用生命科学演绎种子植物的智慧——记北京大学生命科学院教授钟上威

本刊记者　汲晓奇

用生命科学演绎种子植物的智慧——记北京大学生命科学院教授钟上威

本刊记者汲晓奇

一粒微小的种子能深埋大地沉睡千年躲避不利环境，而当外界环境合适生长时迅速萌发，顽强不屈破土而出，开始新的生命周期。是什么让种子植物具备了如此智慧？探索植物感知和适应复杂多变环境的奥妙成为钟上威多年的乐趣，他运用生命科学信号传导研究演绎了陆生种子植物从土壤中萌发到生长出土的智慧旅程。

好奇是一把钥匙，能开启普罗大众内心求知的原始动力，也激发了科技工作者无穷的毅力和探索的源泉。纯粹的好奇让钟上威选择了植物学研究，开启了与陆生种子植物的一系列“对话”。

2007年本科毕业后，钟上威师从北京大学的郭红卫教授和美国耶鲁大学的邓兴旺院士，把植物学作为将来的研究方向，与植物对话是他最大的乐趣，每天长时间的实验让他乐此不疲。对植物的悉心关注，让他发现光氧化是扼杀出土幼苗的“凶手”，气体激素乙烯能调控植物叶绿素合成，而光又能调节甚至逆转乙烯的功能……钟上威对观察到的各种奇妙现象进行了深入研究，系列成果多次发表在《美国科学院院报》（PNAS），《当代生物学》（Current Biology），《植物细胞》（Plant Cell）等国际权威杂志上，并多次被F1000顶尖专家撰文重点推荐，在领域中产生了广泛影响。

随着我国城镇化发展的不断深化，耕地面积减少，青壮年从农村大量流入城市，过去先育种再插秧的传统播种方法难以维持，机械化耕种势在必行。把握时代脉动，是创新的开始，钟上威学成归国后，便组建实验室对机械化播种中广泛存在的一个关键问题——幼苗怎样实现出土存活，展开了深入研究。

“传统种植是先育种、再人工插秧移植，而机械播种是直接将种子埋在土壤中，对种子在土壤中的整齐萌发及幼苗出土存活能力要求很高。传统育种主要关注成苗是否强壮、能不能抗虫害等问题，对幼苗在土壤中的生长发育过程研究不多。此外，复杂多样的土壤条件也限制了对这一过程研究的精确性、可控性和定量性。只有能在不同实验室进行重复实验，才能深入研究其分子调控机理。”在研究初期，钟上威遇到了很多的困难，但这些难题没有阻拦住他的步伐，好奇的驱动如种子破土而出的力量一样不可阻挡，他坚持反复摸索试验，最终通过巧妙地选择成分单一的二氧化硅，按颗粒大小设置土壤质地，实现了量化的土壤厚度和硬度研究方法。这套自创的既能模拟外界真实土壤环境，又可在实验室定量操作的标准土壤实验体系，意外地打开了成功研究之门。

利用这套简便高效的方法，钟上威鉴定到了第一类特异介导幼苗出土存活的转录因子，揭示了幼苗可以通过一个偶联在一起的精巧机制，同步调控下胚轴和子叶这两个不同组织器官中的生长发育过程，从而使得幼苗能顺利从不同的土壤中生长出来并存活。研究成果发表在《美国科学院院报》（PNAS）上。随后，钟上威又继续对不同土壤中种子萌发的调控机制进行了深入研究，发现种子萌发调控网络由3条通络组成，分别介导不同光照条件下的快速反应和时间积累效应。通过合作，他进一步对该调控过程进行了数学模型演绎，发现模型预测结果与实验结果高度一致，揭示了种子对环境反应的高度精确性。研究成果再次发表在《美国科学院院报》（PNAS）上。这些原创的研究成果为提高机械化种植的种子萌发及幼苗出土成活提供了有力支持和保障。

谈到今后的发展，钟上威充满着信心和激情。回到北大后，他得到了北大“985”项目、中组部“青年千人计划”、国家自然科学基金委以及蛋白质与植物基因研究国家重点实验室等各方面的大力支持，已迅速组建起来了一支年轻、充满活力的研究团队，深入探索幼苗出土存活的调控机制。其中，对幼苗感应土壤厚度的分子机理研究成果又即将在国际一流科研杂志《Current Biology》上发表。“只想回国做一些实事，实现人生价值”的钟上威希望，通过自己和团队的努力，为祖国农业发展、提高机械化种植效率、改善16亿人口粮食问题贡献绵薄之力。