文｜《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者 廖洋 實(shí)習(xí)生 王冰笛
光合作用被譽(yù)為地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)。諾貝爾獎(jiǎng)曾經(jīng)8次都頒發(fā)給了與光合作用相關(guān)的研究。
然而，植物究竟是如何“看到”光，并知道自己何時(shí)需要進(jìn)行光合作用的？
“植物不像人一樣通過(guò)雙眼觀察周圍的世界，它們直接通過(guò)蛋白質(zhì)感應(yīng)太陽(yáng)光。而我們的工作就是解析了植物如何通過(guò)自己的‘眼睛’去感知紅光，進(jìn)而指導(dǎo)光合作用的開(kāi)啟。”一見(jiàn)面，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院“90后”研究員王繼縱就用非常生動(dòng)的比喻向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹了他們的工作。
近日，王繼縱課題組與同單位鄧興旺課題組合作在Cell發(fā)表相關(guān)論文，揭示了領(lǐng)域內(nèi)期待已久的植物紅光受體光敏色素B（phyB）光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的最初反應(yīng)機(jī)制。
用4年時(shí)間解決困擾70年的問(wèn)題
其實(shí)，有關(guān)植物“眼睛”的研究，早在70多年前就已經(jīng)開(kāi)始了。
1952年，美國(guó)Beltsville農(nóng)業(yè)研究中心的植物光生物學(xué)研究先驅(qū)H. A. Borthwick和S. B. Hendricks以單色光處理萵苣種子，發(fā)現(xiàn)紅光促進(jìn)萵苣種子的萌發(fā)，遠(yuǎn)紅光照射則抑制其萌發(fā)。
在此基礎(chǔ)上，S. B. Hendricks等人于1959年成功地從玉米莖尖中分離出植物感受紅光和遠(yuǎn)紅光的光受體——光敏色素，自此開(kāi)啟了植物對(duì)紅光和遠(yuǎn)紅光感知的研究之路。
1989年，植物光敏色素研究的先驅(qū)和權(quán)威、美國(guó)科學(xué)院院士、加州大學(xué)伯克利分校教授Peter Quail終于在擬南芥中克隆出植物編碼光敏色素蛋白的基因，此后開(kāi)始通過(guò)遺傳手段研究光敏色素的信號(hào)通路。
但是，局限性依然存在，人們始終無(wú)法確定植物感受紅光“眼睛”的構(gòu)造。這限制了對(duì)其感光機(jī)制的準(zhǔn)確理解。
2020年7月，王繼縱入職北京大學(xué)，并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用了一年的時(shí)間做相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室體系搭建和籌備工作。
從2021年7月到2022年12月，他們又用了一年半的時(shí)間不斷摸索，對(duì)植物“眼睛”開(kāi)展純化和收集工作。
2020年7月，王繼縱加入北京大學(xué)。
僅僅四年過(guò)后，2024年9月，他們就對(duì)植物如何看見(jiàn)周圍的光線這個(gè)問(wèn)題給出了答案，并將文章發(fā)表在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Cell上。
但是，如此迅速獲得的成果背后，并非每一步都一帆風(fēng)順。
2022年12月，工作已經(jīng)進(jìn)行了兩年半。他們發(fā)現(xiàn)，已收集到的植物“眼睛”竟無(wú)法正確感知紅光！
事實(shí)上，植物的“眼睛”需要裝配一個(gè)有機(jī)化合物來(lái)充當(dāng)“視網(wǎng)膜”。而這個(gè)化合物的合成過(guò)程比較復(fù)雜，團(tuán)隊(duì)前期一直未能解決其合成與裝配環(huán)節(jié)的問(wèn)題，使得他們的植物“眼睛”不能看到光。
王繼縱苦笑著回憶道：“相當(dāng)于我們前面兩年半的時(shí)間里，獲得了植物‘眼睛’的主體框架部分，卻把最重要的視網(wǎng)膜給搞丟了，我們拿到的其實(shí)是‘盲人的眼睛’。”
這一結(jié)果，無(wú)異于當(dāng)頭一棒！
然而，來(lái)不及為結(jié)果沮喪，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)調(diào)整方向，運(yùn)用生物化學(xué)、分子生物學(xué)、光譜學(xué)等一系列更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ǚ磸?fù)嘗試，攻堅(jiān)克難。
論文的第一作者、北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院博士研究生王征東在這個(gè)環(huán)節(jié)是最重要的先鋒角色。
2023年3月至5月，他們終于完成了對(duì)植物“眼睛”精細(xì)分子結(jié)構(gòu)的解析工作，獲得了植物這雙“看得見(jiàn)的眼睛”。
2024年9月，王征東在泰山
為什么是他們做成了？
在王繼縱團(tuán)隊(duì)研究成果出來(lái)之前，光敏色素有關(guān)分子結(jié)構(gòu)方面的研究始終都被歐美科學(xué)家壟斷。
因此，成果發(fā)表后，許多人祝賀之余，都在問(wèn)：“為什么是你們做成了這件事？”
這離不開(kāi)合作團(tuán)隊(duì)各學(xué)科的交叉融合。
北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院由北京大學(xué)和山東省人民政府共同創(chuàng)立，位于山東省濰坊市，由美國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)講席教授鄧興旺擔(dān)任院長(zhǎng)。過(guò)去的30多年里，鄧興旺始終利用分子遺傳學(xué)為主的手段解讀植物光生物學(xué)，王繼縱則在清華大學(xué)讀博士和做博后的十年間，一直跟隨著名結(jié)構(gòu)生物學(xué)家柴繼杰教授（現(xiàn)為西湖大學(xué)講席教授）從事植物蛋白與復(fù)雜生物大分子機(jī)器的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究。
此外，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院青年研究員趙珺用自己擅長(zhǎng)的冷凍電鏡技術(shù)與團(tuán)隊(duì)研究方向相結(jié)合，創(chuàng)新性地改造了實(shí)驗(yàn)儀器，為研究的順利進(jìn)行提供了保障。
由于植物的“眼睛”是動(dòng)態(tài)的，可以看到紅光，但同時(shí)對(duì)遠(yuǎn)紅光又會(huì)快速關(guān)閉，而自然界的太陽(yáng)光是混合光線，非常紊亂，使得研究者難以看到它的結(jié)構(gòu)。趙珺解釋道：“所以我們需要對(duì)儀器進(jìn)行改造，讓植物的‘眼睛'始終處于紅光激活的狀態(tài)中。”
這個(gè)改造的想法，來(lái)源于趙珺參觀王繼縱實(shí)驗(yàn)室的親身經(jīng)歷。
在前期蛋白質(zhì)收集過(guò)程中，為了不讓植物的“眼睛”蛋白受到其他光的影響，王繼縱他們?cè)O(shè)置了許多間小黑屋，有些小屋只架設(shè)綠光，有些只架設(shè)紅光。
趙珺看到后非常疑惑，為什么要設(shè)置這么多“花花綠綠”的光源？王繼縱解釋稱，必須讓植物蛋白處于不同光線下的穩(wěn)定狀態(tài)，才能研究清楚。
聽(tīng)聞此言，趙珺不禁思索：那么儀器是不是也能做成迷你版的小黑屋，保持光線穩(wěn)定？
“理論上這樣更好，但是改造儀器是否不太現(xiàn)實(shí)？”王繼縱并沒(méi)有對(duì)趙珺所在的電鏡團(tuán)隊(duì)提出強(qiáng)制性要求。
要知道，電子顯微鏡被稱為科研領(lǐng)域的光刻機(jī)，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，價(jià)格異常昂貴。因此，盡管電鏡在各研究機(jī)構(gòu)并不少見(jiàn)，但大多數(shù)人不敢輕易改造。
做出改造儀器的決定時(shí)，有過(guò)猶豫嗎？“完全沒(méi)有。”趙珺說(shuō)。他的導(dǎo)師黃建宇教授是原位納米電池技術(shù)開(kāi)創(chuàng)者，是第一個(gè)把納米電池放進(jìn)電鏡的人，“他一直都向我們強(qiáng)調(diào)一定要明白原理，明白以后永遠(yuǎn)不會(huì)搞壞”。
趙珺開(kāi)玩笑地說(shuō)，“我的老師們?cè)谖镔Y匱乏的90年代都是一群擅長(zhǎng)DIY的老男孩，所以他們的學(xué)生也敢于改造。“
對(duì)老師創(chuàng)新精神的傳承，使得趙珺憑借足夠扎實(shí)的技術(shù)能力成功對(duì)儀器進(jìn)行了改造。
改造后的電鏡儀器，既能讓植物“眼睛”始終處于紅光的穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)研究人員可以置身外界的正常光環(huán)境中進(jìn)行研究。
這對(duì)他們最終成功起到了關(guān)鍵作用。有時(shí)候，離成功或許就差大膽創(chuàng)新這一步。
趙珺在電鏡室應(yīng)用自研設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
5個(gè)月發(fā)表，這群90后年輕科學(xué)家的故事還在繼續(xù)
盡管研究過(guò)程經(jīng)歷了更換植物的“盲眼”、改造復(fù)雜精密儀器等關(guān)口，但論文的發(fā)表環(huán)節(jié)卻十分順暢，從提交到發(fā)表，僅僅5個(gè)月。
2024年3月31日，他們提交了論文。五天后，論文第一輪審稿。三位審稿人中有兩位對(duì)他們的結(jié)果感到無(wú)比驚訝，認(rèn)為“這是領(lǐng)域內(nèi)的巨大進(jìn)步，將成為植物科學(xué)和光遺傳學(xué)領(lǐng)域一個(gè)里程碑事件”。
第三位審稿人則在驚訝之余，對(duì)文章提出了一些疑問(wèn)，希望他們能做得更完善一些。
“我們針對(duì)這位審稿人的問(wèn)題花了兩個(gè)月的時(shí)間做了詳細(xì)的修改和回復(fù)，有些具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題也給我們帶來(lái)了一定的壓力。”王繼縱說(shuō)。
但是，當(dāng)兩個(gè)月后再次提交修改版本后，僅兩周的時(shí)間，文章就被原則性接收。
那位曾提出問(wèn)題的審稿人回復(fù)：“我現(xiàn)在完全理解了這個(gè)研究的意義，報(bào)道激活狀態(tài)的紅光受體結(jié)構(gòu)的確是光生物學(xué)里的重大突破，以后整個(gè)紅光受體的研究歷史將以此分為‘結(jié)構(gòu)未知’和‘結(jié)構(gòu)已知’兩個(gè)紀(jì)元。”
文章出來(lái)后， Peter Quail和他的夫人、德國(guó)科學(xué)院院士Katayoon Dehesh欣慰地說(shuō)：“非常興奮能看到領(lǐng)域內(nèi)這個(gè)重要問(wèn)題有了最終的答案。”
德國(guó)尤斯圖斯—李比希大學(xué)教授、植物光受體分子結(jié)構(gòu)研究先驅(qū)Jon Hughes同樣對(duì)他們的研究表示非常贊賞。
在剛剛過(guò)去的第四屆全國(guó)植物光生物學(xué)大會(huì)上，該成果得到整個(gè)光生物學(xué)領(lǐng)域?qū)＜业恼J(rèn)可與祝賀。
取得如此成績(jī)的背后，是一群“90后”科學(xué)家們?nèi)諒?fù)一日的堅(jiān)持。
對(duì)于生物學(xué)研究來(lái)說(shuō)，有時(shí)候一個(gè)實(shí)驗(yàn)階段要經(jīng)歷十幾個(gè)小時(shí)，且不能中途停止。因此，王繼縱常常向?qū)W生們強(qiáng)調(diào)做科研一定要嚴(yán)謹(jǐn)、有耐心，讓“每一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都能經(jīng)得起反復(fù)推敲，這也是節(jié)約時(shí)間的一種方式”。
他常常鼓勵(lì)大家多運(yùn)動(dòng)保持身體健康，如果沒(méi)有特別要緊的事，每周都會(huì)有學(xué)生負(fù)責(zé)訂場(chǎng)地，大家約在一起打羽毛球。
而對(duì)于趙珺所在的電鏡團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，他們的工作也十分辛苦且重要。“儀器的單臺(tái)價(jià)格需要幾千萬(wàn)元，因此我們需要按照它的時(shí)間去配合，像照顧孩子一樣去維護(hù)。”
有時(shí)電鏡半夜出故障，他們要立馬趕到現(xiàn)場(chǎng)維修。做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生們著急需要數(shù)據(jù)，他們也輪流值班徹夜陪伴大家。
提起電鏡技術(shù)的發(fā)展，趙珺說(shuō)：“目前科學(xué)儀器都非常昂貴，并且長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷。想要打破這一局面，需要讓更多交叉學(xué)科背景的人走到一起，匯聚在十字路口，完成原始創(chuàng)新。”
他希望能將自己的電鏡技術(shù)和儀器開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于更廣闊的交叉學(xué)科領(lǐng)域，用國(guó)產(chǎn)前沿儀器支撐更多本土突破性研究。
王繼縱出生于1990年，趙珺則是1993年。兩位年輕的“90后”科學(xué)家，始終不忘報(bào)效國(guó)家的初心。
王繼縱坦言道：“希望能盡心盡力，將這個(gè)領(lǐng)域做得更完善，爭(zhēng)取使國(guó)家在該領(lǐng)域占有一席之地。”
他們的故事還將繼續(xù)。
今年9月團(tuán)隊(duì)成員在泰山的合影
相關(guān)論文信息：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01023-7