作者:田瑞颖 沈秋月 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/10/28 20:21:08
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6年科研长跑,中国学者破解120年难题!

 

文 | 《中国科学报》记者 田瑞颖 实习生 沈秋月

9月22日,中国学者发表在Cell上的一项研究,破解了一个跨世纪的科学难题。

植物如何感受重力?20世纪初,“淀粉—平衡石”假说成为最经典的植物重力感受理论。但该假说的分子机制是什么,始终是个谜。

清华大学生命科学学院研究员陈浩东团队发表在Cell上的研究,为这个教科书上的假说提供了分子解释,揭示了植物感受重力的分子机制。

有趣的是,几乎在同时期,Science也发表了一篇有类似结论的研究。而这两个不同的团队,还曾开展了一场刺激的“竞赛”。

陈浩东(右一)和部分实验室成员

解析百年假说

一粒种子在泥土中萌发后,如果不尽快调整为纵向生长,实现破土而出,而是横向生长,就可能还没等到光合作用,种子营养便消耗殆尽,走向夭折。

那植物究竟是如何感受重力方向的?

1880年,大名鼎鼎的进化论奠基人查尔斯·达尔文在《植物的运动》中指出种子植物根部感受重力方向的区域在根尖。20世纪初,Bohumil Nemec、Gottlieb Haberlandt和Francis Darwin等提出了“淀粉—平衡石”假说。这一假说成为最经典的植物重力感受理论,被写进了教科书。

但是,该假说只阐述了淀粉体沉降的物理过程,而该过程是如何转变为植物体内的生理生化信号,从而实现植物重力感受的,却是120年来的“未解之谜”。

揭开植物重力感受分子机制的“面纱”,是陈浩东近10年来一直在做的事情。

2016年10月,Nature Plants报道的一项研究显示,多个LAZY基因突变后,拟南芥根的向重力性从向下变为向上。

彼时的陈浩东团队恰好在研究苔藓中的突变体,而这些苔藓原丝体的生长方向也与野生型呈现上下颠倒。

表型上的类似性让陈浩东对LAZY家族基因产生了浓厚的兴趣。他想知道,这些基因的工作机制与自己在苔藓中研究的基因是否有功能上的联系?这些因子调控植物向重力性的奥秘到底是什么?

为此,他们先用基因编辑技术对拟南芥同一生态型背景中的LAZY2、LAZY3、LAZY4基因同时进行了突变,发现突变体的根尖随机向各个方向生长。

在遗传回补实验中,他们再将这3个基因分别表达在突变体中后发现,根尖均可以恢复至向下生长。

通过进一步观察,陈浩东团队发现这3个LAZY蛋白主要定位在拟南芥根尖柱细胞的细胞膜和淀粉体膜上,LAZY可与细胞膜上的磷脂直接结合。

陈浩东指导学生做实验

为了探究LAZY蛋白究竟如何在细胞内转运,他们在进行了一系列实验后发现,植物偏离重力方向后,淀粉体沉降可帮助LAZY蛋白在柱细胞膜上形成沿重力方向的新极性,进而调控植物的向重力性。

研究到这里,“淀粉—平衡石”假说分子机制之谜已被初步揭开,但陈浩东并不满足,又以LAZY4为代表开展了生化机制的研究。

他们惊喜地发现:植物偏离重力方向后,LAZY4蛋白的磷酸化水平快速增加,淀粉体表面的TOC蛋白正是通过与磷酸化LAZY4蛋白互作,调控其在柱细胞中的极性分布,进而调控植物的向重力性。

正是向前多走的这一步,让陈浩东团队的工作比前述发在Science上的日本国立基础生物学研究所Miyo Terao Morita团队的工作,在机制上有了更深入的发现。

论文共同第一作者

(第一行从左到右)陈家悦、于仁波、李娜

(第二行从左到右)邓兆国、张欣欣、赵亚冉、曲城甫

9月22日,陈浩东团队的研究成果正式在线发表于Cell,这也引起了同行的热议。

作为最早在水稻中克隆LAZY1基因的学者之一,山东农业大学教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员王永红在《植物学报》上发表热点评述,称这项工作为“突破性研究成果”“植物重力感应领域具有里程碑意义的工作”。

中国科学院植物研究所研究员乐捷长期研究向重力性与气孔发育等极性相关生物学过程,他在《科学通报》发表亮点述评,称该工作是“重力感受中力学到生物学偶联机制的重大突破”“堪称教科书级别的重大进展”。

“马拉松”最后的“冲刺”

这是一段6年多的科研“马拉松”,但逼近终点时,陈浩东团队却开启了“百米大冲刺”。

4月4日,他们将这项研究发给了Cell编辑预审。刚舒一口气,没想到两天后竟在预印本网站BioRxiv上看到一项有类似结论的工作。这是Miyo Terao Morita团队于4月2日所上传,根据论文格式推断,很可能是投了Science。

因为不确定对方论文投稿进程,他们瞬间心头一紧张——投稿工作要加快了......

4月8日,陈浩东正式将论文投至Cell,继而上传至BioRxiv。已经互知彼此存在的两个团队,都铆足了最后的劲头。

8月10日,国外团队的研究在线发表于Science。论文显示其投稿日期为4月11日,正是陈浩东团队在Cell提交论文后的第3天。

此时的陈浩东团队,也已提交了根据审稿意见修改后的论文。鉴于3位审稿人的意见都很积极,虽然略有不踏实,但他们依然有底气。

8月31日晚,陈浩东正在陪读初中的女儿做观察百日草生长的科学作业,一封Cell预接收的邮件,让女儿兴奋地喊了起来:“我在泰山的祈福灵验了!”

这句话,也让陈浩东心里五味杂陈。

2022年底,在课题收尾阶段,很多学生先后受疫情影响不能继续研究,甚至一度只剩下一个学生在做实验。

由于妻子和女儿也被病毒感染,为了全力支持陈浩东做实验,妻子让他从家中搬了出去,独自撑起了家中的一切,女儿也为这个团队默默许下心愿。这种无言的支持,给了陈浩东无限的力量。

9月22日,这项开展了6年多的研究终于发表于Cell,10月26日正式见刊。

两个团队虽然都是解析“淀粉—平衡石”假说的分子机制。但陈浩东团队额外提供了关键重力信号因子LAZY蛋白在磷酸化后,通过与淀粉体表面TOC蛋白相互作用定位到淀粉体上的生化、细胞和遗传方面的数据,这也让机制更为清晰和全面。

陈浩东告诉《中国科学报》,虽然双方有过“竞速”,“但这也说明国际上的学者对这一百年假说有着共同的兴趣,而这两项完全独立的研究得到共同的结论,也起到了相互验证的作用”。

对于陈浩东团队的研究,Cell审稿人直言这是令人深省的重力感应机制,不仅只限于引起植物生物学家们的广泛兴趣,并称赞这是一项“杰出的工作”。

兴趣可抵岁月漫长”

这条漫长的科研征程,也是忠实于兴趣的旅途。

在北京大学生命科学学院读博士时,陈浩东便跟随著名生物学家邓兴旺研究光信号对植物生长的调控作用,并在博士期间随其前往北京生命科学研究所、美国耶鲁大学开展相关研究。

2019年,陈浩东(左)和邓兴旺(右)同返耶鲁大学。

那时的他,就留意到植物在特定光环境下会偏离重力方向生长。博士毕业后,陈浩东继续在北京大学做博士后,并在出站后成为该校副研究员。

2014年,在一场国际苔藓会议上,著名苔藓学家David Cove展示了自己早年筛选到的苔藓突变体,原丝体的向重力性方向变反,但突变基因未知,还现场询问是否有年轻人愿意接手。

本就对植物感受重力问题好奇的陈浩东对此很感兴趣,并在会后向David Cove表达了自己的兴趣,并在不久后收到了对方寄来的材料。

陈浩东将自己希望做植物向重力性研究的想法告诉了邓兴旺。对于这项偏离实验室核心方向的研究,邓兴旺非常支持并鼓励他追随兴趣,大胆开启这一新的研究方向。

2020年,陈浩东在前往清华大学生命科学学院组建独立课题组时,带来的不仅有对LAZY等重力信号因子的继续探索,还有对学生兴趣支持和包容的精神传统。

这项有19人的作者团队,绝大多数是陈浩东在北大和清华的课题组成员,他们在漫长征程中的不同阶段作出了重要贡献。尤其在疫情期间,他们既是前锋又是候补,每当遇到难题时,集体的智慧总能贡献更好的方法。

6年多的研究,见证了曾经的学生从成长、毕业到独立工作,也见证了不断注入的新鲜血液。对于他们多样性的兴趣和事业选择,陈浩东也从来都是支持。

“邓兴旺教授和美国新泽西州罗格斯大学董娟教授对研究也有重要贡献。除了所有作者,研究的成功还离不开其他很多老师的建议,以及清华和北大公共平台工作人员的支持。”陈浩东说。

这条发现之路是漫长的,也是不易的,但在陈浩东看来,“兴趣可抵岁月漫长”。

论文链接:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01035-8

*图片均为受访者提供

 
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