一个田间长大的孩子和植物光合效率提升的故事—访2021级星友宋青峰

宋青峰申报的“植物工厂蔬菜光合效率检测机器人”成功入选2021年启明星（C类）计划，他成为启明星大家庭的一员。约宋青峰做启明星采访缘于2022年6月30日召开的双碳主题的启明星论坛。宋青峰那天报告的关键词是植物冠层光合效率、植物表型组和碳中和，他报告中晒出的几张在大田的植物三维光合表型系统照片甚为瞩目。会后我就约宋青峰去他们位于松江五厍的基地看看并对他作启明星采访。

40 ℃高温无法阻挡做科研的热情

7月13日（那天是上海入夏以来第二个高温极值日，最高气温40.9 ℃！）我搭载青峰的车去松江。宋青峰穿着所里公众开放日给科普志愿者发的橙色T恤衫，比我在照片上看到的样子更精神、健硕。我们首先在位于松江基地的水稻试验田里看了他们栽种的水稻，这片几百平方米面积的水田里水稻秧苗已有2～3寸长，每株苗边都插有标记，再过几周他们就要进行水稻冠层光合气体交换测量。因为酷暑，试验田里见不到人，但是在农田边上的两处平房里此刻却有十多位科研人员在进行各种操作和计算，青峰告诉我，这些年轻人大都有各种课题任务，为了早日得到研究数据，40 ℃酷暑并不能阻挡他们，其中有一位来自北京中国农大的研究生说因为看重这里的科研条件，能学到东西，所以专程赶来了。

那年暑期他随母亲锄了一个夏天的草

1986年出生的宋青峰是在吉林松原农村田间长大的孩子，父亲是小学教师，母亲是农民。除了上学，他的很多时间就是随母亲干农活。家里30亩地，因为离水源地远一些，主要种的是饲料玉米，“我小时候就挎着小篮子跟着母亲下田播种，走一步撒一颗种子，刚干觉得好玩，但干了一会就觉得又累又饿。到了秋天收割玉米就更累了，进玉米地就先割玉米，然后把收下的玉米棒子直接往车上扔，一天干下来晚上会酸累得动都不想动。”农村的中小学除了寒暑假，还会放农忙假，春秋各一次，每次十天左右，让孩子帮家人干农活。高中毕业那年（2005年）宋青峰一考完试就着急回家帮着除草，那年暑期他随母亲锄了一个夏天的草，“印象最深的就是一遍一遍地除草，直到苗长高了草长不起来为止。每天早饭后戴着草帽，灌上井里的水到田里。我锄草锄得远不如母亲干净，锄过的地方隔了一两天就又长出草来，而母亲锄过的地方要一周后才长出草来”。这一年实际上是宋青峰告别农村生活的最后一年，当年他以优异成绩考进上海交通大学进入人生的新阶段。但是在接受启明星采访时，他愿意比较仔细地回溯自己的农田生涯，他承认那段岁月的磨炼对他以后的人生之路影响甚大。“我以后能吃苦，不避困境和务实的秉性一定有那段农村生活的烙印。”

将书本上的物理概念结合生活场景做推演

或许天生就是读书的料，宋青峰的学习成绩一直比较好且稳定，从重点初中一直到重点高中，高中时物理老师讲错的他都能指出。有一次亲戚问他有什么学习窍门，他说就是喜欢。“对学到的物理学上的一些名词术语或概念，如摩擦力、能量转换、惯性等，我不仅仅满足于书上标出的定义进行背诵，还会结合生活场景做概念的推演，在自己的脑海里生成一幅应用场景，我会自问自答。高二那年有一次经过一处工地，看到打桩机的汽缸爆一下，压力锤就击打一下桩柱，我马上就联想到能量激发、转换过程，想到摩擦力等概念。我还围着打桩机仔细观察了打桩机的工作过程，当时还在想这有可能会出高考题。果真那年的高考题就有一道题涉及打桩机的工作原理。”这种看到相关场景就会很自然地迁移到相关的物理学概念，把学到的知识点串联起来的习惯让那些在别人眼里艰深乏味的知识学习在宋同学这里毫不觉得枯燥，甚至是很有趣。“培养和保持学习兴趣是一切知识学习探究最基本的源动力”在宋青峰身上再次得到佐证。尽管有学习天赋，但是在初高中阶段，青峰还是花了不少时间学习的。而帮母亲干农活上的时间损耗其实完全没有影响他的学习，反而是让他更好地提高学习效率，不浪费时间。由此得到的回报是他更能体会到生活、生存的不易，一切都不会是天上掉下来，只能靠自己的打拼和努力。

高考前填志愿时，他填报了心仪的上海交通大学（2005年上海交大在吉林全省招生60名），有这样的底气是因为之前的多次模拟考他的成绩是稳定的。高考结束当天答案就公布了，看了结果后宋青峰估计自己的成绩应该在650～660分之间，最后他的分数是657分。

进入上海交大生物信息学专业深造

宋青峰被录取于上海交大生命科学技术学院。他原本对计算机专业也是感兴趣的，正好那年交大生命大专业平台新设了生物信息专业，宋青峰如愿进了这个专业，他植物表型组学的基础也是在那时打下的。虽然与计算机专业所学的专业课有很大区别，但计算机软硬件、编程的课程在生物信息学专业都有学。“当时还有一门课——工程制图——对我的帮助也很大，我的立体感、空间感就来自于此，后来我做表型组学平台框架研制等都得益于此。”大四时因为专业学习和毕业论文需要，青峰到中科院计算生物学研究所（中科院与德国马普所共建）实习一年，主要是周末过去，参与课题。宋青峰的本科毕业论文是做一个图像序列追踪软件。实习过程中，后来成为他的博士生导师、对他学术生涯有重要影响的朱新广老师刚从美国回来。有一天朱老师敲开了青峰实习老师的门，他们交谈时青峰就对朱老师有了很深的印象，心想如果有机会读研的话能到朱老师门下学习就最好不过了。很快大四结束了，青峰因为成绩好获得保研机会，他还申请到计算所硕博连读研究生，之后进入朱老师课题组。

以提升植物冠层光合效率为研究方向

朱老师的研究方向是光合作用模型，简言之就是要把植物的光合作用这件事进行数字化、模型化，然后就可以计算，找到提高效率的靶标，做调整优化，以达到提高光合作用效率的目的。循着这样的研究路径，青峰的博士论文课题确定为做冠层光合计算模型，冠层是指植物在地表以上的部分。在5年硕博的前一半时间里，围绕论文涉及的光模拟，宋青峰先后开发了光线追踪算法以及多物理场模型，模拟了以水稻为对象的冠层光强分布，以及多物理场（温度、热力、流体等）过程等，并利用计算机模拟风速、水汽、二氧化碳浓度等水稻田生长环境。光的模拟这一块进展非常好，一直到现在都在用。这个光模拟过程涉及：实验中照到每一片叶片上的光强，再结合其光合转化率，算出冠层整体二氧化碳的固定速率，即冠层光合作用速率。

从简陋的测量箱到成套系列测量系统

以上冠层光合计算模型虽然在计算机中表现完美，但是结果准不准还有赖于实验验证，但当时没有这方面的验证仪器。于是，设计这样的冠层光合气体交换测量系统（一米见方的测量箱，待测植株放入箱体后，通过测量箱内空气中的二氧化碳变化速率来测得冠层光合速率）成了当务之急。朱老师鼓励小宋大胆尝试做出这样一个设备。没几个月，宋青峰就捣鼓出这样一台比较简陋的原型机，并得到了一些数据。这是一个密闭的金属框架测量箱体，盖子可以打开，侧面接进测量气体，传感器在外面，气体抽出再输入。测量对象是盆栽植物（水稻和烟草），测试的结果支持了他们这一模型的合理性。后来他们带着测量箱到松江试验田里测量，得到的数据也验证了模拟实验结论。

早期版本的冠层光合测量系统在田间测试

虽然过程中的实验结果令人鼓舞，但毕竟还是人工测量的方式，要真正令人信服就要做成系统能自主闭合的自动化测量，且能24小时连续检测。为此，宋青峰前后设计了四五个测量系统，其间难度在于箱体的密闭性要好，还要轻便、透光性好，如果在野外测试还要稳定性好。在宋青峰博士毕业那年，“植物冠层光合气体交换测量系统”终得问世。该系统还在2015年的工业博览会上展出。这台测量系统样机成功研发的消息一传出去，因为科研上有实在的需求，很多同行找到他们希望能提供设备。目前已经实现多通道全自动测量并在国内外多家科研单位得到应用。

从一维到三维多视角测量

多通道全自动冠层光合测量系统

多视角三维系统

有了这样一个可以连续产出数据的系统（箱体）后，新的问题又提了出来：冠层光合虽然能测量了，但影响冠层光合效率的因素很多且复杂，尤其是植物株型结构的影响。当时的株型测量还是一维至多是二维的，如果不能提供植物的三维结构，那么所测得的植株数据的完整性是存疑的。宋青峰告诉我，以前冠层光合领域的很多工作大都集中在叶片这个层面，但若要通过提升植物光合作用效率来提高生物量，需要从整个冠层层面考虑。叶片是个体，冠层是整体，这也是世界范围内同行的共识。“早期有过不少数学模型，目标也是想通过叶片尺度的光合效率来计算冠层的效率。但这些模型过于简单，难以指导实践，所以我们想对植株的实际结构有完整了解，并搞清楚与遗传基因的关联，这样才能有针对性地指导育种。”也是有了硕博研究生期间所做的模型、测量系统这些基础，2014年3月博士毕业后，宋青峰想把这件事继续推进，于是选择留所工作，得到了他妻子王禹的大力支持。王禹当时在新加坡留学，毕业回到上海工作。这样就有了这几年“多视角植物三维光合表型系统与计算模型”（以下简称多视角系统）的构想和实践，“有了这个系统，就可以准确了解叶片的角度、株高、生长速度等表型，并研究其背后的基因调控。”

经中科院植物生理生态所（2017年，宋青峰随朱新广老师课题组到这里）和中科院上海技术物理所合作攻关，这个具备三维结构、多相机、多视角获取并整合信息等特征的多视角系统于2018年问世，使得对植物冠层结构的更深入、更细致的数据获取成为可能。说到这里，宋青峰打了个比方：获取植株的空间结构信息，相当于人体结构的CT扫描。“没有多视角系统前，我们研究冠层结构就只能靠手工测量，测量一株植株要半小时，有了多视角的系统评价，1分钟可以测量一株植株。不仅是速度大大提升，而且整个测量结果的稳定性有了保证。”

借助高通量技术高效获取每片叶片的信息

近两三年里，在朱新广教授带领的团队里，宋青峰除了主攻冠层三维结构测量，还涉猎叶片光合效率的高通量获取：采用高光谱成像技术扫描一下，几秒钟就可以采集获取包括叶片的氮素含量、光合参数等数据并作计算。由于高光谱技术采集的信息量大，影响冠层光合效率的两大方面（三位株型结构和叶片光合参数）的数据获取都可以实现。以往测量一片叶片的光合参数要5分钟，并且是用一台手持仪器一片一片地去测，效率很低。现在搭载高光谱相机的田间移动式光合表型平台可以自动完成对田间植物作光合表型参数的测量。

移动式植物光合表型平台田间测试中

表型平台研发合作团队在研制车间

那么表型组如何与植物的光合效率挂钩？青峰解释说，“我们所关注的表型组就是基因型与环境互相作用后在植物形态、生理功能上产生的表现形式，我们在植物表型组里会具体聚焦到与光合作用相关的表型，即影响冠层光合效率的那些表型，包括植物三维空间结构，叶片尺度的光合效率、形态结构，生化方面的氮素含量，光合作用、蒸腾、气孔导度等生理现象。”目前，他们已经建立了玉米、水稻、小麦、大豆等主要作物的冠层光合模型及表型测量技术，这些都将在松江实验基地进行展示和应用。

思维方法和能力的培养

访问中，宋青峰多次提到他的成长离不开朱新广老师的培养和关照。“他很注意发挥学生的能动性，博士论文等重大选题他会帮助把握方向，具体怎么做则给学生自由发挥的空间。读博期间冠层光合模型方向就是他帮我把握的，现在来看这个方向无论是科学意义还是应用前景都难以限量。包括我现在的表型组学研究也是朱老师确定的方向，他认为这是一个世界性的前沿方向。朱老师不太赞同只是跟热点，而是希望我们做自己的独立判断后确定值得做的方向。朱老师非常认同那些自己提出问题、且自己把它解决掉的课题，譬如冠层光合就是由我们课题组提出关键研究问题，并为此开发出了一系列的计算模型和测量工具，利用表型组学手段、高通量技术去解决冠层光合问题，最后还用到育种等应用上。”这种从提出问题、发展各种手段和工具来解决问题到最终为实际应用提供路径并加以落地实施的全链条解决问题的能力培养，是宋青峰从导师那里学到的最重要的思维方法和能力。“这将令我受益终生。”

希望通过提高植物光合效率助力粮食安全和碳中和

宋青峰博士毕业后的当年就申请到中科院上海生科院的领域前沿项目，帮助他做光合模型。两年后先后申请到国家基金委的青年基金项目和面上项目。他申报的“植物工厂蔬菜光合效率检测机器人”成功获得2021年启明星计划的支持。这次在松江基地青峰给我展示了光合效率检测机器人的雏形。采访结束前我让宋青峰用一句话来表达他的追求时，他这样说：“我是一个在田间长大的农家子弟，这些年受到的教育和培养让我抱定这样的目标，希望通过提高植物光合效率助力我们的粮食安全和碳中和目标早日实现。”

这次因启明星双碳论坛结缘对宋青峰星友的访问让我有幸结识了一位精进于分子植物科学领域的才俊，他的成长经历和研究志向及已经做出的富有创见的工作很值得让更多人知道。小结一下的话，宋青峰让我留下至深印象的一点是他的不断学习和实践的能力，这不仅体现在他对物理学一些概念的超强的领悟力，更体现在他应对课题、项目各种挑战的能力，尤其看到他从一台简陋的原型手动样机发展到成体系的全自动冠层植株光合测量系统，再到多视角三维光合表型系统时，我对研制者的学习、实践能力是非常敬佩的。最近青峰还在学习计算机编程、软件等一些计算机专业的知识，他说懂一点这方面的知识以后做一些跨学科交叉的项目时合作会更有效果。是的，具有这种能力的人，一定能更好地适应未来时代。

江世亮采写于2022年7月18日