◎林榮呈

俗話說眼睛是心靈的窗戶，而作為視覺器官，眼睛最基本的功能就是幫助人類以及很多動物去觀察世界、認識事物，指導行為。這主要得益于我們眼睛里面有一個視網(wǎng)膜，而視網(wǎng)膜上面分布著大量的特殊的細胞，叫光受體細胞。其中，柱狀細胞能夠告訴我們光線的強弱，而三類不同的錐狀細胞能夠幫助我們分辨光的顏色。如果其中一個錐狀細胞出了問題，往往會導致人的色盲。

那么植物有眼睛嗎？如果有，它的眼睛又在哪里？光對植物來說有兩方面的作用，一個是光作為一種能量，提供給植物進行光合作用，這也是我們地球上生命賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)；另一個是，光作為一種信號來指導植物的行為。

植物的行為是怎么樣被光控制的？向日葵大家都很熟悉，它的頭會朝著太陽轉(zhuǎn)，這就是植物的行為受光控制的一個典型的案例。正是源于向日葵的一種靈感，工程師們設(shè)計出了一種高效聚光的太陽能發(fā)電裝置。這種裝置能夠時刻跟著太陽轉(zhuǎn)，使光線始終垂直于它的表面，達到高效聚光的目的。植物天生就具有尋找光明的能力，如果把小豆苗種在黑色的箱子里面，在箱子的側(cè)面開一個小孔，豆苗就會朝著小孔的方向彎曲生長。

在我女兒上小學三年級的時候，我跟她做過一個小小的實驗，先在錫箔紙上寫上“王”字，然后把“王”字鏤空，再把錫箔紙蓋在一片葉片上，放到太陽下暴曬一個小時，把錫箔紙揭開之后葉片上出現(xiàn)了“王”字，這個字是我們讓太陽寫上去的。這是為什么呢？因為植物的葉片上包含著大量的細胞，每個細胞里面又有很多的葉綠體，被錫箔紙蓋住的那部分細胞因為光線不足，所以葉綠體就比較均勻地分布在細胞里面，它希望去吸收更充足的陽光，而被陽光直接照射的那部分細胞因為光太強，葉綠體就躲到細胞的兩邊去，所以中間就空出來了。我們?nèi)说募毎蜎]有這樣一種能力，當在太陽光下暴曬的時候，我們的皮膚可就糟糕了。

那么，植物是怎么樣看見光的？其實跟人一樣，植物包含著很多種光的受體，這些受體都分布在植物大部分細胞里面。不像我們?nèi)?，光受體主要在我們的眼睛里面，比如說，看見藍光的波段就有三類不同的光的受體，那么前面提到的向日葵就是向光素在里面起了重要的作用。向光素看到光之后，就會導致植物體內(nèi)一種叫生長素的激素不對稱分布。在上午的時候，向日葵莖稈上西側(cè)生長素就多，而生長素是促進生長的，因此向日葵的頭就朝向了東方；而在下午的時候，莖稈上東側(cè)生長素就分布的多，因此頭就朝向了西邊。第二天，頭又轉(zhuǎn)回了東方，這是因為生物鐘起了重要的作用，晚上的時候頭又慢慢地轉(zhuǎn)回了東方。

植物還能看見我們?nèi)搜鬯床灰姷墓猓热缱贤饩€、紅外線。早在20世紀50年代，兩位美國的植物學家做了一個非常有意思的實驗，他們把萵苣的種子分成八份，給它照紅光以及比紅光長80微米的遠紅光，不斷交替進行，照的時間都非常短，幾分鐘時間，然后再放在黑暗中三四天。當他們統(tǒng)計發(fā)芽率的時候，很驚奇地發(fā)現(xiàn)，凡是最后一次照了紅光的，種子絕大部分都能發(fā)芽，發(fā)得非常好，而最后一次照了遠紅光的，絕大部分種子都不能發(fā)芽。因此他們推測，種子里面存在著一種色素物質(zhì)，這種物質(zhì)能夠分辨紅光和遠紅光的差異。

為了搞清楚這個問題，他們與其他幾位科學家進一步合作，其中有兩位工程師設(shè)計了一種比較精密的儀器，能分得清紅光和遠紅光的性質(zhì)差異，希望能尋找到這樣一種物質(zhì)。剛開始他們做了好幾年的實驗，一直都沒有成功。到了1959年6月中旬的一個早晨，一位叫亨德里克斯的教授起得很早，到了農(nóng)貿(mào)市場去買了一捆用紙包裹好的蘿卜苗，回到實驗室，還是像往常一樣做實驗，給它照紅光，再照遠紅光，結(jié)果奇跡出現(xiàn)了，儀器指針發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)，他們欣喜若狂，實驗終于成功了。

就在當年的8月，在加拿大蒙特利爾要召開一個國際植物學的大會，因為大會六年才召開一次，非常難得，所以他們就申請去匯報重大發(fā)現(xiàn)。就在出發(fā)前幾天，他們把儀器以及植物放到車的后備廂里，準備開車從美國的馬里蘭到加拿大的蒙特利爾。由于路途遙遠，中間肯定要加很多次的油，每次加油的時候，他們都要打開后備廂檢查一下儀器有沒有被顛壞以及植物長得怎么樣了。到了做報告的那一天，他們把植物以及儀器搬到講臺上面，下面坐著好幾百觀眾，都在翹首以待，等待著見證他們的重大發(fā)現(xiàn)?？墒鞘屡c愿違，當他們給植物照了遠紅光，照了紅光之后，看到儀器的指針根本就沒有發(fā)生變化，這怎么可能？因為他們事先重復了很多次的，難道是設(shè)備出問題了？

其實不是儀器出了問題。后來發(fā)現(xiàn)，因為他們在路途中多次打開后備廂，植物已經(jīng)事先照光了，這種物質(zhì)被降解了。后來他們把這種物質(zhì)用希臘語命名叫phytochrome，就是植物加上顏色的意思，中文翻譯過來就叫光敏色素，就是對光很敏感的一種色素物質(zhì)。

隨后的40年，光敏色素的精彩故事在不斷地上演。到了1999年，科學家對光敏色素有了進一步深刻的認識。他們觀察到光敏色素一種獨特的現(xiàn)象，就是照了遠紅光之后，光敏色素是在細胞質(zhì)里面，相當于開關(guān)是閉合的，所以前面我們提到的種子就不能發(fā)芽。而一旦照了短暫的紅光之后，光敏色素就迅速地進入到細胞核。細胞核就像我們?nèi)说拇竽X一樣，是一個指揮中心，光敏色素在細胞核里面就指揮著成百上千的基因開始工作，那么種子就能夠發(fā)芽了。

接下來的問題是，光敏色素是怎樣進入到細胞核，或者說怎樣在細胞核和細胞質(zhì)之間移動的呢？2002年，我去了美國康奈爾大學開展博士后研究，主要工作就是要回答剛才提出的問題，找到是誰幫助光敏色素進入到細胞核。光敏色素能夠控制著種子發(fā)芽，另外它還有一個能力，就是控制著植物幼苗的高矮。當光敏色素不在的時候，植物的苗子長得非常高，就相當于看不見光一樣。因此我們推測，假如一個物質(zhì)能夠幫助光敏色素進入細胞核，那么它要是沒了，也應(yīng)該呈現(xiàn)出跟光敏色素沒了類似的一種行為。最后我們把目光聚焦到兩個蛋白上面，叫FHY3和FAR1，它們就像一對兄弟一樣一起工作，當它們兩個都沒了的時候，我們在細胞核里面就檢測不到光敏色素的存在。

那么接下來的問題是，這兩個蛋白或者這兩兄弟是怎樣去工作的呢？這就要求我們?nèi)ジ闱宄鼈兊纳矸?。當我們?nèi)プ粉欉@兩個蛋白的老祖宗，或者在進化上的關(guān)系的時候，我們發(fā)現(xiàn)，這兩個蛋白跟另外一個跳躍因子有一定的親緣關(guān)系。前人已經(jīng)知道，跳躍因子有結(jié)合DNA的能力，我們猜測這兩個蛋白可能也就繼承了結(jié)合DNA的能力，于是我們順藤摸瓜，取得了重大的突破。最后我們搞清楚了，這兩個蛋白它要先結(jié)合到另外兩個基因的DNA上面去，后者產(chǎn)生的蛋白質(zhì)會牽著光敏色素從細胞質(zhì)進入到細胞核，所以就把光的信息帶到了細胞核里面。但是如果細胞核里面的光敏色素太多了，它反過來又會叫停前面兩個蛋白的功能。因此在植物的細胞里面，打個比喻，這套系統(tǒng)就好比車的油門和剎車一樣，會隨著外界光環(huán)境的不斷變化來加速或者減速。

到了2008年5月底，我回到了中國科學院植物研究所，建立了我的研究團隊和實驗室。我們主要的工作就是搞清楚，當植物的眼睛看見光之后，又發(fā)生了哪些事情？這些事情又是如何發(fā)生的？又有誰去參與了這樣的過程？

我們前面提到了光會控制種子的發(fā)芽，實際上還控制著像葉綠體發(fā)育、形態(tài)建成、開花等一系列的植物行為。植物的這些行為，實際上都是有基因控制的。因此我們就采用遺傳學方法，把這些植物里面的很多基因突變掉，之后植物長得更綠了，長得更矮了，或者開花開得更早了。我們?nèi)ふ铱刂七@種性狀的關(guān)鍵基因，在過去的十年里，先后有三十多位研究生和工作人員發(fā)現(xiàn)二十多個基因在里面起了重要的作用。我們發(fā)現(xiàn)，這些基因或者蛋白質(zhì)實際上都不是獨來獨往的，不是一個人在工作的，相互之間都有復雜的聯(lián)系，而有些是平級的關(guān)系，有一些是上下級的關(guān)系，有些基因之間是朋友的關(guān)系，而另外一些又是對抗的關(guān)系。比如說，有一個叫PKL蛋白質(zhì)，就跟另外一個叫HY5的蛋白是一對朋友，它們要一起去工作，而跟另外一個叫RGA的蛋白就是一對冤家，RGA蛋白存在的時候，就讓這個PKL蛋白不要去工作。這些不同的蛋白質(zhì)之間通過復雜的相互關(guān)系構(gòu)成了類似于集成電路里面復雜的光信號傳遞網(wǎng)絡(luò)。

這些不同的路徑傳遞著不同的指令，以及發(fā)生不同的植物行為，實際上在植物的體內(nèi)這樣一個過程還遠遠沒有解決，還需要我們進一步去挖掘。

獲得這些信息之后，我們也在思考怎樣能夠把實驗室的研究轉(zhuǎn)化為有用的技術(shù)呢？現(xiàn)代化的植物工廠是顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的一種高效的生產(chǎn)系統(tǒng)，它不同于我們普通的溫室，它不需要土壤，不占用耕地，不使用農(nóng)藥，是在一個全封閉的環(huán)境里面對植物進行光照、溫度、濕度、二氧化碳、營養(yǎng)等進行自動化的控制。在這樣的工廠里，植物是長在架子上的，架子可以根據(jù)需要搭建，幾層到十幾層，單位面積的產(chǎn)能效率大幅提高。

室外太陽光提供的是紅橙黃綠青藍紫全波長的光，可是植物的生長并不是所有的光都是等比例需要的，因此，在封閉的植物工廠里面，怎樣給植物提供最佳的生長的光環(huán)境，同時又節(jié)約能源、節(jié)約成本，這就成了需要解決的關(guān)鍵的問題，我們把光分成紅橙黃綠青藍紫，把它剝離出來，再進行不同的組合，然后為不同的植物、同一個植物不同的生長階段量身定制最佳的光譜配方。

比如說這樣一種叫“優(yōu)雅”的蔬菜，我們先在紅光和藍光4:1的情況下讓它生長，剛開始覺得它還是長得不錯的，但仔細觀察會發(fā)現(xiàn)，它的形狀比較緊湊。分析原因就是葉片長得還不夠，前面我們提到，光敏色素能夠看見遠紅光，看見遠紅光之后它還會啟動一種叫避陰反應(yīng)，就是給植物照了比較多的遠紅光之后，它以為可能光線是不足，就拼命要去生長，我們在原來配方的基礎(chǔ)上給這個蔬菜加了一定比例的遠紅光，這個植物葉片長得更開了，形狀也更好看了，產(chǎn)量也得到了提高。

另外一種蔬菜，剛開始在紅光藍光3:1的情況下長得非常好，可是后來發(fā)現(xiàn)，下部的好幾片葉片提前出現(xiàn)了衰老，后來在這個光配方的基礎(chǔ)上，我們加了不同的其他的光，結(jié)果發(fā)現(xiàn)綠光效果很好，這就讓我們覺得很吃驚，因為平時覺得綠光對植物可能是不需要的，因為植物是綠色的，會把綠光反射掉，可是恰恰是綠光可以很好地延緩衰老。

另外，有些紅色或者紫色的蔬菜，花青素的含量比較高?；ㄇ嗨赜锌棺杂苫?、抗氧化的功能。在剛開始種這種蔬菜的時候，紅色怎么也不出現(xiàn)，我們分析原因應(yīng)該是花青素的合成途徑?jīng)]有很好地啟動。而我們也知道短波長的一些光可以促進花青素的合成，因此在原來光譜配方的基礎(chǔ)上，加了一定比例的短波長的藍光，顏色自然而然就出來了。因此在植物工廠里，我們可以對植物的代謝途徑進行有效控制和精準調(diào)控，提高植物的營養(yǎng)品質(zhì)，這在外面以及溫室里面是難以實現(xiàn)的。

這種通過改變光譜配方的定向調(diào)控技術(shù)對藥用植物的生產(chǎn)就顯得尤為重要。我們知道很多中草藥都有道地性，什么叫道地性？就是要在一個特定的環(huán)境、特定的地方生長，藥用成分才高?，F(xiàn)在我們可以模擬這種中草藥的道地環(huán)境，然后在植物工廠里面進行大規(guī)模多年的連續(xù)生產(chǎn)。比如說通過特殊光譜的研發(fā)，我們可以對金線蓮的有效成分比在室外生長提高50%以上。

我們國家植物工廠剛剛起步，還有很多理論和技術(shù)問題需要突破，很多植物開花結(jié)果需要像蜜蜂這樣的昆蟲去傳粉的，可是在封閉的植物工廠里面如何去實現(xiàn)呢？對我們的光譜配方又有怎樣的要求呢？這又是一個新的挑戰(zhàn)。