集中在葉片這個層面，但若要通過提升植物光合作用效率來提高生物量，需要從整個冠層層面考慮。葉片是個體，冠層是整體，這也是世界范圍內同行的共識。“早期有過不少數(shù)學模型，目標也是想通過葉片尺度的光合效率來計算冠層的效率。但這些模型過于簡單，難以指導實踐，所以我們想對植株的實際結構有完整了解，并搞清楚與遺傳基因的關聯(lián)，這樣才能有針對性地指導育種。”也是有了碩博研究生期間所做的模型、測量系統(tǒng)這些基礎，2014年3月博士畢業(yè)后，宋青峰想把這件事繼續(xù)推進，于是選擇留所工作，得到了他妻子王禹的大力支持。王禹當時在新加坡留學，畢業(yè)回到上海工作。這樣就有了這幾年“多視角植物三維光合表型系統(tǒng)與計算模型”（以下簡稱多視角系統(tǒng)）的構想和實踐，“有了這個系統(tǒng)，就可以準確了解葉片的角度、株高、生長速度等表型，并研究其背后的基因調控?！?/p>

經(jīng)中科院植物生理生態(tài)所（2017年，宋青峰隨朱新廣老師課題組到這里）和中科院上海技術物理所合作攻關，這個具備三維結構、多相機、多視角獲取并整合信息等特征的多視角系統(tǒng)于2018年問世，使得對植物冠層結構的更深入、更細致的數(shù)據(jù)獲取成為可能。說到這里，宋青峰打了個比方：獲取植株的空間結構信息，相當于人體結構的CT掃描?！皼]有多視角系統(tǒng)前，我們研究冠層結構就只能靠手工測量，測量一株植株要半小時，有了多視角的系統(tǒng)評價，1分鐘可以測量一株植株。不僅是速度大大提升，而且整個測量結果的穩(wěn)定性有了保證。”

借助高通量技術高效獲取每片葉片的信息

近兩三年里，在朱新廣教授帶領的團隊里，宋青峰除了主攻冠層三維結構測量，還涉獵葉片光合效率的高通量獲?。翰捎酶吖庾V成像技術掃描一下，幾秒鐘就可以采集獲取包括葉片的氮素含量、光合參數(shù)等數(shù)據(jù)并作計算。由于高光譜技術采集的信息量大，影響冠層光合效率的兩大方面（三位株型結構和葉片光合參數(shù)）的數(shù)據(jù)獲取都可以實現(xiàn)。以往測量一片葉片的光合參數(shù)要5分鐘，并且是用一臺手持儀器一片一片地去測，效率很低。現(xiàn)在搭載高光譜相機的田間移動式光合表型平臺可以自動完成對田間植物作光合表型參數(shù)的測量。

移動式植物光合表型平臺田間測試中

表型平臺研發(fā)合作團隊在研制車間

那么表型組如何與植物的光合效率掛鉤？青峰解釋說，“我們所關注的表型組就是基因型與環(huán)境互相作用后在植物形態(tài)、生理功能上產(chǎn)生的表現(xiàn)形式，我們在植物表型組里會具體聚焦到與光合作用相關的表型，即影響冠層光合效率的那些表型，包括植物三維空間結構，葉片尺度的光合效率、形態(tài)結構，生化方面的氮素含量，光合作用、蒸騰、氣孔導度等生理現(xiàn)象?！蹦壳?，他們已經(jīng)建立了玉米、水稻、小麥、大豆等主要作物的冠層光合模型及表型測量技術，這些都將在松江實驗基地進行展示和應用。

思維方法和能力的培養(yǎng)

訪問中，宋青峰多次提到他的成長離不開朱新廣老師的培養(yǎng)和關照?！八茏⒁獍l(fā)揮學生的能動性，博士論文等重大選題他會幫助把握方向，具體怎么做則給學生自由發(fā)揮的空間。讀博期間冠層光合模型方向就是他幫我把握的，現(xiàn)在來看這個方向無論是科學意義還是應用前景都難以限量。包括我現(xiàn)在的表型組學研究也是朱老師確定的方向，他認為這是一個世界性的前沿方向。朱老師不太贊同只是跟熱點，而是希望我們做自己的獨立判斷后確定值得做的方向。朱老師非常認同那些自己提出問題、且自己把它解決掉的課題，譬如冠層光合就是由我們課題組提出關鍵研究問題，并為此開發(fā)出了一系列的計算模型和測量工具，利用表型組學手段、高通量技術去解決冠層光合問題，最后還用到育種等應用上。”這種從提出問題、發(fā)展各種手段和工具來解決問題到最終為實際應用提供路徑并加以落地實施的全鏈條解決問題的能力培養(yǎng)，是宋青峰從導師那里學到的最重要的思維方法和能力?！斑@將令我受益終生?！?/p>

希望通過提高植物光合效率助力糧食安全和碳中和

宋青峰博士畢業(yè)后的當年就申請到中科院上海生科院的領域前沿項目，幫助他做光合模型。兩年后先后申請到國家基金委的青年基金項目和面上項目。他申報的“植物工廠蔬菜光合效率檢測機器人”成功獲得2021年啟明星計劃的支持。這次在松江基地青峰給我展示了光合效率檢測機器人的雛形。采訪結束前我讓宋青峰用一句話來表達他的追求時，他這樣說：“我是一個在田間長大的農(nóng)家子弟，這些年受到的教育和培養(yǎng)讓我抱定這樣的目標，希望通過提高植物光合效率助力我們的糧食安全和碳中和目標早日實現(xiàn)?！?/p>

這次因啟明星雙碳論壇結緣對宋青峰星友的訪問讓我有幸結識了一位精進于分子植物科學領域的才俊，他的成長經(jīng)歷和研究志向及已經(jīng)做出的富有創(chuàng)見的工作很值得讓更多人知道。小結一下的話，宋青峰讓我留下至深印象的一點是他的不斷學習和實踐的能力，這不僅體現(xiàn)在他對物理學一些概念的超強的領悟力，更體現(xiàn)在他應對課題、項目各種挑戰(zhàn)的能力，尤其看到他從一臺簡陋的原型手動樣機發(fā)展到成體系的全自動冠層植株光合測量系統(tǒng)，再到多視角三維光合表型系統(tǒng)時，我對研制者的學習、實踐能力是非常敬佩的。最近青峰還在學習計算機編程、軟件等一些計算機專業(yè)的知識，他說懂一點這方面的知識以后做一些跨學科交叉的項目時合作會更有效果。是的，具有這種能力的人，一定能更好地適應未來時代。

江世亮采寫于2022年7月18日