倪海波

蔣中浩在觀察植物

“民以食為天”，充足的糧食不僅是百姓生活所必需的條件，也是國家保持穩(wěn)定發(fā)展的必備因素，如果社會經濟是一臺不斷向前運轉的機器，那么糧食就是這臺機器在運轉過程中所需要的基本能源。

然而，隨著全球經濟的高速發(fā)展，人類日益加劇的活動使得地球環(huán)境遭受了極其嚴重的污染，并且對全球氣候變化造成了重大影響，同時也加劇了全球化的土壤鹽漬化程度，使得大量的農作物生長面臨威脅，以至于最終導致農作物減產，甚至生態(tài)植被退化的現象。數據表明，高鹽脅迫影響全球約7%的土地，特別是農業(yè)用地。約30%的灌溉作物受到高鹽脅迫，這極大地危及我國糧食和生態(tài)安全，成為制約我國經濟、社會進一步發(fā)展的瓶頸。

多年來，深圳大學生命與海洋科學學院教授蔣中浩堅持致力于認識和揭示植物如何感知及應對外界鹽脅迫的原理，深入研究植物抵抗鹽脅迫并發(fā)現其抵抗機制。他說，如今，該研究方向不僅是國際植物學研究的前沿領域，同時也是保障我國國際競爭力的關鍵科學領域，對國家的穩(wěn)定發(fā)展具有極其重要的戰(zhàn)略意義。因此，無論在科研過程中經歷多少困難挑戰(zhàn)，他都不會放棄對這一領域的研究。

勇攀高峰

全球氣候變暖、臭氧層耗竭、酸雨、水資源條件惡化……在全球生態(tài)環(huán)境急劇變化的情況下，植物必須借助復雜的信號通路不斷做出相應的調整以適應環(huán)境變化。然而，植物是如何感受外界刺激的？在遭受外界刺激之后，植物又是如何對自身做出相應調整以適應環(huán)境變化的？長期以來，這一直是學術界難以攻克的難點，也是蔣中浩刻苦鉆研想要探索的奧秘。

但即使在該領域苦研多年，擁有豐富的研究經驗，蔣中浩也不得不坦承，這條研究道路并不容易。

這一點，從他關于植物鈣信號的研究中便可見一斑。在真核生物的信號轉導中，外界環(huán)境的變化會被受體和鈣離子通道感知，傳遞鈣離子通過質膜進入細胞或釋放細胞內存儲的鈣離子，形成特定的鈣信號。當植物遭遇鹽脅迫時，外界的鈣離子便會通過迄今仍然未被發(fā)現的鈣離子通道進入細胞產生鈣信號。這種鈣信號導致植物根系細胞對鹽脅迫的適應，以及隨后形成鈣離子波，長距離傳播并介導整個植株的適應反應。

然而，目前對于植物如何響應高鹽脅迫有關的離子運輸、信號傳導，以及代謝途徑被廣泛研究，但關于植物如何感受外界鹽脅迫，即植物如何將外界鹽脅迫信號轉化為內部生物信號這一基本生命過程的研究卻相對匱乏。

對植物感受外界鹽脅迫具體反應機制認知的缺乏，必然導致在環(huán)境急劇變化的當下，人類不能有效地利用該機制研發(fā)相應措施，保障農作物等植物的健康生長。圍繞這一重要問題，多年來，蔣中浩通過結合突變體篩選、鈣信號成像實驗、離子特異性檢測、細胞表面電勢分析、脂質組學研究等多種科研方法，開展了一系列原創(chuàng)性工作。經過長期的潛心苦研之后，終于在2019年，蔣中浩在該領域取得了突破性成果。

一直以來，氯化鈉是引起植物鹽脅迫的主要原因。其離子毒性體現在細胞內高濃度鈉離子與其他離子競爭參與生物反應，而其通過擾亂離子平衡產生滲透脅迫從而對細胞功能具有負面影響。鹽感知是鹽出現后的起始事件，出現極快，而細胞質鈣濃度增加又是可檢測的最早感受鹽環(huán)境脅迫的信號，它的發(fā)生遠遠早于鹽脅迫誘導基因表達。在研究中，蔣中浩通過鈣成像技術，結合離子濃度的等滲分析研究，構建了鹽誘導細胞質鈣濃度增加的檢測方法，首次通過鈣信號解決了植物是否能夠區(qū)分離子脅迫和滲透脅迫的重要科學問題，為研究植物如何感受高鹽脅迫奠定了基礎。

除此之外，蔣中浩還運用鈣成像技術篩選并研究植物鹽離子感受突變體。與傳統(tǒng)的遺傳篩選需要達到穩(wěn)定期不同，鹽誘導下發(fā)生的細胞質鈣濃度增加事件僅持續(xù)約50秒，而誘導后短時間發(fā)生的事件又是評定表型的重要指標。因此，利用鹽誘導細胞質鈣濃度增加的遺傳分割方法是最有可能發(fā)現植物鹽環(huán)境感受分子機制的研究手段。蔣中浩通過捕捉鹽誘導下細胞質中瞬時增加的鈣濃度，利用正向遺傳學篩選，獲得了一些細胞質鈣濃度增加缺陷型突變體。通過分析這些突變體的鈣信號，蔣中浩發(fā)現植物對外界鹽脅迫下不同價態(tài)陽離子的感受機制可能不同；另外，當植物根尖感受鹽脅迫時，會通過細胞質膜上的鹽感受器向植物上部傳遞鈣信號波；除此之外，SOS信號途徑，即擬南芥高鹽環(huán)境下離子平衡與信號傳導體系，依賴于上游鹽環(huán)境感受器所產生的細胞內鈣信號。

不只如此，蔣中浩還通過遺傳篩選獲得的一些高鹽脅迫下離子特異性誘導細胞質鈣濃度增加缺陷型突變體，鑒定到具有緊密相關性的一系列基因MOCAs。其中MOCA1可以將GlcA轉移到IPC，形成細胞質膜外側的鞘脂——GIPC。GIPC可以感受到細胞外陽離子的變化，引起細胞外表面電勢變化，從而激活細胞質膜上的鈣離子通道，導致胞內鈣離子濃度增加，進一步調節(jié)細胞生理生化活動以適應鹽脅迫環(huán)境。蔣中浩通過研究證明GIPC可以與鈉離子結合并參與鹽誘導的早期信號事件，以及持續(xù)地影響植物生長和發(fā)育。同時他還發(fā)現MOCA1形成的GIPC在植物中是作為離子感受器來行使功能的，而與動物的鹽感受離子通道不同，這種植物特異性的GIPC鞘脂是第一個被發(fā)現的非離子通道型鹽感受器?！斑@說明植物在進化過程中，對應對外界環(huán)境中水分和離子變化有著獨特的方法?！笔Y中浩說道。而他的這項研究也為研究植物感受鹽脅迫機制開辟了一條新道路。

一系列的成果對研究植物抗性生理，植物的環(huán)境感受機制，以及植物脂質功能起到了積極推動作用，給學術界的發(fā)展帶來了新的推力。該成果還被國際著名學術雜志Nature作為封面推薦文章發(fā)表。文章甫一發(fā)表，便受到了學術界廣泛的關注，被多位世界知名科學家推薦至著名學術論文數據庫Faculty Opinions收錄。

不僅如此，由于植物的鹽感受機制對闡明鹽環(huán)境適應性性狀的分子調控基礎，以及闡析農業(yè)生物生長發(fā)育的可塑性和對鹽脅迫的應答機制具有重要意義，同時也對培育精準抗鹽的農作物有極其廣泛的應用前景，該成果引起了國家科技部領導高度關注。王志剛部長和徐南平副部長對該研究項目管理及后續(xù)研究給予專門批示，并派蔣丹平副司長及相關專家組成的調研組來與項目研究團隊進行考察交流。對此，蔣中浩頗為欣慰地說道：“多年的艱辛研究終究沒有白費，只要能夠對我國科技特別是農業(yè)科技的發(fā)展有所幫助，我就心滿意足了?！?/p>

追尋科研的價值

通過對植物如何感受鹽脅迫的研究，促進農作物等植物的健康生長，為保障國家糧食安全做出自己的貢獻，是蔣中浩一直以來的研究追求。但如果撥動時鐘，將時間推到20多年前，就會發(fā)現，彼時的他內心雖亦有為社會服務之志，但尚沒有如今這般明確和成熟，推動他在這條路上走下去的更多只是對植物研究的濃厚興趣。

彼時，蔣中浩剛剛考入蘭州大學生命科學學院攻讀本科學位。大一時，他走進蘭州大學剛剛建成的實驗樓，接觸并學習與植物相關的實驗，這一接觸，蔣中浩的眼睛就從植物上挪不開了?？此坪唵蔚闹参铮膬炔烤谷挥羞@么多的奧秘可以探索。實驗做著做著，不光眼睛挪不開了，蔣中浩的心也被吸引住了。

到了研究生時期，蔣中浩受教于時任蘭州大學生命科學學院院長安黎哲教授。安教授本著鼓勵學生自由探索的教學理念，培養(yǎng)學生獨立分析問題的能力，同時給學生足夠的空間將自己的想法轉化為實踐。這樣啟發(fā)式的教育方式，使得蔣中浩對植物內部的探索欲望不斷加深，他說，自己后來很多關于植物的原創(chuàng)性研究，最初的想法和思路就是從那時候開始的。

后來，帶著對植物研究的熱愛和希望在這條研究之路上走得更遠的想法，蔣中浩申請作為聯合培養(yǎng)博士生遠赴美國杜克大學裴真明教授的實驗室求學。年輕且驕傲的學子，為了能夠在自己喜歡的領域鉆研得更深，他幾乎每天從早到晚投入自己的實驗之中?！澳菚r候好像沒有什么別的事情可以讓人分心，除了做實驗就是做實驗?！笔Y中浩回憶道。在那段時間，蔣中浩在裴真明教授的指導下開始進行植物如何感受鹽脅迫這一長期懸而未決的研究課題。同時，在研究過程中，蔣中浩也逐漸了解了研究植物關于鹽脅迫的感應機制對農作物成長的重要性。他想通過自己的研究，為祖國的農業(yè)發(fā)展貢獻自己的力量。

2013年獲得博士學位后，蔣中浩先后前往杭州師范大學植物環(huán)境感受中心及深圳大學從事相關研究工作，中間還曾回到杜克大學擔任研究科學家。

研究上的勞累蔣中浩并不在意，生活上的難題也慢慢會解決，真正讓蔣中浩感受到研究艱難的是對于前景的未知。關于植物如何感受非生物脅迫，特別是植物如何感知外界鹽脅迫的問題屬于基礎研究的前沿領域，沒有太多前人的經驗可供借鑒、很難在短時間內獲得成果是該領域的研究特點。在研究的前五六年，蔣中浩一直沒有發(fā)表任何具有代表性的成果，那時候的他如同在迷霧中行走，心里不是沒有焦慮，卻始終看不到出口?！俺晒膊皇遣荒馨l(fā)，只是想發(fā)一個更具有突破性的，但很多人并不能理解。”蔣中浩苦笑著回憶那段備受煎熬的時期。談起那段經歷，蔣中浩特別感謝自己的父母和妻子，每次當實驗不順利的時候，他們都會鼓勵他說：“再堅持一下?！?/p>

直到2019年，蔣中浩終于撥開了迷霧，鑒定出植物對于鹽脅迫的感受器并闡明了其分子機制，在自己喜歡的領域做出了極具突破性的建樹。談及此，蔣中浩感慨道：“事實證明，無論過程有多難，對于自己一直從事的事業(yè)，只要咬緊牙關堅持住，總會有取得突破的那一天。”

任重而道遠

和實驗室成員參加學術會議

20多年的鉆研路程走過，如今蔣中浩已經從一個初入植物環(huán)境感受研究專業(yè)的新人，成為在該領域做出重大貢獻的科研工作者。盡管已經在植物的感受機制方面取得了突破性進展，但蔣中浩很清楚，在氣候環(huán)境并沒有明顯好轉的今天，關于植物應對鹽脅迫的研究還有很長的道路要走。

在之前的研究中，蔣中浩已經在植物感受環(huán)境研究領域鑒定了植物鹽的感受器，但植物細胞質膜上可能存在的鈣離子通道仍未被鑒定，而這正是植物環(huán)境感受中最為關鍵的問題之一。此外，植物從最初感受鹽脅迫到如何產生特異性鈣信號的網絡機制仍然還須深入研究。因此，蔣中浩今后將會在過往研究成果的基礎上，繼續(xù)開展“植物感知和應答鹽脅迫的分子調控網絡”的研究，以鹽脅迫下擬南芥的鈣信號作為研究對象，系統(tǒng)性構建植物從鹽環(huán)境感知到鹽脅迫響應的分子調控網絡。

在下一步的研究中，他將會運用可以捕捉瞬時鈣信號的鈣成像系統(tǒng)，利用穩(wěn)定表達水母熒光蛋白的擬南芥突變體種子庫為對象，以測定植物細胞內鈣離子濃度變化為切入點，篩選鹽脅迫無感受的突變體，從而獲得編碼擬南芥鹽脅迫感受器和鈣離子通道及其相關調控組分的基因信息。

另外，蔣中浩還將利用鈣成像系統(tǒng)，進一步闡明鈣信號在植物鹽脅迫感受響應機制中的先導作用，通過發(fā)現感受器相關基因及鈣離子通道，揭示植物將鹽脅迫因子轉變?yōu)樯镄盘柕姆肿訖C理，系統(tǒng)解答植物如何感受鹽脅迫這一關鍵問題。“要做這些依然很難，但必須繼續(xù)做下去?！笔Y中浩嚴肅道。

關于未來的研究方向，蔣中浩規(guī)劃得很清楚，目前團隊成員的研究工作主要還是對他之前做出的突變體進行分析研究，各自專注于不同的突變體研究上。“等大家在各自的研究工作上做出相應的成果后，我們便會眾絲纏成線，由點到面地對該領域進行系統(tǒng)性的研究。”蔣中浩總結道。同時，他很清楚，以后的研究道路上還會遇到無數的難題和挫折，有些他現在可以預料得到，有些是目前看不見的，“但無論是為了自己心中對探索的熱愛，還是為了給國家的發(fā)展貢獻力量，我都會以堅持不殆的信念繼續(xù)走下去。”蔣中浩說道。