《科学》刊文揭开植物“隐花色素”作用机制 “开关”找到，花期可控

记者/白竟楠
 

植物开花还能人为调控吗?这不就是催熟吗?当然不是!科学家可以通过调节植物中的“隐花色素”来控制植物开花的时间，甚至能让不会开花的植物也开出花来。未来，还有可能利用其中的机制治疗糖尿病。

这听起来十分神奇吧?其实，这一切的关窍在于科学家知道了“隐花色素”的作用机制。植物科学家从发现“隐花色素”到今天终于明白其中的奥秘，经历了半个多世纪。文章发表在国际顶级学术刊物《科学》上。


 

▲《拟南芥隐花色素2 的光激活与失活机制》，于10 月21 日在《科学》杂志上获得发表

植物实验中的“小白鼠”

“隐花色素”光反应机制的发现是福建农林大学林辰涛教授的研究团队联合日本、韩国以及美国的科学家们一块做出的，林辰涛是福建农林大学的特聘教授，同时也是美国加州大学的终身教授。该研究成果《拟南芥隐花色素2的光激活与失活机制》，于10月21日在《科学》杂志上获得发表。

“拟南芥”这种植物听起来有点耳熟，没错!这就是那个目前正在天宫二号上生长的植物，在今年10月底，天宫二号上的拟南芥已经开始发芽了。此次福建农林大学科学家们用的植物研究对象就是与天宫二号上同样的拟南芥。

拟南芥与油菜、萝卜等同为十字花科植物，广泛分布于亚欧大陆和非洲西北部。古时候，人们常把身边一些卑微、低贱之物“视如草芥”，拟南芥早先也是一种名不经传的小草，既不好吃也不好看，更没有经济价值。然而，这样一种曾被人忽略的小草如今却成为植物生物学研究中最重要的实验植物，拟南芥植株较小、生长周期短、结实多，容易在实验室培养，遗传组小，容易进行遗传学实验，堪称植物研究中的“小白鼠”。

不仅是拟南芥，目前已知的生物，包括动物、植物、细菌、藻类都含有“隐花色素”，这是一种在生命进化过程中极为保守的蓝光受体蛋白，它控制着植物的光合作用与生长发育、昆虫鸟类的磁场感应，以及人类的生物钟与昼夜节律。所以，“隐花色素”也被称为最古老的光受体。此次论文的成功发表，标志着我国在光受体蛋白研究方面取得了新突破。

与福建农林大学研究人员进行同类实验的还有美国、德国、英国的不同实验室，福建农林大学研究人员以第一完成单位先于其它实验室发表了研究论文，林辰涛开玩笑说：“只好对其它国家的同事与朋友说一句对不起了。”、

隐花色素的前世今生

“隐花色素”只吸收蓝光, 而不吸收红光或其它颜色的光, 因此又叫蓝光受体。关于蓝光受体的研究起始于上个世纪五十年代，科学家们当时就知道在植物中有一种“神秘”(英文中隐花与神秘这两个字的拼写类似)物质控制着植物对蓝光的感应，最早被用来研究蓝光受体的植物都是隐花植物，比如苔藓、藻类等，所以这个当年尚未证实的蓝光受体便有了一个好听的名字——隐花色素。但是，科学家在寻找“隐花植物的眼睛”这条路上走了将近半个世纪，依旧没有找到它是谁，因为当时使用的研究手段基本上是生物化学的方法，由于植物中隐花色素的含量较低，这些早期的实验都失败了。

终于在1993年，美国宾夕法尼亚大学Anthony Cashmore实验室利用遗传学的方法发现了隐花色素1(CRY1)，试验植物就是拟南芥。研究表明隐花色素1的主要功能是控制植物幼茎的生长，这篇论文被发表在《Nature》杂志上，这也是科学家开始正式研究隐花色素的开端。这得益于研究技术的进步。

林辰涛正好在1992年从密歇根州立大学博士毕业，在Anthony Cashmore的文章发表之前听说了这项重大发现，他便选择去Anthony Cashmore实验室继续做博士后。“第一篇关于隐花色素的《Nature》论文推测CRY1的基因产物是一个蓝光受体，我当时想证明它是否能吸收蓝光，从而证实它到底是不是蓝光受体。我用生物化学的方法纯化了隐花色素1，发现它果然能够吸收蓝光，并从隐花色素1中分离出了吸收蓝光小分子黄素。光受体是结合了能够吸收可见光的小分子的蛋白复合体，这些吸光小分子吸收光子以后改变了蛋白的结构，使得蛋白产生新的功能，这样的蛋白就是光受体。弄清了隐花色素的确吸收蓝光之后，我多年来想搞清楚的是这个蓝光受体究竟是怎么工作的。”这项研究在1995年发表在《Science》杂志上。此后数年间，隐光色素被发现广泛存在于各种生物，包括细菌、水稻、昆虫、蝴蝶、珊瑚以及人类。

1996年，林辰涛完成了博士后的研究，前往加州大学洛杉矶分校做助理教授，并建立了自己的实验室开始独立研究。在那里他又在拟南芥中发现了第二个隐花色素CRY2(隐花色素2)和隐花色素2的信号传导因子。隐花色素2及其信号传导因子的主要作用是控制植物开花时间，这些发现分别于1998年与2008年发表在《Science》杂志上。“这些发现都是我当年一些非常优秀的学生如郭红卫、刘宏涛和实验室其他科研人员合作完成的。今年发表的这篇文章大致解决了二十年前发现的这个隐花色素2的光反应机理是什么。”林辰涛说。

中美两地奔跑的成果

2003年，林辰涛开始奔波于中国和美国之间，他回到中国后在不同的高校与科研院所工作过，每到一处便为该校/所建立一个实验室，将隐花色素的研究带回了国内。他在湖南大学(教育部长江学者计划)帮助组建了湖南大学生物学院，在吉林大学帮助组建了吉林大学农学部土壤-植物分子遗传学实验室，在中国农科院作物科学研究所(中组部千人计划)组建了大豆分子遗传学实验室。这些实验室都在他离开后继续运转至今。


 

▲(左)蓝光下生长一周的拟南芥幼苗, 左为野生型(WT), 右为隐花色素突变体(cry1cry2))，由于缺乏隐花色素,突变体幼苗呈细长茎小叶状

▲(右)蓝长日照白光下生长四周左右的拟南芥植物, 左为野生型, 已开花结实;右为隐花色素突变体, 由于缺乏隐花色素, 突变体植物不能正常开花

▲隐花色素2 (CRY2)的光反应机制，在黑暗中，隐花色素2蛋白以无生物活性的单体形式存在。在吸收了蓝光之后，隐花色素2 形成了具有生物活性的双体蛋白并通过下流信号传递过程调节植物生长发育。隐花色素抑制蛋白(BIC)通过抑制隐花色素2 双体的形成来影响该光受体的生物活性

2014年春，林辰涛回到了老家福州，在福建农林大学建立了“基础林学与蛋白质组学研究实验室”以及“加州大学-福建农林大学植物蛋白质组学合作研究中心”。在福建农林大学的支持下，林辰涛继续从事植物光受体的基础科学研究，今年的成果论文就是从那时开始研究的。

此篇论文的主要作者王琴、左泽成、王旭、柳青等福建农林大学的青年教师都是林辰涛回国初期在湖南大学、吉林大学与中国农科院培养的学生。由于实验的不同环节需要不同的实验设备与实验材料，他们常常往返于中国和美国之间以加快实验进展，一年之中要为了做实验来回三四次，十分辛苦。林辰涛说：“我们的研究进展较快首先必须感谢福建农林大学的党委书记叶辉玲为该校科研人员提供的各种支持与自由宽松的学术环境。”

投稿的“三顾茅庐”

“其实这篇论文的实验结果非常简单，我们发现隐花色素在黑暗中以单体的形式存在因此不工作，隐花色素吸收了光子后形成双体蛋白从而有了活性并开始工作，例如促使植物开花。 我们并且发现了一种隐花色素抑制蛋白，这种蛋白抑制隐花色素双体蛋白的形成，从而起到一个光受体开关或植物花期开关的作用。”林辰涛说，“但是，这样一句话就能解释清楚的结论却研究了好多年，这就是生命科学的奥妙。”

然而，论文投稿的过程并不顺利，可以看成是一场科学的博弈。“可以说我已经够‘老’了，许多与我经历相同的同事都可以根据经验从文章所追究的问题与解决问题的层次上预估哪篇文章可能会被哪个期刊接受。从投稿给《Science》杂志后，反复修改了三次，历经了六个多月的时间才正式得以接收发表。”

科学论文审稿人有同研究领域的专家，也有不同领域专家。一般来说，稿件在投出之后，首先由杂志的编辑确定论文是否涉及最基础或眼下最前沿的科学问题，然后才会开始进入专家审阅阶段以评判该研究是否确实回答了重要科学问题，是否存在逻辑上或技术上的瑕疵等。

第一次审阅时，审稿人提出了许多细节问题，福建农林大学研究团队获得回复后，又做了实验以充实论文;有的问题论文中没有叙述清楚，又做了进一步解释。第二次提交论文后，有的审稿专家对稿件中的某一实验提出了质疑和否定，林辰涛说：“有些问题是审稿专家弄错了，我们进行了申辩，估计审稿专家也同意自己搞错了，最后同意刊发。”

根据《Science》杂志的传统，每一期杂志都会挑选出几篇重要或有趣的文章请业内专家撰写一篇论文介绍或评论(Perspective)，福建农林大学的论文在当期杂志中被选为推荐论文。林辰涛猜测，评论文章的其中一个撰文教授可能就是审阅稿件的四位专家之一，从事另一类光受体研究。《Science》杂志的论文发表当日，国内各主要媒体以及美国、韩国、日本媒体也对该研究成果进行了报道。

利用隐花色素的光反应机制可治疗糖尿病

或许这也是我们最关心的问题，知道了隐花色素的秘密有什么用呢?明白了隐花色素以及其它许多基因蛋白的工作原理，人们将来便有可能改变植物花期来增加作物产量;促进南海珊瑚的生长繁殖以改善鱼类的栖息环境;调节人体的生物钟以应对多种疾病。

像拟南芥一样, 人类也有两个隐花色素，也称之为隐光色素1与隐光色素2。隐花色素是组成人体生物钟的数个核心蛋白质之一，目前已知生物钟影响人类许多代谢、细胞与信号传递机能，从而很大程度上影响了疾病的发生与治疗，包括肥胖症、糖尿病、癌症以及一些精神疾病，如狂躁症、抑郁症等。

以前，人们总认为糖尿病仅仅是胰岛素的问题，但是糖尿病的诱发原因至今都没有完全研究透彻，可以确定的是，生物钟在其中所起的作用是不可忽视的。进一步了解生物钟的作用原理对于未来人类疾病的个性化预防与个性化治疗具有十分重要的意义。

对于植物来说，隐花色素可以调控植物的开花时间，这也就代表可以调节植物的生长周期，对于农业发展有着重要意义。目前，林辰涛实验室正在试图通过调节竹子的隐花色素以及它的信号传导基因来影响其生长周期，竹子往往需要生长七八十年才能开花，这给培育竹子新品种造成了困难。通过调节竹子的隐花色素或其信号传导基因，能让竹子生长一年或数年就可以开花，以此来进行品种改良或许可以尽早让许多荒山都尽快绿化成美丽的竹林。

▲通过调节竹子的隐花色素或其信号传导基因，能让竹子生长一年或数年就可以开花

林辰涛猜测，未来隐花色素的应用可能会先从医学领域开始，因为人体生命科学更受大家关注，其次也因为目前关于转基因的作物还没有被大部分公众接受。■