在这个过程里面,我就首先问了一个问题,脱落酸是否起了作用?我们就做了脱落酸的多突变体,敲除了12个脱落酸的受体。最终发现在野生型里面干旱它可以抑制地上部分的生长,但是突变体里面,我们看不到这种抑制。野生型里面我们看到干旱促进根系的生长,突变体中没有这么一个响应,因此这就说明,干旱下植物利用脱落酸去调控根冠比。
下一个难题就来了,脱落酸如何调控呢?在普渡大学的一个学术讲座里面,我意外地发现,蔗糖转运突变体,它的表型和脱落酸的突变体非常相像,也是短根、植株矮小,种子有缺陷。当时就灵光一现,难道脱落酸通过调控蔗糖的转运,从而去影响植物根系的生长,植物整株的生长以及种子的灌浆,果实的甜度这些过程吗?其实科学很奇妙,我们有时候很多问题百思不得其解,但是有可能在特殊的契机下就会顿悟。当时我看到这个结果之后,我特别地兴奋,思维真的在那一瞬间就在奔逸。然后回到实验室马上设计实验,去检测我这个假设是否是这样的。然后当然,那位研究者后来成了我的合作者,我们一起去探讨了干旱胁迫下蔗糖转运,和植物根系生长的问题。
在经过五年的研究之后,我们才初步对这个机制得到了一些见解。干旱下由于根系的生长,它依赖于地上部分光合产物的转运,但是光合产物长距离的转运,它是以蔗糖的形式,蔗糖的转运它依赖于韧皮部,这就像一个高速路,而蔗糖转运蛋白SWEET,就像高速路的入口一样。干旱下脱落酸,它对蔗糖转运蛋白的调控提高了它的效率,我们发现了这么一个调控,它就像打通了植物体内,蔗糖的一个物流的转运,让叶片合成的这种蔗糖快速地转运到需要它的地方,就像根、芽和果实中,从整体上提高了植物的抗旱和生长。最终这个工作在年初发表在《自然-植物》上。同期还发表了中国农业大学,巩志忠教授和杨淑华教授,他们发表了评论《Drought meets SWEET》。这是很有一个寓意的名字,他们后来告诉我,其实是“久旱逢甘霖”。
SWEET的调控,它还有上升空间吗?其实是有的。SWEET其实在进化上很奇特,它在进化上并不完美。它的活性非常的低,但是它的功能又非常的重要。大家想一想叶片上合成光合产物之后,需要把蔗糖快速地转运到需要它的地方,才能促进这些地方的生长,而根系生长了以后,才能提供充足的水分和养分,给我们植物整株的生长,所以如果我们进一步提升SWEET的活性,可以从一个开源的角度,提升植物整体的生长,抗逆和产量。当然它的应用空间非常的广泛,就像我们的种子植物、薯类,以及树木这些里面,我们的目标其实就是它进化不完美,我们能否通过我们的努力让它变得更完美。
我们在前期的研究里面取得了一些进展,解决了一些干旱相关的问题,但是要把干旱相关的问题彻底解决,我们需要回到干旱的信号上,要去解决干旱信号的早期的感受和传导,但是早期的信号如何去研究呢?这里面我们有一个假设,我们把植物想象成一个军队,当它感知干旱之后,它有一个司令部可以做出来决策,发出命令,层层传递,从而调动整株植物,就像调动整个军队一样去抵御干旱。这个时候如果司令部成员出现了问题,那么决策不能做决策,命令不能传递就断掉了,但是如何去寻找呢?因为命令的传递和信号的传递它们都非常类似,你经过越多的环节,它越容易产生干扰,因此我们就用最早期的一个信号——钙信号去研究干旱的感知。
钙信号它是非常快的,但是有多快呢?大家看到了,剪掉一片叶子之后,钙信号瞬间爆发并且传遍植物的全身。植物它并不是不能感知,它只是不会跑而已。钙信号相关的研究,我们起始于多年前。大概在十七年前,因为我们要找这个司令部的成员的话,我们其实就是要找到钙信号减弱的突变体材料。但是十七年前,我在北京生命科学研究所还在读研,在我的老师的指导下,我们找到了钙信号增强的材料,但是没有找到钙信号减弱的材料。因为当时的钙信号非常的弱,找强的容易,找弱的难。因此在十年前,我做博后期间,我又用钙信号增强的材料建立群体,接着寻找钙信号弱的材料,并在两年后才找到第一株。当然这个材料的克隆就是我们平常的克隆等等,研究工作非常的艰难。这可能又过了六年之后,在我自己实验室又建立之后,四年才初步理解了,它感应干旱以及传递信号的潜在机制。这个工作才发表在《当代生物学》上。
当然在这期间,我也是很长时间怀疑过自己,我的博士导师和我的博后导师,他们都跟我说过一个事情,他们说,我博后期间做这个事情,你肯定做不完,找工作的时候用不到。但是我想,有一些事情总要去做,总要去解决。他们都是非常支持我的。大家可以看到这个工作后面,有我的博士导师的支持,博后导师的支持,还有我实验室的成员的特别艰难的努力。当然我们现在实际上,只找到了司令部成员中的一员,我们还在尝试去找其它的几位,尤其是最关键的做决策的那几位。
在干旱的研究里面,有几个特别核心的问题。干旱是什么?干旱如何被植物感知?以及植物如何响应?我们如何做抗逆的作物?这些问题它都很难,但是也都能做,需要时间。“道阻且长,行则将至。”我们实验室就想着要逐步地解决,植物感应 传递,响应干旱的这些机制,并且把我们获得的知识,应用在作物的抗逆遗传改良上。我们期望获得这种抗逆稳产,高质量节水的农作物,然后让我们在干旱下至少还有吃的,让我们节约农业的用水,让我们在未来不至于过于恐慌。当然这非常艰难,但是“路漫漫其修远兮,与志同者共求索。”我们坚信有目标有同伴,我们可以解决这些问题。
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