按照时下科学圈最流行的论文评价法则来说，前不久发表在国际顶尖学术期刊《细胞》的研究，可能是张保才与老师周奕华合作二十年来“最高光”的时刻。

在这项研究中，来自中国科学院遗传与发育生物学研究所（以下简称遗传发育所）的师徒两人带领学生，揭示了植物茎秆呼吸系统“纹孔”的纳米级三维结构，并鉴定出首个控制纹孔大小的基因，破解了植物如何通过微观结构调控氮素运输的百年谜题。

尽管这是一项非常出色的研究，但由于其专业壁垒，显得有些“曲高和寡”——很多非植物界的人士对此了解并不多。这种情况对于师徒两人来说，已经是家常便饭了。回忆起20年前刚开组的情景，周奕华会略带玩味地自嘲：“那时学生都有点招不上来，都是捡别人的学生。”

如今，让这对师生欣慰的是，这个研究领域的“人气”已经渐渐涨了起来，曾经的“少数派”领域正在演变成植物研究领域最前沿的一条赛道。

张保才与老师周奕华带领的两个研究组合影

2006年，周奕华从中国科学院院士李家洋团队独立出来，带着几个水稻脆秆材料，开始组建自己的研究组。她把目光投向了一个当时鲜有人问津的方向——细胞壁构成的植物茎秆。

在作物高产育种的主流叙事里，科学家们更关注籽粒大小、株高这些肉眼可见的性状。细胞壁是个绝对的“冷门”。

而且，在当时生命科学研究的版图中，DNA和蛋白质研究是万众瞩目的热点，遵循着清晰的“中心法则”，即生物学遗传信息从DNA传递到RNA再到蛋白质的核心理论。与此相对，植物细胞壁的多糖研究，却像在荒原中探索——植物茎秆细胞壁的五六成由多糖构成，但多糖合成没有模板可循，其合成与修饰复杂多变，甚至被认为“超越了中心法则”，研究难度可见一斑。

那时候，报考的学生看到课题组网页，根本不知道这个新成立的小组在做什么。招生自然遇冷。

张保才就在这一年从遗传发育所硕士毕业，机缘巧合地进了这个新课题组，成为周奕华的“开山弟子”。

起初，他们的研究集中在水稻茎秆的支撑力上——因其像“骨架”一样，能有效防止作物倒伏。课题组先后揭示了BC14、BC16等一系列能够调控纤维素合成及茎秆机械强度的基因。随着研究的深入，师生两人对这些细细的“管道”愈加痴迷：细胞壁不仅仅是“骨架”，更是一套高效的物流运输系统。“它就像人的血管一样，连通植物各个器官，输送水分、养分，对植物的维管组织性能、籽粒形成发育和产量都有影响。”周奕华说。

这让他们的研究思路愈发清晰，做更多兼具基础价值与应用前景的科学问题：这套物流系统如何运作？核心调控结构是什么？如何让它更高效地适应环境变化？

要解答这些问题，绕不开糖化学的研究。彼时国际上刚兴起的细胞壁乙酰化修饰研究，成为了他们的新突破口。但研究难点显而易见：酰化修饰的检测需要原子级精度的核磁共振技术，而当时的核磁研究人员更倾向于研究蛋白和小分子，对多糖这类“又杂又乱的大分子”鲜有兴趣。

周奕华在水稻试验田

为了攻克技术难关，2009年，在周奕华的推荐下，张保才远赴美国密歇根州立大学，专门学习多糖分析化学，一学就是两年。“我化学不是特别好，做多糖需要大量化学知识，你最好往化学上偏一点，这样我俩才能形成合力。”性格爽朗的周奕华对弟子直言。

此后，师徒二人互补协作，凭着不折不挠的“笨功夫”，不断取得重要突破：2017年，他们与合作者首次发现木聚糖乙酰酯酶BS1，证实其能影响木质部导管结构，进而调控植株形态和粒重等农艺性状，还提出了细胞壁乙酰化修饰“双向调控”的新理论，被国际专家评价为维管束研究领域的“惊喜”；2022年，团队又发现多糖会在导管上形成特殊“团簇”，为水稻高产优质的分子设计育种提供了全新的基因资源和理论支撑。

尽管这些研究一次次突破领域边界，但因“植物性太强”，专业门槛过高，始终处于“不温不火”的状态。但师徒二人从不在意，只是一步一个脚印，把每一项研究都做扎实、做深入。

不久前的这项《细胞》研究，是师徒两人二十载研究的厚积薄发，也让植物纹孔这一微观结构走进了更多人的视野。

尽管植物的导管像血管一样，承担着运输水分和养分的重任，但它又与人体血管不同，植物没有心脏作为动力泵，其运输全靠太阳带动的蒸腾作用形成的负压。而纹孔，就是早期植物“登陆”适应中的关键一招。“它们就像导管壁上实现物质交换的关键窗口，能及时排出导管内的气栓。这就像我们打点滴时，一旦有气体进入静脉，就会有生命危险。植物也一样，如果导管里有气栓，它的运输效能就会大幅降低。”周奕华解释道。

要保证运输系统的高效性和安全性，纹孔的正常运转至关重要。然而，长期以来，由于纹孔结构微小且深埋于组织内部，其精确的三维形态及形成机制一直是植物学界的盲区。

“以前大家都觉得纹孔只是导管壁上的小洞，但它在三维空间里究竟长什么样？对运输性能有哪些具体影响？没人能说清楚。”张保才敏锐地意识到，突破这一盲区，必须重构纹孔的3D模型。

为了揭开纹孔的神秘面纱，研究团队开启了一场极致的微观探索：对上百份来自全球的水稻核心种质的导管纹孔进行扫描电镜观察，发现纹孔的自然形貌变异极为丰富，除了常见的椭圆形，还有狭长、细小等多种形态。

在此基础上，他们通过全基因组关联分析，成功锁定了一个名为PS1的关键基因。该基因编码的蛋白能修饰细胞壁中的木聚糖，紧紧地“捆扎”住纤维素，从而精准调控纹孔大小。

为了解PS1塑造纹孔结构的分子机制，他们启用了聚焦离子束扫描电镜技术，由助理研究员张兰军带头，对关键实验材料的导管进行连续扫描，采集了300余张电镜图。“这就像在纳米尺度上进行三维重建，精度达到了10纳米×30纳米，比头发丝还要细几千倍。”张保才说。

极致的探索带来了令人震惊的发现：纹孔并非简单的孔洞，而是具有复杂边缘结构的精密装置，其中间最细的开口，才是决定导管运输性能的关键命门——纹孔开口越小，运输效率越高。

更令人惊叹的是，这一微观结构具有极强的可塑性：在低氮环境下，纹孔会自动变小，以减少能耗、提升运输效率；在高氮环境下，纹孔则会相应变大。

这一发现解释了植物如何在分子水平感知环境变化、调整自身生理结构的百年谜题。张保才将其形象地比喻为用“绳索捆绑钢筋”：在细胞壁的网络结构里，纤维素就像墙上的钢筋，木聚糖则是捆扎钢筋的绳索。PS1蛋白的作用就像精密的“锁边机”或“扣眼机”，它通过去掉木聚糖上的乙酰化修饰，让“绳索”能更紧密地捆扎和锚定纤维素“钢筋”。

“如果‘锁边’出了问题，纤维素就会失去固定，导致纹孔结构不稳定、开口过大，最终影响整个植物运输系统的效能。”张保才补充说。

而这项研究的价值，远不止于揭开纹孔的奥秘。研究团队对近70年育成的水稻品种进行分析后发现，优异单倍型PS1Hap2在籼稻育种中的应用比例逐年提升，却在粳稻育种中几乎“缺失”。

他们将这一优异单倍型导入粳稻品种后，田间实验数据显示，无论高氮还是低氮环境下，粳稻产量均显著提升，且在低氮环境下的增产效果尤为突出。这意味着，该基因能让作物更好地适应多变的生长环境，尤其提升了对贫瘠土地的适应能力，为水稻育种提供了全新的优质基因资源。

此次发表的《细胞》论文

国际审稿人不吝美言地评价称：“这是一项非常出色的研究，对纹孔三维结构的展示令人印象深刻。该领域此前尚未系统探索，这对于作物生产力研究无疑具有重要意义。”

周奕华表示，这项研究展示了一种“全链条”的研究新范式：从最微观的多糖分子修饰，到纳米级的亚细胞超微结构，再到植物组织功能，最终落地于作物产量提升，整个研究的每一个环节都清晰衔接、层层递进。

而一项成果的取得，离不开研究团队的通力协作。为了挖掘纹孔的多样性，实验室十余位学生齐上阵，分工合作，完成了上百份水稻核心种质的大规模扫描电镜观察。“每一份材料都要拍大量照片，一步步做下来，工作量非同一般。”张保才说。

发表顶刊固然可喜，但这并非师徒两人的初衷。他们的想法很简单：把纹孔背后的机制弄清楚，把细胞壁研究这个专业领域传承下去。

如今，师生合作了20年，张保才已经成长为一名独立的PI（课题组长）。他在2024年通过了国际考核，建立了自己的实验室。多年前，周奕华让他出国深造的糖化学技术，如今已成为其课题组鲜明的科研底色，也使他成为遗传发育所植物糖化学方向的“专业担当”。

2025年张保才赴美国加州圣地亚哥参会并作邀请报告

“我们这算是两代人了，现在我可以放心地把导管研究的大旗交给他了。”周奕华笑言。

她看得很开，也很通透。科研的传承不是知识的单向输出，而是彼此成就、共同拓展领域边界的过程。细胞壁这个领域广阔如海，可研究的方向众多。张保才擅长糖化学与导管分子机制研究，能够接过基础研究向育种应用转化的“接力棒”；而周奕华对果胶、细胞壁可塑性等问题更有兴趣，在退休前可以放开手脚做一些挑战性的研究。

“他成长起来，我很高兴，这也是我科研生涯的延续。”周奕华表示，“科教融合，不仅要做好自己的科研，更要带好人才。我希望我们能取得‘1+1＞2’的效果。”

这种良性循环正在发生。二十年前，因为方向太“偏”、太“专”，招生曾是周奕华遇到的大难题。如今，越来越多的学子主动选择这一方向。

“细胞壁研究专业性极强，但学生进来后可以得到全方位的训练。”张保才介绍道，要做好细胞壁研究，必须横跨遗传学、分子生物学、化学、生物化学及细胞生物学等多个学科，还要熟练掌握核磁、质谱等高精尖设备。这种交叉学科训练，使得从课题组走出的毕业生备受青睐，“现在好多人想要我们这边的毕业生”。

这背后，是整个领域从“冷”到“热”的曲折变化。植物细胞壁研究，曾因应用出口不明长期处于“少数派”状态。2007年纤维生物能源热潮兴起时，曾吸引过一批人参与其中；而2014年油价暴跌重创生物能源行业后，又流失了许多。近年来，随着功能基因组研究的深入，细胞壁研究在抗倒伏、品质改良、产量提升、氮高效育种等方面展现出巨大应用潜力，不少人开始加入探索这个植物研究领域最后的“黑盒”。

“细胞壁研究专业性很强，但比较基础，一直以少数研究大学或机构的传承式研究为主。现在，国外有专门的复杂碳水化合物研究中心，而国内植物功能性细胞壁的研究依然很少，尚待进一步发展。”张保才说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.09.018

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