二十年磨一"孔"：中國(guó)科學(xué)家破解植物界的百年密碼

在生命科學(xué)研究的版圖中，DNA與蛋白質(zhì)研究曾長(zhǎng)期占據(jù)舞臺(tái)中央，遵循著清晰的"中心法則"。而植物細(xì)胞壁的研究，卻像在荒原中獨(dú)自跋涉——沒(méi)有模板可循，合成路徑復(fù)雜多變，甚至被認(rèn)為"超越了中心法則"。

正是在這片"荒原"上，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的周奕華研究員和她的"開山弟子"張保才，默默耕耘了整整二十年。

從"撿學(xué)生"到"搶手貨"

2006年，周奕華從李家洋院士團(tuán)隊(duì)獨(dú)立出來(lái)，帶著幾個(gè)水稻脆稈材料開始了科研生涯。她選擇了一個(gè)極具挑戰(zhàn)的方向：細(xì)胞壁構(gòu)成的植物莖稈。

彼時(shí)，作物高產(chǎn)育種的主流敘事聚焦于籽粒大小、株高等肉眼可見的性狀。細(xì)胞壁研究是絕對(duì)"冷門"，報(bào)考的學(xué)生看到課題組網(wǎng)頁(yè)，根本不知道這個(gè)新成立的小組在做什么。周奕華回憶起初創(chuàng)時(shí)期略帶自嘲："那時(shí)學(xué)生都有點(diǎn)招不上來(lái)，都是撿別人的學(xué)生。"

張保才就在這一年碩士畢業(yè)，機(jī)緣巧合地成為周奕華的第一位學(xué)生。

師徒二人最初將研究集中在水稻莖稈的支撐力上——因其像"骨架"一樣防止作物倒伏。隨著研究深入，他們愈發(fā)癡迷于這些細(xì)細(xì)的"管道"：細(xì)胞壁不僅是"骨架"，更是一套高效的物流運(yùn)輸系統(tǒng)，連通植物各個(gè)器官，輸送水分與養(yǎng)分。

遠(yuǎn)赴重洋，補(bǔ)齊短板

要解答物流系統(tǒng)如何運(yùn)作，繞不開糖化學(xué)研究。2009年，周奕華推薦張保才遠(yuǎn)赴美國(guó)密歇根州立大學(xué)，專門學(xué)習(xí)多糖分析化學(xué)，一學(xué)就是兩年。

"我化學(xué)不是特別好，做多糖需要大量化學(xué)知識(shí)，你最好往化學(xué)上偏一點(diǎn)，這樣我倆才能形成合力。"性格爽朗的周奕華對(duì)弟子直言。

此后，師徒互補(bǔ)協(xié)作，憑著不折不撓的"笨功夫"，不斷突破領(lǐng)域邊界：2017年首次發(fā)現(xiàn)木聚糖乙酰酯酶BS1，提出細(xì)胞壁乙?；揎?雙向調(diào)控"新理論；2022年發(fā)現(xiàn)多糖在導(dǎo)管上形成特殊"團(tuán)簇"，為水稻分子設(shè)計(jì)育種提供全新基因資源。

盡管這些研究一次次突破邊界，但因"植物性太強(qiáng)"，始終處于"不溫不火"的狀態(tài)。但師徒二人從不在意，只是一步一個(gè)腳印，把每一項(xiàng)研究都做扎實(shí)、做深入。

破解百年謎題

前不久，這項(xiàng)發(fā)表在《細(xì)胞》雜志的研究，是師徒二人二十載研究的厚積薄發(fā)。

植物導(dǎo)管承擔(dān)運(yùn)輸水分和養(yǎng)分的重任，但植物沒(méi)有心臟作為動(dòng)力泵，運(yùn)輸全靠蒸騰作用形成的負(fù)壓。紋孔，就是早期植物"登陸"適應(yīng)中的關(guān)鍵一招——它們像導(dǎo)管壁上實(shí)現(xiàn)物質(zhì)交換的關(guān)鍵窗口，能及時(shí)排出導(dǎo)管內(nèi)的氣栓。

"這就像打點(diǎn)滴時(shí)，一旦有氣體進(jìn)入靜脈，就會(huì)有生命危險(xiǎn)。植物也一樣，如果導(dǎo)管里有氣栓，運(yùn)輸效能就會(huì)大幅降低。"周奕華解釋道。

然而，由于紋孔結(jié)構(gòu)微小且深埋于組織內(nèi)部，其精確的三維形態(tài)及形成機(jī)制長(zhǎng)期是植物學(xué)界的盲區(qū)。

為了揭開紋孔的神秘面紗，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)上百份全球水稻核心種質(zhì)的導(dǎo)管紋孔進(jìn)行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)其自然形貌變異極為豐富。通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析，他們成功鎖定關(guān)鍵基因PS1。

2025年張保才赴美國(guó)加州圣地亞哥參會(huì)并作邀請(qǐng)報(bào)告

為了解PS1塑造紋孔結(jié)構(gòu)的分子機(jī)制，團(tuán)隊(duì)啟用聚焦離子束掃描電鏡技術(shù)，采集了300余張電鏡圖，在納米尺度上進(jìn)行三維重建，精度達(dá)到10納米×30納米，比頭發(fā)絲細(xì)幾千倍。

極致的探索帶來(lái)驚人發(fā)現(xiàn)：紋孔并非簡(jiǎn)單孔洞，而是具有復(fù)雜邊緣結(jié)構(gòu)的精密裝置，其中間最細(xì)的開口才是決定運(yùn)輸性能的關(guān)鍵命門——紋孔開口越小，運(yùn)輸效率越高。

更令人驚嘆的是，這一微觀結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的可塑性：低氮環(huán)境下，紋孔自動(dòng)變小以減少能耗、提升效率；高氮環(huán)境下，紋孔則相應(yīng)變大。這解釋了植物如何在分子水平感知環(huán)境變化、調(diào)整自身生理結(jié)構(gòu)的百年謎題。

張保才將其形象地比喻為用"繩索捆綁鋼筋"：纖維素像墻上的鋼筋，木聚糖是捆扎鋼筋的繩索。PS1蛋白就像精密的"鎖邊機(jī)"，通過(guò)去掉木聚糖上的乙酰化修飾，讓"繩索"更緊密地捆扎和錨定"鋼筋"。

從實(shí)驗(yàn)室到田間地頭

這項(xiàng)研究的價(jià)值，遠(yuǎn)不止于揭開紋孔的奧秘。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)近70年育成的水稻品種分析后發(fā)現(xiàn)，優(yōu)異單倍型PS1Hap2在秈稻育種中的應(yīng)用比例逐年提升，卻在粳稻育種中幾乎"缺失"。將該單倍型導(dǎo)入粳稻品種后，田間數(shù)據(jù)顯示，無(wú)論高氮還是低氮環(huán)境，粳稻產(chǎn)量均顯著提升，低氮環(huán)境下增產(chǎn)效果尤為突出。

這意味著，該基因能讓作物更好地適應(yīng)多變環(huán)境，尤其提升對(duì)貧瘠土地的適應(yīng)能力，為水稻育種提供了全新優(yōu)質(zhì)基因資源。

國(guó)際審稿人評(píng)價(jià)："這是一項(xiàng)非常出色的研究，對(duì)紋孔三維結(jié)構(gòu)的展示令人印象深刻。該領(lǐng)域此前尚未系統(tǒng)探索，這對(duì)于作物生產(chǎn)力研究無(wú)疑具有重要意義。"

兩代傳承，1+1>2

發(fā)表頂刊固然可喜，但這并非師徒兩人的初衷。他們的想法很簡(jiǎn)單：把紋孔背后的機(jī)制弄清楚，把細(xì)胞壁研究這個(gè)專業(yè)領(lǐng)域傳承下去。

如今，師生合作了20年，張保才已成長(zhǎng)為獨(dú)立PI，在2024年通過(guò)國(guó)際考核建立了自己的實(shí)驗(yàn)室。多年前周奕華讓他出國(guó)深造的糖化學(xué)技術(shù)，如今已成為其課題組鮮明的科研底色。

"我們這算是兩代人了，現(xiàn)在我可以放心地把導(dǎo)管研究的大旗交給他了。"周奕華笑言。

她看得很通透：科研的傳承不是知識(shí)的單向輸出，而是彼此成就、共同拓展領(lǐng)域邊界的過(guò)程。張保才擅長(zhǎng)糖化學(xué)與導(dǎo)管分子機(jī)制研究，能夠接過(guò)基礎(chǔ)研究向育種應(yīng)用轉(zhuǎn)化的"接力棒"；而周奕華對(duì)果膠、細(xì)胞壁可塑性等問(wèn)題更有興趣，在退休前可以放開手腳做一些挑戰(zhàn)性研究。

"他成長(zhǎng)起來(lái)，我很高興，這也是我科研生涯的延續(xù)。"

冷門變熱，未來(lái)可期

二十年前，因?yàn)榉较蛱?偏"、太"專"，招生曾是周奕華的大難題。如今，越來(lái)越多的學(xué)子主動(dòng)選擇這一方向。

"細(xì)胞壁研究專業(yè)性極強(qiáng)，但學(xué)生進(jìn)來(lái)后可以得到全方位的訓(xùn)練。"張保才介紹，要做好這項(xiàng)研究，必須橫跨遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)及細(xì)胞生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科，還要熟練掌握核磁、質(zhì)譜等高精尖設(shè)備。這種交叉學(xué)科訓(xùn)練，使得課題組畢業(yè)生備受青睞，"現(xiàn)在好多人想要我們這邊的畢業(yè)生"。

這背后，是整個(gè)領(lǐng)域從"冷"到"熱"的曲折變遷。植物細(xì)胞壁研究曾因應(yīng)用出口不明長(zhǎng)期處于"少數(shù)派"狀態(tài)。2007年纖維生物能源熱潮曾吸引一批人參與，2014年油價(jià)暴跌后又流失許多。近年來(lái)，隨著功能基因組研究深入，細(xì)胞壁研究在抗倒伏、品質(zhì)改良、產(chǎn)量提升、氮高效育種等方面展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，不少人開始加入探索這個(gè)植物研究領(lǐng)域最后的"黑盒"。

"細(xì)胞壁研究專業(yè)性很強(qiáng)，但比較基礎(chǔ)，一直以少數(shù)研究大學(xué)或機(jī)構(gòu)的傳承式研究為主。"張保才說(shuō)，"現(xiàn)在國(guó)外有專門的復(fù)雜碳水化合物研究中心，而國(guó)內(nèi)植物功能性細(xì)胞壁的研究依然很少，尚待進(jìn)一步發(fā)展。"

二十年磨一"孔"，從"撿學(xué)生"到發(fā)《細(xì)胞》，從冷門邊緣到前沿賽道。周奕華和張保才用兩代人的堅(jiān)守證明：真正的科學(xué)突破，不在于追逐熱點(diǎn)，而在于把冷板凳坐熱，把每一個(gè)"孔"都鉆到極致。

這或許就是中國(guó)科學(xué)家最樸素的"高光時(shí)刻"——不是聚光燈下的喧囂，而是破解百年謎題后，那份"把機(jī)制弄清楚、把領(lǐng)域傳下去"的踏實(shí)與從容。