赵杨：久旱逢甘霖，植物“干”而不死极端策略的启示

　　新浪财经讯  主题为“和而不同，思想无界”的 CC讲坛第49期演讲于2022年7月23日在北京以线上直播方式举行。来自中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员赵杨出席，并以《久旱逢甘霖，植物“干”而不死极端策略的启示》为题发表演讲。

　　以下为演讲全文：

　　大家好，我是赵杨，来自中科院分子植物科学卓越创新中心。今天和大家分享植物抗旱的故事。我出生和成长在黄土高原，在我的记忆里干旱是刻骨铭心的缺水。每年的冬春季节村中断水，我就跟着爷爷、叔叔走十里山路，到别的村庄去拉水。水和粮食一样珍贵，就像一位诗人所说，“剁开一粒黄土，半粒在喊渴，半粒在喊饿。”这种记忆是刻骨铭心的，直到现在我还舍不得浪费水。

　　黄土高原是我国华夏文明的中心，也是起源地，但是为什么这一地区干旱频发？我们可以从地理书中找到答案。我国的东部是典型的大陆季风气候，东南的季风带来水汽，但是由于季风的不确定性，每年都有旱涝或者洪涝灾害。在我国的西北地区它是非季风区，常年干旱，中华五千年的文明也是一个水旱灾害的防御史。《史记》记载了前三千年的历史，司马迁描述道“六岁穰，六岁旱，十二岁一大饥”。这什么意思呢？三千年前平均两年一次干旱，十二年一次大饥荒，在接下来的两千年里，大约发生了1300次大旱，也就是五千年的历史里面一直是平均两年一次，干旱如此频繁，它会带来如何严重的后果呢？

　　在《国语》中记载“伊洛竭而夏亡”。也就是河南陕西一带的伊河、洛河干涸了，导致了夏朝的灭亡。那在之后的朝代里，例如明朝末年连年大旱，农民起义，明朝灭亡。干旱它可以造成朝代的动荡，也会造成非常严重的饥荒。在我国历史上“人相食”有过多起的记载，最近的一次发生在民国。1942年那年，春夏大旱，河南三千万人受灾，三百万人饿死。那一年是旱灾，蝗灾，还有战争接踵而来，那人民流离失所，四处逃荒。电影《一九四二》记载了这一惨状。

　　新中国成立之后，我们国家先修水利，人民丰衣足食。然而干旱真的离我们远去了吗？其实不然，我们可以预见到未来依然缺水。在接下来的30年里，人口将要进一步增长，需要的粮食也进一步增长。然而我们的耕地面积有限，而淡水资源是在逐渐的匮乏。也就是说粮食危机依然存在，因此我们才要研究植物如何应对干旱，以及如何培育抗逆稳产的作物。

　　为什么水对我们的生命如此重要呢？这是因为我们地球的生命起源于水。人体中有65~70%是水分，植物体中有80~95%，当我们失水2%开始感到口渴，4%的时候皮肤失去弹性，8%我们的精神异常，10%我们危及生命，20%死亡。

　　当动物感到口渴之后，它可以去寻找水源，但是植物它由于固着生长无法移动。在长期的进化中，植物它也就进化出来各种各样抗旱的策略，像花粉散播、种子存储以及旱区长期生长的植物，它们都要经历长时间的干旱胁迫，它们进化出了一种“干”而不死的策略。可以脱水，水分含量极低，在这种情况下存活很多年。

　　动物里面在缓步动物门里面有一些动物，例如水熊虫，它也可以脱水生存，抵御长时间的干旱。除此之外，可能也只有科幻小说里面的三体人，他们可以脱水变成纸片人，度过干旱的环境。这些细胞它如何在脱水的环境里面存活？我们可以看到在干旱下他们会积累大量的高度亲水的无序蛋白，这些蛋白可以保护我们生命的大分子，就像蛋白质、核酸等等。它保护这些大分子不变性，然后干旱下它们会进一步的脱水收缩，细胞变成了一个水凝胶的状态，生命似乎按了暂停键，进入了休眠状态，复水之后它们就又存活。这是一种非常强大的力量。

　　在我国的神话传说里面有一种九死还魂草，它其实就是复苏植物——卷柏，而卷柏的复苏，它就像怒放的生命一样。卷柏它的生命力极为顽强，它在三亿年前进化出来，然后至今还生活在我们旱区的石缝中，是一种先驱植物，但是它的缺陷是什么？它长得极慢。在长期的进化中，植物还形成了一种应对干旱的更普遍的策略避免脱水。如进化出叶片，它可以进行光合作用，将光能转化为化学能。植物还进化出来根可以从土壤中吸取水分。在叶片上有一个个小孔，就像鼻子一样，我们叫做气孔，它可以吸入二氧化碳，放出氧气和水。

　　在干旱的环境下，植物关闭气孔，减少水分的丧失。在沙漠植物里面进化出来各种各样抗旱的策略，例如仙人掌把叶片进化出像针刺一样。猴面包树，它可以用树干储水。骆驼刺有非常深的根系。生石花将自己封闭，当厄尔尼诺带来沙漠的大雨，潜藏的种子，它可以快速的萌发生长开花结果，完成一个生命周期。在短短的几天里面，一个“生命禁区”就变焕发了勃勃的生机。沙漠植物它具有共同的特征就是忍耐，它们似乎懂得深挖洞、广积粮、高筑墙、缓称王的策略。在进化的过程里面，五亿年前植物开始登陆。登陆之后，在干旱的环境下倔强的生存和繁衍，将我们一个原始荒凉的地球大陆变得如今生机勃勃。在这个过程里面有一个抗旱的激素，ABA又叫脱落酸，它起了核心的作用。

　　脱落酸它是如何被发现的？在上世纪60年代，来自美国加州大学，英国威尔士大学和新西兰科学与工业管理局三个实验室，他们分离出一种小物质，这种小分子它可以促进桦树芽的休眠，帮助它度过严寒和干旱，还可以调控棉铃的脱落，黄羽扇豆花和果实的脱落。根据它的功能脱，科学家将它命名为休眠素和脱落素II。在之后发现小分子实际上是同一个物质，在1967年在第六届的植物生长物质会议上，大家协商了之后把它命名为脱落酸。

　　脱落酸发现之后，科学家就开始研究它的合成信号功能，但是脱落酸的受体直到2009年才被发现，它是我们植物中五大激素里面最后发现的受体，为什么呢？因脱落酸的受体家族成员非常庞大，传统的方法找不到。加州大学有一位科学家Sean Cutler，他就利用一种新的策略，他先寻找脱落酸的类似物，再利用类似物去寻找受体，最终他成功的找到了受体。他的研究持续了多少年呢？他从博士期间就已经开始脱落酸的研究，前后用了近20年，最终才找到脱落酸的受体，解决了一个世纪难题。与此同时在德国Erwin Grill实验室，他们用生化的方法也找到了脱落酸的受体，他们共同的发现在2009年被《科学》期刊评为十大科学进展之一，并被广泛应用于作物的抗逆遗传改良。

　　下一步，就是我们看脱落酸它有什么样的功能。我们可以看一看正常的植物是怎么去生长。在适宜的环境下，种子要萌发生长开花结果，但是干旱它会打断这个过程。脱落酸它可以促进种子的休眠，抑制萌发，抑制生长，让气孔关闭，植物虽然长得小，但它很强壮，可以在干旱下存活。

　　脱落酸还有一个重要的功能，就是促进休眠，让种子具有非常长的寿命，可以看成是一个长寿的激素。在我国和日本多地发现了一种千年甚至两千年的古莲子，在经过精心的培育之后，它们依然可以开花结果。脱落酸在这中间就起到重要的作用。它的功能可以总结为的忍耐和等待，忍耐暂时的逆境等待顺境的来临。由于脱落酸的特殊性，我们在植物抗逆中就有一个难题，生长和抗逆不可兼得。这是为什么？当我们关闭气孔减少水分的丧失，这时候就带来一个问题，二氧化碳的进入也减少，光合减少光合减少之后，根系就不能正常的生长，没有根系我们就无法获得水分。因此植物采取了这种忍耐和等待的策略，最终就是进入一个闭关锁国的状态，坐吃山空。

　　因此我之前的研究，我还陷入过犹豫怀疑，这似乎是一个哲学问题，如何能解决？能不能打破这么一个怪圈呢？在干旱下有没有开源的策略？干旱下有两个源，碳水化合物和水。在碳四植物里面，例如玉米、高粱等等，它们可以在极低的二氧化碳浓度下进行光合，然后这样就解决了干旱下光合的问题。发达的根系它可以获得水分，解决水的问题。因此我们可以看到在浮水植物中它有非常短的根系，但在沙漠植物里面它有很强大的根系，这些根系可以帮助植物获得充分的水分。

　　然而植物根冠比它作为一种应对干旱的弹性的策略，长久以来它的机制很难解决，为什么干旱它抑制植物地上部分的生长，但是促进根系的生长。为什么旱区的瓜果特别的甜？这些问题伴我从少年到中年。在这个过程里面，我就首先问了一个问题，脱落酸是否起了作用？我们就做了脱落酸的多突变体，消除了12个突变体。12个脱落酸的受体，最终发现在野生型里面干旱——它可以抑制地上部分的生长，但是在突变体里面我们看不到这种抑制野生型里面我们看到干旱促进根系的生长，突变体中没有这么一个响应，因此这就说明干旱下植物利用脱落酸去调控根冠比下一个难题就来了。

　　脱落酸如何调控呢？在普渡大学的一个学术讲座里面，我意外的发现蔗糖转运突变体，它的表情和脱落酸的突变体非常相像，也是短根植株矮小，种子有缺陷。当时就灵光一现，我在想难道脱落酸通过调控蔗糖的转运，从而去影响植物根系的生长，植物整株的生长以及种子的灌浆，果实的甜度。这些过程其实科学很奇妙，我们有时候很多问题百思不得其解，但是有可能在特殊的契机下就会顿悟。

　　当时我看到这个结果之后，我就特别的兴奋，思维真的在那一瞬间就在奔逸，然后回到实验室马上设计实验，去检测我假设是否是这样的。然后当然那位研究者后来成为我的合作者，我们一起去探讨了干旱胁迫下蔗糖转运和植物根系生长的问题。

　　在经过五年的研究之后，我们才初步对这个机制得到了一些见解。干旱下由于根系的生长，它依赖于地上部分光合产物的转运，但是光合产物长距离的转运，它是以蔗糖的形式的，蔗糖的转运它依赖于韧皮部，这就像一个高速路，而蔗糖转运蛋白SWEET就像高速路的入口一样，干旱下脱落酸，它对蔗糖转运蛋白的调控就提高了它的效率。

　　所以我们发现了这么一个调控，它就像打通了植物体内蔗糖的一个物流的转运，它让叶片合成的这种蔗糖快速的转运到需要它的地方，就像根芽和果实中，这样从整体上提高了植物的抗旱和生长。最终工作在年初发表在《自然-植物》上，同期还发表了中国农业大学巩志忠教授和杨淑华教授他们发表了评论《Drought meets SWEET》，这是很有一个寓意的名字，他们后来告诉我其实是“久旱逢甘霖”。

　　现在SWEET的调控它还有上升空间吗？其实是有的。SWEET其实在进化上很奇特它在进化上并不完美，它的活性非常的低，但是它的功能又非常的重要。大家想一想叶片上合成光合产物之后，需要把蔗糖快速的转运到需要它的地方，才能促进这些地方的生长，而根系生长了以后才能提供充足的水分和养分，给我们植物种株的生长。所以如果我们进一步提升SWEET的活性，可以从一个开源的角度提升植物整体的生长，抗逆和产量。然后当然它的应用空间非常的广泛，就像我们的种子植物、薯类以及树木这些里面，我们的目标其实就是它进化不完美，我们能否通过我们的努力让它变得更完美。

　　我们在前期的研究里面取得了一些进展，解决了一些干旱相关的问题，但是要把干旱相关的问题彻底解决，我们需要回到干旱的信号上，要去解决干旱信号的早期的感受和传导，但是早期的信号如何去研究？这里面我们有一个假设，我们把植物想象成人，想象成一个军队，当它感知干旱之后，它有一个司令部可以做出来决策，发出命令，层层传递，从而调动整株植物，就像调动整个军队一样去抵御干旱。这个时候如果司令部成员出现了问题，决策不能做决策，命令不能传递就断掉了，但是如何去寻找？我们就因为命令的传递和信号的传递它们都非常类似，你经过越多的环节它越容易产生干扰，因此我们就用最早期的一个信号——钙信号去研究干旱的感知。钙信号它是非常快的，但是有多快？大家看到了剪掉一片叶子之后，该信号瞬间爆发，并且传遍植物的全身，植物它并不是不能感知，它只是不会叫，不会跑而已。

　　其实钙信号相关的研究，我们其实于多年前大概在17年前，因为我们要找这个司令部的成员的话，我们其实就是要找到该信号减弱的突变体材料，但是17年前我在北京生命科学研究所还在读研，在我的老师的指导下，我们找到了钙信号增强的材料，但是没有找到钙信号减弱的材料，为什么？因为当时的钙信号非常的弱，找强的容易，找弱的难。因此在十年前我读做博后期间，我又用钙信号增强的材料建立群体，接着寻找钙信号弱的材料，并在两年后才找到第一株。当然这个材料的克隆，我们平常的克隆等等研究工作非常的艰难，这可能又过了6年之后，在我自己实验室又建立之后，4年之后才初步理解了它感应干旱以及传递信号的潜在机制，这个工作才发表在《当代生物学》上。

　　当然在这期间这么长的时间，我也是很长时间怀疑过自己，我的博士导师和我的博后导师，他们都跟我说过一个事情，他们说我博后期间做这个事情你肯定做不完，找工作的时候用不到，但是我想把有一些事情总要去做，总要去解决，他们都是非常支持我的。

　　大家可以看到这个工作后面有我的博士导师的支持，博后导师的支持，还有我实验室的成员的特别艰难的努力，当然我们现在实际上只找到了司令部成员中的一员，我们还在尝试去找其他的几位，尤其是最关键的做决策的那几位。我们在干旱的研究里面有几个特别核心的问题，大家都在追踪，很艰难。这几个问题是什么呢？干旱是什么；干旱如何被植物感知；以及植物如何响应；我们如何做这个抗逆的作物。这些问题它都很难，但是也都能做，需要时间。“道阻且长，行则将至。”我们特别信服这句话，我们实验室就想着要逐步的解决植物感应，传递响应干旱的这些机制，并且把我们获得的知识应用在作物的抗逆遗传改良上，我们期望获得这种抗逆稳产、高质量节水的农作物，然后让我们在干旱下至少还有吃的，让我们节约农业的用水，让我们在未来不至于过于恐慌。当然这非常艰难，但是，路漫漫其修远兮，与志同者共求索，我们坚信有目标、有同伴，我们可以解决这些问题。

　　谢谢大家！

　　新浪声明：所有会议实录均为现场速记整理，未经演讲者审阅，新浪网登载此文出于传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其描述。

海量资讯、精准解读，尽在新浪财经APP

责任编辑：梁斌 SF055