“沉默”10年再发《自然》，他们攻克35年未解之谜

文 ｜ 《中国科学报》 记者 王昊昊

研究成果登上《自然》后的两个月里，远方越来越忙了。除了开展日常研究外，她还继续和相关科研机构深入交流，以期将研究成果应用在更多领域。

这是远方历经10年再次在《自然》发表重要成果。这10年里，远方团队虽没有特别重磅的成果，但研究在不断深入。“我们在努力推出新东西，只不过越深入难度越大，取得重大成果的周期也越长。”

低渗，即水分增多时，植物细胞内的钙信号会增强。早在35年前，科学家就观察到了这一现象，并推测这是由低渗透压感受机制导致的，但始终不知道机制背后的钙信号增强是“谁干的”。

中国工程院院士、湖南农业大学教授邹学校科研团队的教授远方和刘峰课题组研究发现，当水分增多时，植物低渗感受器OSCA2.1和OSCA2.2会迅速感知外界丰富的水分，使胞质内钙信号增强，从而作出防御等反应，可以说，它们是植物周围多水环境下钙离子浓度增加的“开关”。

35年未解的“假设”之谜

人之所以能看到东西、感知冷热等，是因为体内有光、温度等的感受器。植物和人类一样，其根、茎等部位也有诸多感受器，在感受外界环境变化并做出相应调节的过程中发挥重要作用。

随着全球气候变暖，缺水对植被和农作物的影响会越来越严重。陆生植物是从水生祖先进化而来的，它成功克服了缺水和水分波动这两个看似难以逾越的障碍，适应了陆地环境。

“动物和植物体内都有感受器，但强度不同，比如小麦有40多个感受干旱和多水的基因，而小狗等哺乳动物只有几个类似的基因。”远方说，这是它们的生存环境决定的，动物能跑动，而植物是固定在一处生长的。

高等植物通过阻止脱水和过渡吸水的作用在陆地缺水和水分波动中生存。早在35年前，就有科学家将低渗透压诱导的钙信号增强推测为低渗透压感受机制，但其分子基础未知。

“长期以来，业界一直假设细胞质钙离子浓度的增加是在再水合过程中感知低渗透压的。通俗地说，植物周边水分增多时，其体内的钙离子浓度就会增加。但钙信号为什么增强、是谁干的，业界一直没弄清楚。”远方表示。

钙离子是植物生长发育和逆境响应的核心调控因子。当植物感受到外界环境变化时，会产生钙信号，进而激活下游相应机制。

“钙信号是最上游、反应最快的，它像通信兵一样，向后传递前方‘战况’后撤离，最快的钙信号两秒内起始、3分钟结束。我们想弄清楚环境变化后最上游发生了什么。上游的一个基因感受到钙信号后可能影响下游几十乃至上百个防御基因，进而增强抗性，这对植物育种等研究来说很关键。”远方说。

找到钙离子浓度增加的“开关”

远方的植物钙信号研究，是师从美国杜克大学教授裴真明从事博士后研究时开始的。

与所有生物体一样，陆生植物必须监测其环境中可利用水的多少来调控生长和发育。对植物感受器开展深入研究，不仅能真正了解植物对水分等的需求，还能借助感受器在育种方面取得新突破。

“植物体内原本是有很多感受器的，它自身能很好地应用，但我们不知道其原理，更没法利用它改良作物以提高抗性等。如果发现了这些植物感受器，就能在植物处于逆境下的关键生命周期对其进行改造，这很有应用前景。”这是远方开展植物感受器研究的重要原因。

在最新研究中，远方等人研究发现了植物多水感受器，阐明了渗透感受器依赖的花粉萌发过程中钙震荡的调控机制。

“我们终于搞清楚植物在多水环境下为什么钙离子浓度会增加了。”远方表示，关键是找到了两个基因，它们能够感受多水环境，是植物周围多水环境下钙离子浓度增加的“开关”。

她解释说，高温、低温、干旱等外界环境就像第一信使，当OSCA2.1和OSCA2.2感受到外界的多水环境后，会立即将第一信使传递到植物细胞中。这个信号就像第二信使，细胞识别到第二信使后会立即将第一信使的信息传导到细胞下游影响其基因表达，告诉它们“该干活了”。

聪明的植物在逆境中出品质

第二信使“拿到”第一信使的“信件”后，具体作何反应？

团队研究发现，很多钙信号往往会在很短的时间内消失。“从外界环境变化到第二信使接收到这一变化信息，最快的仅两秒钟。”远方说。

为什么信使不多待会儿，给下游基因更多反应时间？远方表示，植物里的不同基因各司其职，钙信号将信息传递后就回去“睡大觉”了，但这并不是因为它懒惰，而是其生存需要所决定的。如果钙信号传递信息后不返回，会导致细胞质内的钙离子浓度太高进而产生毒性，不撤离就是自杀行为。

远方举了一个种子萌发的例子。种子萌发时，温度、水分、地点等因素一定要适宜，这是种子萌发的关键因素。开弓没有回头箭，一旦种子萌发就要活下去，否则没法繁殖下一代。这要求种子首先能感受到外界的温度和水分环境，萌发后根据外界环境的变化调整自身对水分等的需求。

如果持续干旱，植物会调高自身细胞的渗透压，降低对水的需求，同时在细胞质内制造一些多糖、离子等渗透调节物质，加强自身保水能力。

“逆境出品质。”远方说，为什么干旱时水果往往会更甜，因为它在锁水过程中不断产生多糖、离子、氨基酸等渗透调节物质。而当夏季多雨时，水会不断渗入植物，此时它需要不断将体内的多糖、离子、氨基酸排出细胞外，否则细胞会不断膨大至破裂。这也解释了为什么夏天多雨时香瓜、甜瓜会裂开。总之，当外界环境超过一定极限，植物内部调控系统往往会崩溃。

“生物实在是太聪明了。”随着对植物钙信号研究的深入，远方感受到生物的强大。

以“挖矿精神”持续钻研小领域

为什么钻研一项35年都没有答案的科学难题？远方认为是团队的“挖矿精神”在支撑。

她认为，科学研究就像挖矿，挖到最好的“原矿”固然重要，而更关键的是将“原矿”打磨成最漂亮的“宝石”，也就是发现科学现象背后的机理和关键作用。

这些年来，远方所在团队一直在默默无闻地研究影响钙信号的植物感受器。“植物感受器是一个很宽泛的概念，但我们从一开始就聚焦影响钙信号的植物感受器这一小领域，因为我始终认为上游的感受器是牵一发而动全身的，弄清其原理对生物育种等研究更为关键。”远方表示。

当远方所在团队2011年克隆到高渗感受器的基因、2014年正式在《自然》发表成果时，很少有人知道植物的高渗感受器是什么。之后才陆续有国内外的科研团队跟进植物高渗感受器和低渗感受器的研究。

远方说，她不是学霸，但有个和别人不太一样的爱好，就是特别喜欢做数学题，尤其喜欢做难题。“觉得有点难度，我整个人就很兴奋，如果每天都是做类似的事情，我反而就打不起精神。当一个个难题被攻克之后，就是我最兴奋的时刻。”

“展望未来，我们构思将系列研究成果和园艺，以及水果和农作物结合起来，针对不同植物摸清对应的干旱、多水等的感应机制。”远方表示，“这些研究的战线只会更长，即使我们这一代人没法享受到研究成果，我们仍会踏踏实实潜心做研究，让这些科学构想尽快实现。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07445-6