他們“沉默”10年，攻克35年未解難題

　　研究成果登上《自然》后的兩個月里，遠方越來越忙了。除了開展日常研究外，她還繼續和相關科研機構深入交流，以期將研究成果應用在更多領域。

　　這是遠方歷經10年取得的重要成果。這10年里，遠方團隊雖沒有特別重磅的成果，但研究在不斷深入。“我們在努力推出新東西，只不過越深入難度越大，取得重大成果的周期也越長。”

　　低滲，即水分增多時，植物細胞內的鈣信號會增強。早在35年前，科學家就觀察到了這一現象，并推測這是由低滲透壓感受機制導致的，但始終不知道機制背后的鈣信號增強是“誰干的”。

　　中國工程院院士、湖南農業大學教授鄒學校科研團隊的教授遠方和劉峰課題組研究發現，當水分增多時，植物低滲感受器OSCA2.1和OSCA2.2會迅速感知外界豐富的水分，使胞質內鈣信號增強，從而作出防御等反應，可以說，它們是植物周圍多水環境下鈣離子濃度增加的“開關”。

　　35年未解的“假設”之謎

　　人之所以能看到東西、感知冷熱等，是因為體內有光、溫度等的感受器。植物和人類一樣，其根、莖等部位也有諸多感受器，在感受外界環境變化并做出相應調節的過程中發揮重要作用。

　　隨著全球氣候變暖，缺水對植被和農作物的影響會越來越嚴重。陸生植物是從水生祖先進化而來的，它成功克服了缺水和水分波動這兩個看似難以逾越的障礙，適應了陸地環境。

　　“動物和植物體內都有感受器，但強度不同，比如小麥有40多個感受干旱和多水的基因，而小狗等哺乳動物只有幾個類似的基因。”遠方說，這是它們的生存環境決定的，動物能跑動，而植物是固定在一處生長的。

　　高等植物通過阻止脫水和過渡吸水的作用在陸地缺水和水分波動中生存。早在35年前，就有科學家將低滲透壓誘導的鈣信號增強推測為低滲透壓感受機制，但其分子基礎未知。

　　“長期以來，業界一直假設細胞質鈣離子濃度的增加是在再水合過程中感知低滲透壓的。通俗地說，植物周邊水分增多時，其體內的鈣離子濃度就會增加。但鈣信號為什么增強、是誰干的，業界一直沒弄清楚。”遠方表示。

　　鈣離子是植物生長發育和逆境響應的核心調控因子。當植物感受到外界環境變化時，會產生鈣信號，進而激活下游相應機制。

　　“鈣信號是最上游、反應最快的，它像通信兵一樣，向后傳遞前方‘戰況’后撤離，最快的鈣信號兩秒內起始、3分鐘結束。我們想弄清楚環境變化后最上游發生了什么。上游的一個基因感受到鈣信號后可能影響下游幾十乃至上百個防御基因，進而增強抗性，這對植物育種等研究來說很關鍵。”遠方說。

　　找到鈣離子濃度增加的“開關”

　　遠方的植物鈣信號研究，是師從美國杜克大學教授裴真明從事博士后研究時開始的。

　　與所有生物體一樣，陸生植物必須監測其環境中可利用水的多少來調控生長和發育。對植物感受器開展深入研究，不僅能真正了解植物對水分等的需求，還能借助感受器在育種方面取得新突破。

　　“植物體內原本是有很多感受器的，它自身能很好地應用，但我們不知道其原理，更沒法利用它改良作物以提高抗性等。如果發現了這些植物感受器，就能在植物處于逆境下的關鍵生命周期對其進行改造，這很有應用前景。”這是遠方開展植物感受器研究的重要原因。

　　在最新研究中，遠方等人研究發現了植物多水感受器，闡明了滲透感受器依賴的花粉萌發過程中鈣震蕩的調控機制。

　　“我們終于搞清楚植物在多水環境下為什么鈣離子濃度會增加了。”遠方表示，關鍵是找到了兩個基因，它們能夠感受多水環境，是植物周圍多水環境下鈣離子濃度增加的“開關”。

　　她解釋說，高溫、低溫、干旱等外界環境就像第一信使，當OSCA2.1和OSCA2.2感受到外界的多水環境后，會立即將第一信使傳遞到植物細胞中。這個信號就像第二信使，細胞識別到第二信使后會立即將第一信使的信息傳導到細胞下游影響其基因表達，告訴它們“該干活了”。

　　聰明的植物在逆境中出品質

　　第二信使“拿到”第一信使的“信件”后，具體作何反應？

　　團隊研究發現，很多鈣信號往往會在很短的時間內消失。“從外界環境變化到第二信使接收到這一變化信息，最快的僅兩秒鐘。”遠方說。

　　為什么信使不多待會兒，給下游基因更多反應時間？遠方表示，植物里的不同基因各司其職，鈣信號將信息傳遞后就回去“睡大覺”了，但這并不是因為它懶惰，而是其生存需要所決定的。如果鈣信號傳遞信息后不返回，會導致細胞質內的鈣離子濃度太高進而產生毒性，不撤離就是自殺行為。

　　遠方舉了一個種子萌發的例子。種子萌發時，溫度、水分、地點等因素一定要適宜，這是種子萌發的關鍵因素。開弓沒有回頭箭，一旦種子萌發就要活下去，否則沒法繁殖下一代。這要求種子首先能感受到外界的溫度和水分環境，萌發后根據外界環境的變化調整自身對水分等的需求。

　　如果持續干旱，植物會調高自身細胞的滲透壓，降低對水的需求，同時在細胞質內制造一些多糖、離子等滲透調節物質，加強自身保水能力。

　　“逆境出品質。”遠方說，為什么干旱時水果往往會更甜，因為它在鎖水過程中不斷產生多糖、離子、氨基酸等滲透調節物質。而當夏季多雨時，水會不斷滲入植物，此時它需要不斷將體內的多糖、離子、氨基酸排出細胞外，否則細胞會不斷膨大至破裂。這也解釋了為什么夏天多雨時香瓜、甜瓜會裂開。總之，當外界環境超過一定極限，植物內部調控系統往往會崩潰。

　　“生物實在是太聰明了。”隨著對植物鈣信號研究的深入，遠方感受到生物的強大。

　　以“挖礦精神”持續鉆研小領域

　　為什么鉆研一項35年都沒有答案的科學難題？遠方認為是團隊的“挖礦精神”在支撐。

　　她認為，科學研究就像挖礦，挖到最好的“原礦”固然重要，而更關鍵的是將“原礦”打磨成最漂亮的“寶石”，也就是發現科學現象背后的機理和關鍵作用。

　　這些年來，遠方所在團隊一直在默默無聞地研究影響鈣信號的植物感受器。“植物感受器是一個很寬泛的概念，但我們從一開始就聚焦影響鈣信號的植物感受器這一小領域，因為我始終認為上游的感受器是牽一發而動全身的，弄清其原理對生物育種等研究更為關鍵。”遠方表示。

　　“展望未來，我們構思將系列研究成果和園藝，以及水果和農作物結合起來，針對不同植物摸清對應的干旱、多水等的感應機制。”遠方表示，“這些研究的戰線只會更長，即使我們這一代人沒法享受到研究成果，我們仍會踏踏實實潛心做研究，讓這些科學構想盡快實現。”