植物工厂

◎林荣呈

俗话说眼睛是心灵的窗户，而作为视觉器官，眼睛最基本的功能就是帮助人类以及很多动物去观察世界、认识事物，指导行为。这主要得益于我们眼睛里面有一个视网膜，而视网膜上面分布着大量的特殊的细胞，叫光受体细胞。其中，柱状细胞能够告诉我们光线的强弱，而三类不同的锥状细胞能够帮助我们分辨光的颜色。如果其中一个锥状细胞出了问题，往往会导致人的色盲。

那么植物有眼睛吗？如果有，它的眼睛又在哪里？光对植物来说有两方面的作用，一个是光作为一种能量，提供给植物进行光合作用，这也是我们地球上生命赖以生存的物质基础；另一个是，光作为一种信号来指导植物的行为。

植物的行为是怎么样被光控制的？向日葵大家都很熟悉，它的头会朝着太阳转，这就是植物的行为受光控制的一个典型的案例。正是源于向日葵的一种灵感，工程师们设计出了一种高效聚光的太阳能发电装置。这种装置能够时刻跟着太阳转，使光线始终垂直于它的表面，达到高效聚光的目的。植物天生就具有寻找光明的能力，如果把小豆苗种在黑色的箱子里面，在箱子的侧面开一个小孔，豆苗就会朝着小孔的方向弯曲生长。

在我女儿上小学三年级的时候，我跟她做过一个小小的实验，先在锡箔纸上写上“王”字，然后把“王”字镂空，再把锡箔纸盖在一片叶片上，放到太阳下暴晒一个小时，把锡箔纸揭开之后叶片上出现了“王”字，这个字是我们让太阳写上去的。这是为什么呢？因为植物的叶片上包含着大量的细胞，每个细胞里面又有很多的叶绿体，被锡箔纸盖住的那部分细胞因为光线不足，所以叶绿体就比较均匀地分布在细胞里面，它希望去吸收更充足的阳光，而被阳光直接照射的那部分细胞因为光太强，叶绿体就躲到细胞的两边去，所以中间就空出来了。我们人的细胞就没有这样一种能力，当在太阳光下暴晒的时候，我们的皮肤可就糟糕了。

那么，植物是怎么样看见光的？其实跟人一样，植物包含着很多种光的受体，这些受体都分布在植物大部分细胞里面。不像我们人，光受体主要在我们的眼睛里面，比如说，看见蓝光的波段就有三类不同的光的受体，那么前面提到的向日葵就是向光素在里面起了重要的作用。向光素看到光之后，就会导致植物体内一种叫生长素的激素不对称分布。在上午的时候，向日葵茎秆上西侧生长素就多，而生长素是促进生长的，因此向日葵的头就朝向了东方；而在下午的时候，茎秆上东侧生长素就分布的多，因此头就朝向了西边。第二天，头又转回了东方，这是因为生物钟起了重要的作用，晚上的时候头又慢慢地转回了东方。

植物还能看见我们人眼所看不见的光，比如紫外线、红外线。早在20世纪50年代，两位美国的植物学家做了一个非常有意思的实验，他们把莴苣的种子分成八份，给它照红光以及比红光长80微米的远红光，不断交替进行，照的时间都非常短，几分钟时间，然后再放在黑暗中三四天。当他们统计发芽率的时候，很惊奇地发现，凡是最后一次照了红光的，种子绝大部分都能发芽，发得非常好，而最后一次照了远红光的，绝大部分种子都不能发芽。因此他们推测，种子里面存在着一种色素物质，这种物质能够分辨红光和远红光的差异。

为了搞清楚这个问题，他们与其他几位科学家进一步合作，其中有两位工程师设计了一种比较精密的仪器，能分得清红光和远红光的性质差异，希望能寻找到这样一种物质。刚开始他们做了好几年的实验，一直都没有成功。到了1959年6月中旬的一个早晨，一位叫亨德里克斯的教授起得很早，到了农贸市场去买了一捆用纸包裹好的萝卜苗，回到实验室，还是像往常一样做实验，给它照红光，再照远红光，结果奇迹出现了，仪器指针发生了明显的偏转，他们欣喜若狂，实验终于成功了。

就在当年的8月，在加拿大蒙特利尔要召开一个国际植物学的大会，因为大会六年才召开一次，非常难得，所以他们就申请去汇报重大发现。就在出发前几天，他们把仪器以及植物放到车的后备厢里，准备开车从美国的马里兰到加拿大的蒙特利尔。由于路途遥远，中间肯定要加很多次的油，每次加油的时候，他们都要打开后备厢检查一下仪器有没有被颠坏以及植物长得怎么样了。到了做报告的那一天，他们把植物以及仪器搬到讲台上面，下面坐着好几百观众，都在翘首以待，等待着见证他们的重大发现。可是事与愿违，当他们给植物照了远红光，照了红光之后，看到仪器的指针根本就没有发生变化，这怎么可能？因为他们事先重复了很多次的，难道是设备出问题了？

其实不是仪器出了问题。后来发现，因为他们在路途中多次打开后备厢，植物已经事先照光了，这种物质被降解了。后来他们把这种物质用希腊语命名叫phytochrome，就是植物加上颜色的意思，中文翻译过来就叫光敏色素，就是对光很敏感的一种色素物质。

随后的40年，光敏色素的精彩故事在不断地上演。到了1999年，科学家对光敏色素有了进一步深刻的认识。他们观察到光敏色素一种独特的现象，就是照了远红光之后，光敏色素是在细胞质里面，相当于开关是闭合的，所以前面我们提到的种子就不能发芽。而一旦照了短暂的红光之后，光敏色素就迅速地进入到细胞核。细胞核就像我们人的大脑一样，是一个指挥中心，光敏色素在细胞核里面就指挥着成百上千的基因开始工作，那么种子就能够发芽了。

接下来的问题是，光敏色素是怎样进入到细胞核，或者说怎样在细胞核和细胞质之间移动的呢？2002年，我去了美国康奈尔大学开展博士后研究，主要工作就是要回答刚才提出的问题，找到是谁帮助光敏色素进入到细胞核。光敏色素能够控制着种子发芽，另外它还有一个能力，就是控制着植物幼苗的高矮。当光敏色素不在的时候，植物的苗子长得非常高，就相当于看不见光一样。因此我们推测，假如一个物质能够帮助光敏色素进入细胞核，那么它要是没了，也应该呈现出跟光敏色素没了类似的一种行为。最后我们把目光聚焦到两个蛋白上面，叫FHY3和FAR1，它们就像一对兄弟一样一起工作，当它们两个都没了的时候，我们在细胞核里面就检测不到光敏色素的存在。

那么接下来的问题是，这两个蛋白或者这两兄弟是怎样去工作的呢？这就要求我们去搞清楚它们的身份。当我们去追踪这两个蛋白的老祖宗，或者在进化上的关系的时候，我们发现，这两个蛋白跟另外一个跳跃因子有一定的亲缘关系。前人已经知道，跳跃因子有结合DNA的能力，我们猜测这两个蛋白可能也就继承了结合DNA的能力，于是我们顺藤摸瓜，取得了重大的突破。最后我们搞清楚了，这两个蛋白它要先结合到另外两个基因的DNA上面去，后者产生的蛋白质会牵着光敏色素从细胞质进入到细胞核，所以就把光的信息带到了细胞核里面。但是如果细胞核里面的光敏色素太多了，它反过来又会叫停前面两个蛋白的功能。因此在植物的细胞里面，打个比喻，这套系统就好比车的油门和刹车一样，会随着外界光环境的不断变化来加速或者减速。

到了2008年5月底，我回到了中国科学院植物研究所，建立了我的研究团队和实验室。我们主要的工作就是搞清楚，当植物的眼睛看见光之后，又发生了哪些事情？这些事情又是如何发生的？又有谁去参与了这样的过程？

我们前面提到了光会控制种子的发芽，实际上还控制着像叶绿体发育、形态建成、开花等一系列的植物行为。植物的这些行为，实际上都是有基因控制的。因此我们就采用遗传学方法，把这些植物里面的很多基因突变掉，之后植物长得更绿了，长得更矮了，或者开花开得更早了。我们去寻找控制这种性状的关键基因，在过去的十年里，先后有三十多位研究生和工作人员发现二十多个基因在里面起了重要的作用。我们发现，这些基因或者蛋白质实际上都不是独来独往的，不是一个人在工作的，相互之间都有复杂的联系，而有些是平级的关系，有一些是上下级的关系，有些基因之间是朋友的关系，而另外一些又是对抗的关系。比如说，有一个叫PKL蛋白质，就跟另外一个叫HY5的蛋白是一对朋友，它们要一起去工作，而跟另外一个叫RGA的蛋白就是一对冤家，RGA蛋白存在的时候，就让这个PKL蛋白不要去工作。这些不同的蛋白质之间通过复杂的相互关系构成了类似于集成电路里面复杂的光信号传递网络。

这些不同的路径传递着不同的指令，以及发生不同的植物行为，实际上在植物的体内这样一个过程还远远没有解决，还需要我们进一步去挖掘。

获得这些信息之后，我们也在思考怎样能够把实验室的研究转化为有用的技术呢？现代化的植物工厂是颠覆传统农业的一种高效的生产系统，它不同于我们普通的温室，它不需要土壤，不占用耕地，不使用农药，是在一个全封闭的环境里面对植物进行光照、温度、湿度、二氧化碳、营养等进行自动化的控制。在这样的工厂里，植物是长在架子上的，架子可以根据需要搭建，几层到十几层，单位面积的产能效率大幅提高。

室外太阳光提供的是红橙黄绿青蓝紫全波长的光，可是植物的生长并不是所有的光都是等比例需要的，因此，在封闭的植物工厂里面，怎样给植物提供最佳的生长的光环境，同时又节约能源、节约成本，这就成了需要解决的关键的问题，我们把光分成红橙黄绿青蓝紫，把它剥离出来，再进行不同的组合，然后为不同的植物、同一个植物不同的生长阶段量身定制最佳的光谱配方。

比如说这样一种叫“优雅”的蔬菜，我们先在红光和蓝光4:1的情况下让它生长，刚开始觉得它还是长得不错的，但仔细观察会发现，它的形状比较紧凑。分析原因就是叶片长得还不够，前面我们提到，光敏色素能够看见远红光，看见远红光之后它还会启动一种叫避阴反应，就是给植物照了比较多的远红光之后，它以为可能光线是不足，就拼命要去生长，我们在原来配方的基础上给这个蔬菜加了一定比例的远红光，这个植物叶片长得更开了，形状也更好看了，产量也得到了提高。

另外一种蔬菜，刚开始在红光蓝光3:1的情况下长得非常好，可是后来发现，下部的好几片叶片提前出现了衰老，后来在这个光配方的基础上，我们加了不同的其他的光，结果发现绿光效果很好，这就让我们觉得很吃惊，因为平时觉得绿光对植物可能是不需要的，因为植物是绿色的，会把绿光反射掉，可是恰恰是绿光可以很好地延缓衰老。

另外，有些红色或者紫色的蔬菜，花青素的含量比较高。花青素有抗自由基、抗氧化的功能。在刚开始种这种蔬菜的时候，红色怎么也不出现，我们分析原因应该是花青素的合成途径没有很好地启动。而我们也知道短波长的一些光可以促进花青素的合成，因此在原来光谱配方的基础上，加了一定比例的短波长的蓝光，颜色自然而然就出来了。因此在植物工厂里，我们可以对植物的代谢途径进行有效控制和精准调控，提高植物的营养品质，这在外面以及温室里面是难以实现的。

这种通过改变光谱配方的定向调控技术对药用植物的生产就显得尤为重要。我们知道很多中草药都有道地性，什么叫道地性？就是要在一个特定的环境、特定的地方生长，药用成分才高。现在我们可以模拟这种中草药的道地环境，然后在植物工厂里面进行大规模多年的连续生产。比如说通过特殊光谱的研发，我们可以对金线莲的有效成分比在室外生长提高50%以上。

我们国家植物工厂刚刚起步，还有很多理论和技术问题需要突破，很多植物开花结果需要像蜜蜂这样的昆虫去传粉的，可是在封闭的植物工厂里面如何去实现呢？对我们的光谱配方又有怎样的要求呢？这又是一个新的挑战。