作者:刁雯蕙 来源:中国科学报 发布时间:2024/11/29 8:35:50
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黑暗中,植物感光的“眼睛”有用吗

 

曾德圣在实验室观察拟南芥幼苗生长状态。受访者供图

■本报记者 刁雯蕙

因为一次偶然的发现,曾德圣开始了长达6年的科研“长跑”。近日,付出终于有了回报。在导师刘宏涛教授的带领下,在深圳大学从事博士后研究工作的曾德圣,以第一作者的身份在《细胞》发表研究。

从2017年进入中国科学院大学硕博连读到在深圳大学深造,这是曾德圣7年研究生涯里发表的第一篇文章。该研究揭示了植物中蓝光受体隐花色素CRY2在黑暗条件下可以与互作蛋白结合,抑制植物根的生长。这一发现挑战了传统观念,提供了对植物光受体功能的全新见解。

挑战传统观念

2018年11月21日,一个寻常的午后,曾德圣像往常一样在实验室开展实验,一个奇怪的现象引起了他的注意。他发现,植物感知蓝光信号的“眼睛”——蓝光受体隐花色素CRY蛋白在黑暗中并不像以往研究提到的“不具备功能”,其功能缺失突变体与对照组存在不同。

科学家于1993年首次发现拟南芥蓝光受体CRY蛋白。此后,科学家大多聚焦于CRY蛋白蓝光响应后的活动,并找到了多个蓝光受体如CRY1蛋白、CRY2蛋白和CRY3蛋白等,它们具有不同的功能和特性。其中,CRY2蛋白在蓝光下可以促进植物开花。

“过去,大家都认为,CRY2可以在蓝光下调控植物开花,在黑暗中则没有这一功能。然而,我发现并非如此。”曾德圣说,在敲除了CRY2蛋白的突变体植物中,尽管突变体植物的下胚轴长度与野生型没有差异,但在其他方面却存在差异。

“那是我在中国科学院大学硕博连读的第二年,还是一个‘科研小白’。最开始发现这一差异时,第一反应是自我怀疑,我想是不是实验设计或实验操作出了差错。”曾德圣回忆道。但在多次重复实验后,这一现象依然存在。

“这个现象如果能得到解释,绝对是领域内的重大突破。”听完曾德圣的汇报后,时任中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员刘宏涛难掩兴奋。

正是这一偶然的发现,让曾德圣开启了一场长达6年的科研“长跑”。

在重复实验中找到关键证据

研究初期,曾德圣面临诸多挑战。

“这项研究从确定大体研究框架到发表,花费了5年时间。其中,实验阶段最困难的是寻找CRY2在黑暗中的互作蛋白。”曾德圣说,研究初期,由于对该领域的理解不够深刻,将近一年的时间他都处于迷茫中。

直到硕博连读的第三年,随着知识的积累,曾德圣对实验操作越来越熟练,才利用课题组建立的酵母双杂交筛选互作蛋白的实验体系,成功筛选出目标蛋白FL1和FL3。这两个蛋白在黑暗中能和CRY2相互作用,在蓝光下则不能。

“公开研究显示,这两个蛋白的同源蛋白FKD1与叶脉调控功能有关。由于起初我认为CRY2与叶脉调控功能没有关系,所以当时我并不认为这两个蛋白会参与‘CRY2在黑暗中的功能’。”曾德圣告诉《中国科学报》,但在进一步的蛋白相互作用验证实验中,他发现尝试过的所有候选蛋白中,仅有FL1和FL3同CRY2的相互作用会被蓝光抑制。

“这说明,做实验不能被主观判断绊住脚,得勇敢尝试其他可能性。要是当时依靠主观判断忽略掉FL1和FL3,这个课题很可能仍无法确定前进的方向。”曾德圣总结道。

光形态建成和暗形态建成是植物生长发育过程中两种重要形态变化,它们分别对应植物在光照和黑暗环境下的不同生长状态。

“CRY2在黑暗中能同FL蛋白相互作用,抑制其功能活性从而抑制植物的主根伸长,这是暗形态建成中植物根较短的原因。而蓝光下由于CRY2切换为光激发态,不再和FL蛋白相互作用,抑制解除,功能被释放的FL蛋白此时可以促进根伸长,这便是光形态建成中植物根较长的原因。”曾德圣解释。

寻找“偏差值”以外的正确答案

“比起听到论文发表的消息,更让我兴奋的是得到第一轮审稿人意见。”曾德圣说,“从6月中旬投稿到文章上线,总共只花了5个月的时间。”

在第一轮审稿环节,审稿人便对研究给予了高度评价。他们认为,CRY黑暗中的功能发现在光信号领域具有里程碑式的意义,也让人们重新思考受体的功能模型,起到了引领性作用。

在曾德圣看来,这项科学研究最关键的“驱动力”是有再次向难题发起挑战的勇气。“如果将我们为探索真理所做的实验看作统计学正态分布的各个样本,那么失败的实验就是与真理存在过大偏差的样本。但我认为,即使偏差巨大,只要通过不断尝试,增加样本量,理论上还是有机会逐步找到正确道路的。”

“我一直提醒学生不能有惯性思维,认为过去大家都是这么想的,我也该这么想,这样可能不会有创新发现。”论文通讯作者刘宏涛说。

除了在人工气候室设置黑暗条件外,大自然中,埋藏在土壤深处的植物根部、生物不透光的组织细胞、地球生命经历的黑夜等都可以作为“黑暗资源”。这项研究通过揭示CRY2在黑暗中的功能,为以后利用“黑暗资源”调控农作物生长发育提供了理论指导。

“从应用层面讲,植物要高产,不仅要有强光合作用,还要‘营养高效’,植物在地下吸收营养、吸收水分的能力更强。利用这一成果,通过调控改造植物的根系,我们可以让植物更好地吸收营养。”刘宏涛表示。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.031

 
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