作者:刘悦 谢午阳 来源:《国科大》 发布时间:2022/9/23 15:04:43
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石雷研究员:将芬芳的种子,播撒向更广阔的天地

 

编者按:

早在3500年前,古代巴比伦人和亚述人就会通过焚烧香料参与相关活动。到了中世纪,香料已成为欧洲贵族地位的象征,一度和黄金等价。

中国汉代的《礼记·内则》中记载“男女未冠笄者……皆佩容臭”,这里的“容臭”就是香囊。在文人笔下,香囊与君子之风有着千丝万缕的联系,“扈江离与辟芷兮,纫秋兰以为佩。”

薰衣草、迷迭香、薄荷、罗勒、百里香……这些生来馥郁的植物,与人类共同谱写了一卷芳香的历史。

如今,在中国科学院植物研究所(以下简称“科院植物所”),有一批科研人员,正致力于将芬芳的种子,播撒向更广阔的天地。

如“蝴蝶效应”一般,一场特大沙尘暴,把中国科学院大学博士生导师、科院植物所研究员石雷“卷”进了一场“芳香的事业”。

之后的十余年间,石雷和他的团队终日与薰衣草、迷迭香、牛至、薄荷、罗勒、百里香等芳香植物相伴,涉及日化、食品、医药、观赏绿化等广阔的应用版图。

芝兰以为伴,芳草碧连天。

转角遇到你,芳香植物

2000年的春天,在北方人的记忆里并不那么美好。

这一年,我国华北地区接二连三出现大范围、高强度的沙尘天气。飞沙走石不仅严重干扰了人们的正常生活,在个别地区甚至造成了人员伤亡。

石雷当时还在从事三北(东北、西北、华北)地区植物资源收集与迁地保护工作。看着窗外弥天盖地的昏黄,他暗自下定决心,发挥所长,把自己收集到的丰富植物资源应用到改善三北地区的生态环境中。

在科技部首都圈(环北京)防沙治沙应急技术研究与示范项目的支持下,石雷团队开始对科院植物所北京植物园收集的植物材料进行分析、筛选,以构建三北地区生态屏障。

选择植物的标准是什么?除了生态功能,石雷希望它们同时具备一定的经济价值,这样也能给当地百姓带来一些收入。

最先进入石雷视线的是药用植物。例如甘草,常生长于干旱沙地等恶劣环境中,具有固沙保土的作用,其根入药,祛痰止咳,具有很高的经济价值。

然而,人们若要采挖甘草,就必须把它们的根从土中刨出来。盗挖甘草导致土地沙化的案例屡见不鲜。这就陷入生态与经济价值“不可兼得”的困境。

那么,究竟什么样的植物,才能兼具生态效益和经济价值呢?

经过多年探索,2008年起,石雷团队的目光终于聚焦在了芳香植物上。

据不完全统计,世界上的芳香植物至少有3600种,其中大量物种适合在干旱地区生存。它们的花、果、茎、叶等部位及其提取物,可以广泛应用在日化、食品、医药等领域。

“芳香植物大多是多年生植物,我们只采植物的地上部分,根可以继续保留在土里,履行固土的职能。”石雷介绍,“不必破坏土壤表面,就可以获得较高的经济价值。”

经过十余年的耕耘,目前石雷团队已经全面布局了芳香植物资源收集与保育、新品种育种、芳香物质代谢调控与功能挖掘、产业化示范推广等研究,形成对芳香植物从研究到利用的全流程覆盖;同时,也建立了涵盖从资源保育到产业化开发的“全能”研究团队。

多管齐下不容易,但石雷说:“咬着牙也要往前推。”

从地中海到中原大地的传奇

提到芳香植物,很多人第一时间想到的,就是大名鼎鼎的薰衣草。这种浪漫的紫色花朵原产于地中海地区,传到中国以后,也深受国人喜爱。

然而,在国内许多地区,薰衣草却表现出了严重的“水土不服”。比如,很多薰衣草品种很难度过北京哪怕略有潮湿的夏天。

这个“病症”,被石雷团队成员、科院植物所工程师李慧巧妙解决了。

2004年9月,第20颗返回式科学试验卫星首次搭载着100克薰衣草种子飞向太空。这些种子“回家”后,被种在新疆生产建设兵团。其中变异良好的薰衣草再进行扩繁,形成了一定的规模。

当地都形象地称这批薰衣草品种为‘太空蓝’。

在这批种子的后代中,李慧选育出了她的“宝贝”——参试品种中唯一能在北京顺利越夏并结实的薰衣草品种。

2017年的北京,平均降水量比往年偏多近五分之一,溽热潮湿,令李慧印象极为深刻。

“那年夏天,稀稀拉拉下了整整一个月的雨。”即便水已经浸没脚踝,她仍需要蹚着水,去田里查看各个薰衣草品种的生长情况。

经过连续几天的观测,让李慧心灰意冷。“天天下雨,很多品种的叶子已经看不到绿色了。”她精心培育的薰衣草田,就这样被天气毁掉了大半。

好在,还有一小片薰衣草的叶子是绿油油的。

李慧想,这个品种抗高温高湿的特性肯定特别强。于是,她给它取名‘洛神’,寓意洛水河畔守护一方平安。

经过多年努力,李慧见证了一段从地中海地区到中原地区的“浪漫传奇”。品种‘洛神’在北京的夏天茁壮成长,并于2021年通过农业农村部新品种保护实审。

植物引种,不仅是引入一颗种子或者一个扦条。更重要的是,如何让它们在新的家园落地生根。

出于这个目的,1996年,科院植物所老一辈科学家们建立了中国科学院野生生物资源库植物离体库(以下简称“植物离体库”),用组织培养技术,将收集到的珍稀植物资源保存起来。

新品种的选育不容易。而有了新品种的单株后,把个体数量从1变成10,再由10变成100、1000、10000……这个过程更是艰难而漫长。植物离体库的意义就在于,通过建立微繁快繁技术,在“1”之后源源不断地加“0”。

目前,植物离体库主要由石雷团队成员、科院植物所工程师王頔管理。“你给她(王頔)一段植物材料,她就能把它繁殖出来,这是个‘绝活儿’。”石雷赞叹道。

当前,植物离体库已建立、收集和保存植物离体培养物4000余份,制定了10项植物离体种质保存标准,建立了28种植物微繁技术。

走进植物离体库,培养架上、培养箱内,一个个锥形培养瓶里,密封保存着一瓶瓶绿色。“在培养瓶里,我们控制不让植物开花。因此,它们可能看起来没有那么‘漂亮’。”王頔说,“但这些是实打实的战略资源,可以实现中长期保存。”

交叉碰撞,全盘发力

芳香植物品类众多,用途广泛,相应地,石雷团队的研究方向也很丰富。再加上团队成员背景多样,他们往往能在交流与交叉中碰撞出意想不到的火花。

博士阶段进行动物营养学相关研究的张连华,2021年9月加入石雷团队,继续他的博士后生涯。在团队中,张连华主要从事芳香植物作为抗生素替代品的研究。

一直以来,芳香植物作为食品天然添加剂的潜在来源备受关注,它们不仅可以用于改善食物的特性,还能起到防腐保鲜的作用。而芳香植物精油作为一种天然植物抗菌剂,毒性较低、无残留、没有耐药性,作为抗生素的替代品,也逐渐开始“崭露”自身的优势。

“我的日常工作,是把芳香植物的提取物按一定配比,添加进动物的饲料中,研究它们替代抗生素的应用效果。”张连华介绍。在团队当前进行的蛋鸡饲喂实验中,一些芳香植物处理组能明显提高蛋的产量和肉的品质。接下来,他们希望能尽快把这些发现推向应用。

芳香植物的功能性评价,也是团队当前重点推进的方向之一。2019级博士研究生郝渊鹏的研究工作主要是对芳香植物进行成分分析、活性筛选,以抗菌、抗氧化指标等为考量因素,筛选出一些比较好的物种,进而进行功能性评价。接着,他会根据不同需求,针对性地做进一步的实验,让不同的物种“各司其职”。

每当团队成员在偏“上游”的芳香物质代谢与调控等基础研究方面有新的发现,他们就会想着,这些成果能否转化到偏“下游”的应用基础研究中去,以更好地挖掘出芳香植物的新功能。

“比如,有的芳香植物杀菌性较好,就可以用它抑制微生物活性,做一些医用的抗菌材料;有的抗氧化性较好,可以做食品的保鲜剂。”郝渊鹏说。

团队也有自己的“保鲜剂”。平时,石雷很注重维护团队的“活力”。每周的组会,都是团队科研思维的一场头脑风暴。组会上,每个学生会定期介绍自己的工作,其他学生则列席旁听。

“因为每个人的研究方向差别较大,最开始参加组会时,他们可能会听得‘天花乱坠’,但这也确实开阔视野。”石雷笑着说,“有些研究思路是共通的,他们可以吸取并应用到自己的研究中去,激发出更多的奇思妙想。”

芬芳的种子播撒大地

今天,芳香植物俨然已经成为“市场明星”,无论在化妆品行业、食品加工行业,乃至养殖业中,都越来越有“存在感”。

面对旺盛的市场需求,石雷团队也在不断探索横向合作,结合产业、市场需求,与地方政府和企业一起,推动芳香植物全产业链应用。

位于天山北麓的新疆伊犁,与地中海周边有着相似的气候条件,特别适合薰衣草生长。1956年,科院植物所北京植物园刚建成时,许多欧洲留学回来的老一辈科学家,将欧洲的芳香植物引进国内。它们经由一代又一代科研人员的育种、改良,形成了适合在新疆种植,且精油产量高、质量好的薰衣草品种,其中就有‘京薰1号’‘京薰2号’和‘京薰3号’等3个薰衣草国审良种。正是这些优良品种,成就了新疆的薰衣草特色产业。

石雷也在这片“中国薰衣草之乡”上耕耘多年,为薰衣草在新疆的产业化推广作出了重要贡献。为此,他还获得2011-2012年度新疆生产建设兵团“三佳科技特派员”称号和2012年度中国科学院院地合作奖“先进科技特派员”称号。

此外,石雷团队还在内蒙古、陕西、河南、山东和安徽等地进行了芳香植物的试验示范与推广。在中国科学院A类先导专项美丽中国生态文明建设科技工程的支持下,2019年,科院植物所与安徽阜阳市人民政府签订了“芳香植物产业化开发集成技术研究与示范”合作协议,完成并发布《阜阳市芳香植物产业发展规划(2019-2030)》。《规划》描画了50万亩芳香植物产业带蓝图,全面铺开日化、食品和医药等相关产业,串联起芳香植物研究应用的全流程,实现种植、加工、产业开发的“三产融合”新模式,助力美丽中国和乡村振兴国家战略的实施。

从2001年开始,石雷团队在中国科学院和科技部国际合作项目的支持下,与“一带一路”沿线国家特别是原苏联体系的东南欧国家开展合作,人员互访达50余人次,引进芳香植物15科60属532种(品种)。

科院植物所科研工作者的代际传承下,石雷团队建立和保育着4个国家植物种质资源库,涉及丁香、玉簪、蕨类植物和芳香植物。

同时,为推动国内芳香植物事业的发展,团队团结国内同行,石雷团队于2018年组建了中国野生植物保护协会芳香植物专业委员会,成为国内芳香植物科学研究和产业推广的重要交流平台。

“我们一直在收集物种作为国家战略植物资源。”石雷说,“就像攒邮票一样,尽管好像永无止境,却一直乐在其中。”

芳香植物新品种的确立,也大有门道。其中的重要一环就是经历DUS测试。

DUS,即特异性、一致性和稳定性三个英文单词的首字母组合。DUS测试可以为植物新品种保护提供可靠的判定依据。而DUS测试的基准,则由DUS测试指南来保障。

“建立植物资源库的时候,随着品种逐步积累、数量逐渐增多,我们对各植物属种的特点把握得更加清楚,也会同步形成相应的新品种测试指南。”李慧介绍。

在团队承担的农业农村部植物新品种DUS测试指南编研项目中,罗勒、迷迭香的DUS测试指南已基本完成,百里香的还在研制阶段。除了承担国内相关指南的编研项目,李慧也连续两年参与国际植物新品种保护联盟(UPOV)的技术工作会议,参与薰衣草属指南修订的讨论。

DUS测试指南的编制需要对植物各个生长阶段的多个性状进行观察记载。而对于某些性状,可能要经过几年的重复观察,才能最终作出合理、客观的评价。“虽然制定标准的过程比较漫长,但它是很有意义的一项工作,可以为新品种的申报奠定基础,保护育种者权益,提高我国芳香植物的育种水平。”李慧笑着说。

科研工作之余,石雷团队还从2019年起,联合中国野生植物保护协会芳香植物专业委员会,先后主办了几期《生命世界》芳香植物专刊。

《生命世界》是科院植物所主办的科普刊物。专刊中,团队中的老师、同学们依据自身研究内容及业内相关成果,用通俗易懂的语言,图文并茂地讲述着芳香植物的故事。“这些科普小册子做起来可不容易,但我们必须得做。”石雷说,“科学传播是我们的‘义务’。除了科研本身,我们还要产出一些科普内容服务大众。”

“芳香植物是美丽的,芳香物质是精华,芳香植物的事业是美丽的事业。”在《生命世界》的一篇稿件中,石雷这样写道。

2022年4月18日,国家植物园揭牌成立。国家植物园擘画的蓝图中,将以植物迁地保护为重点,坚持对各植物类群进行系统收集、完整保存、高水平研究以及可持续利用,发挥植物的多种功能和作用。

新的平台已经搭建,新的机遇已经启航。

石雷团队已经准备好了,把芬芳的种子播撒向更广阔的天地。(原标题:石雷:芳香的事业 作者系国科大记者团成员)

 
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