《科學》刊文揭開「隱花色素」作用機制，科學家找到調節植物花期的「開關」
《科學》雜誌最近刊文稱，科學家發現可以通過調節植物中的「隱花色素」來控制植物開花的時間，甚至能讓不會開花的植物也開出花來。
文/記者白竟楠 圖文編輯/陳永傑
新媒體編輯/陳炫之
「幸福就像花期開到荼靡，愛情留在秋天獨自嘆息，九月的天氣下起大雨，淋濕我的思緒，雨後的花瓣散落一地……」聽過孫儷演唱的《愛如空氣》嗎?
植物開花還能人為調控嗎?這不就是催熟嗎?當然不是!科學家可以通過調節植物中的「隱花色素」來控制植物開花的時間，甚至能讓不會開會的植物也開出花來。未來，還有可能利用其中的機制治療糖尿病。
這聽起來十分神奇吧?其實，這一切的關竅在於科學家知道了「隱花色素」的作用機制。植物科學家從發現「隱花色素」到今天終於明白其中的奧秘，經歷了半個多世紀。文章發表在國際頂級學術刊物《科學》上。
植物實驗中的「小白鼠」
「隱花色素」光反應機制的發現是福建農林大學教授林辰濤的研究團隊聯合日本、韓國、以及美國的科學家們一塊做出的，林辰濤是福建農林大學的特聘教授，同時也是美國加州大學的終身教授。該研究成果《擬南芥隱花色素2的光激活與失活機制》，於10月21日在《科學》雜誌上獲得發表。
「擬南芥」這種植物聽起來有點耳熟，沒錯!這就是那個目前正在天宮二號上生長的植物，在今年10月底，天宮二號上的擬南芥已經開始發芽了。此次福建農林大學科學家們用的植物研究對象就是與天宮二號上同樣的擬南芥。
擬南芥與油菜、蘿蔔等同為十字花科植物，廣泛分布於亞歐大陸和非洲西北部。古時候，古人常把身邊一些卑微、低賤之物「視如草芥」，擬南芥早先也是一種名不經傳的小草，既不好吃也不好看，更沒有經濟價值。然而，這樣一種曾被人忽略的小草如今卻成為植物生物學研究中最重要的實驗植物，擬南芥植株較小、生長周期短、結實多，容易在實驗室培養，遺傳組小，容易進行遺傳學實驗，堪稱植物研究中的「小白鼠」。
植物研究中的「小白鼠」擬南芥
不僅是擬南芥，目前已知的生物，包括動物、植物、細菌、藻類都含有「隱花色素」，這是一種在生命進化過程中極為保守的藍光受體蛋白，它控制著植物的光合作用與生長發育、昆蟲鳥類的磁場感應，以及人類的生物鐘與晝夜節律。所以，「隱花色素」也被稱為最古老的光受體。此次論文的成功發表，標誌著我國在光受體蛋白研究方面取得了新突破。
與福建農林大學研究人員進行同類實驗的還有美國、德國、英國的不同實驗室，福建農林大學研究人員以第一完成單位先於其它實驗室發表了研究論文，林辰濤開玩笑說：「只好對其它國家的同事與朋友說一句對不起了。」
隱花色素的前世今生
「隱花色素」只吸收藍光, 而不吸收紅光或其它顏色的光, 因此又叫藍光受體。關於藍光受體的研究起始於上個世紀五十年代，科學家們當時就知道在植物中有一種「神秘」(英文中隱花與神秘這兩個字的拼寫類似)物質控制著植物對藍光的感應，最早被用來研究藍光受體的植物都是隱花植物，比如苔蘚、藻類等，所以這個當年尚未證實的藍光受體便有了一個好聽的名字——隱花色素。但是，科學家在尋找「隱花植物的眼睛」這條路上走了將近半個世紀，依舊沒有找到它是誰，因為當時使用的研究手段基本上是生物化學的方法，由於植物中隱花色素的含量較低，這些早期的實驗都失敗了。
終於在1993年，美國賓夕法尼亞大學AnthonyCashmore實驗室利用遺傳學的方法發現了隱花色素1(CRY1)，試驗植物就是擬南芥。研究表明隱花色素1的主要功能是控制植物幼莖的生長，這篇論文被發表在《Nature》雜誌上，這也是科學家開始正式研究隱花色素的開端。這得益於研究技術的進步。
林辰濤正好在1992年從密執根州立大學博士畢業，在Anthony Cashmore的文章發表之前聽說了這項重大發現，他便選擇去Anthony Cashmore實驗室繼續做博士後。「第一篇關於隱花色素的Nature論文推測CRY1的基因產物是一個藍光受體，我當時想證明它是否能吸收藍光，從而證實它到底是不是藍光受體。我用生物化學的方法純化了隱花色素1，發現它果然能夠吸收藍光，並從隱花色素1中分離出了吸收藍光小分子黃素。光受體是結合了能夠吸收可見光的小分子的蛋白複合體，這些吸光小分子吸收光子以後改變了蛋白的結構，使得蛋白產生新的功能，這樣的蛋白就是光受體。弄清了隱花色素的確吸收藍光之後，我多年來想搞清楚的是這個藍光受體究竟是怎麼工作的。」這項研究在1995年發表在《Science》雜誌上。此後數年間，隱光色素被發現廣泛存在於各種生物，包括細菌、水稻、昆蟲、蝴蝶、珊瑚、以及人類。
1996年，林辰濤完成了博士後的研究，前往加州大學洛杉磯分校做助理教授，並建立了自己的實驗室開始獨立研究。在那裡他又在擬南芥中發現了第二個隱花色素CRY2(隱花色素2)和隱花色素2的信號傳導因子。隱花色素2及其信號傳導因子的主要作用是控制植物開花時間，這些發現分別於1998年與2008年發表在《Science》雜誌上。「這些發現都是我當年一些非常優秀的學生如郭紅衛，劉宏濤和實驗室其他科研人員合作完成的。今年發表的這篇文章大致解決了二十年前發現的這個隱花色素2的光反應機理是什麼。」林辰濤說。
左上: 藍光下生長一周的擬南芥幼苗, 左為野生型(WT), 右為隱花色素突變體(cry1cry2),由於缺乏隱花色素, 突変體幼苗呈細長莖小葉狀.右上: 長日照白光下生長四周左右的擬南芥植物, 左為野生型, 已開花結實, 右為隱花色素突變體, 由於缺乏隱花色素, 突変體植物不能正常開花下圖: 隱花色素2 (CRY2) 的光反應機制，在黑暗中，隱花色素2蛋白以無生物活性的單體形式存在。在吸收了藍光之後，隱花色素2形成了具有生物活性的雙體蛋白並通過下流信號傳遞過程調節植物生長發育。隱花色素抑制蛋白(BIC)通過抑制隱花色素2雙體的形成來影響該光受體的生物活性。圖/ 王琴(福建農林大學)
中美兩地奔跑的成果
2003年，林辰濤開始奔波於中國和美國之間，他回到中國後在不同的高校與科研院所工作過，每到一處便為該校所建立一個實驗室，將隱花色素的研究帶回了國內。他在湖南大學(教育部長江學者計劃)幫助組建了湖南大學生物學院，在吉林大學幫助組建了吉林大學農學部土壤-植物分子遺傳學實驗室，在中國農科院作物科學研究所(中組部千人計劃)組建了大豆分子遺傳學實驗室。這些實驗室都在他離開後繼續運轉至今。
林辰濤教授
2014年春，林辰濤回到了老家福州，在福建農林大學建立了「基礎林學與蛋白質組學研究實驗室」以及「加州大學-福建農林大學植物蛋白質組學合作研究中心」。在福建農林大學的支持下，林辰濤継續從事植物光受體的基礎科學研究，今年的成果論文就是從那時開始研究的。
此篇論文的主要作者王琴、左澤成、王旭、柳青等福建農林大學的青年教師都是林辰濤回國初期在湖南大學、吉林大學、與中國農科院培養的學生。由於實驗的不同環節需要不同的實驗設備與實驗材料，他們常常往返於中國和美國之間以加快實驗進展，一年之中要為了做實驗來回三四次，十分辛苦。林辰濤說：「我們的研究進展較快首先必須感謝福建農林大學的黨委書記葉輝玲為該校科研人員提供的各種支持與自由寬鬆的學術環境。」
投稿的「三顧茅廬」
「其實這篇論文的實驗結果非常簡單，我們發現隱花色素在黑暗中以單體的形式存在因此不工作，隱花色素吸收了光子後形成雙體蛋白從而有了活性並開始工作，例如促使植物開花. 我們並且發現並了一種隱花色素抑制蛋白，這種蛋白抑制隱花色素雙體蛋白的形成，從而起到一個光受體開關或植物花期開關的作用。」林辰濤說，「但是，這樣一個一句話就能解釋清楚的結論卻研究了好多年，這就是生命科學的奧妙。」
然而，論文投稿的過程並不順利，可以看成是一場科學的博弈。「可以說我已經夠『老』了，許多與我經歷相同的同事都可以根據經驗從文章所追究的問題與解決問題的層次上預估哪篇文章可能會被哪個期刊接受。從投稿給《Science》雜誌後，反覆修改了三次，歷經了六個多月的時間才正式得以接收發表。」
科學論文審稿人有同研究領域的專家，也有不同領域專家。一般來說，稿件在投出之後，首先由雜誌的編輯確定論文是否涉及最基礎或眼下最前沿的科學問題，然後才會開始進入專家審閱階段以評判該研究是否確實回答了重要科學問題，是否存在邏輯上或技術上的瑕疵等。
第一次審閱時，審稿人提出了許多細節問題，福建農林大學研究團隊獲得回復後，又做了實驗以充實論文;有的問題論文中沒有敘述清楚，又做了進一步解釋。第二次提交論文後，有的審稿專家對稿件中的某一實驗提出了質疑和否定，林辰濤說：「有些問題是審稿專家弄錯了，我們進行了申辯，估計審稿專家也同意自己搞錯了，最後同意刊發。」
根據《Science》雜誌的傳統，每一期雜誌都會挑選出幾篇重要或有趣的文章請業內專家撰寫一篇論文介紹或評論(Perspective)，福建農林大學的論文在當期雜誌中被選為推薦論文。林辰濤猜測，評論文章的其中一個撰文教授可能就是審閱稿件的四位專家之一，從事另一類光受體研究。《Science》雜誌的論文發表當日，國內各主要媒體以及美國、韓國、以及日本媒體也對該研究成果進行了報道。
利用隱花色素的光反應機制可治療糖尿病
或許這也是我們最關心的問題，知道了隱花色素的秘密有什麼用呢?明白了隱花色素以及其它許多基因蛋白的工作原理，人們將來便有可能改變植物花期來增加作物產量，促進南海珊瑚的生長繁殖以改善魚類的棲息環境。調節人體的生物鐘以應對多種疾病。
像擬南芥一樣, 人類也有兩個隱花色素，也稱之為隱光色素1與隱光色素2.隱花色素是組成人體生物鐘的數個核心蛋白質之一，目前已知生物鐘影響人類許多代謝，細胞，與信號傳遞機能，從而很大程度上影響了疾病的發生與治療，包括肥胖症、糖尿病、癌症、以及一些精神疾病，如狂躁症、抑鬱症等。
以前，人們總認為糖尿病僅僅是胰島素的問題，但是糖尿病的誘發原因至今都沒有完全研究透徹，可以確定的是，生物鐘在其中所起的作用是不可忽視的。進一步了解生物鐘的作用原理對於未來人類疾病的個性化預防與個性化治療具有十分重要的意義。
對於植物來說，隱花色素可以調控植物的開花時間，這也就代表可以調節植物的生長周期，對於農業發展有著重要意義。目前，林辰濤實驗室正在試圖通過調節竹子的隱花色素以及它的信號傳導基因來影響其生長周期，竹子往往需要生長七八十年才能開花，這給培育竹子新品種造成了困難。通過調節竹子的隱花色素或其信號傳導基因，能讓竹子生長一年或數年就可以開花，以此來進行品種改良或許可以儘早讓許多荒山都儘快綠化成美麗的竹林。
通過調節竹子的隱花色素或其信號傳導基因，能讓竹子生長一年或數年就可以開花
林辰濤猜測，未來隱花色素的應用可能會先從醫學領域開始，因為人體生命科學更受大家關注，其次也因為目前關於轉基因的作物還沒有被大部分公眾接受。
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