6年科研長跑，中國學者破解120年難題！
文 ｜ 《中國科學報》記者 田瑞穎 實習生 沈秋月
9月22日，中國學者發表在Cell上的一項研究，破解了一個跨世紀的科學難題。
植物如何感受重力？20世紀初，“淀粉—平衡石”假說成為最經典的植物重力感受理論。但該假說的分子機制是什么，始終是個謎。
清華大學生命科學學院研究員陳浩東團隊發表在Cell上的研究，為這個教科書上的假說提供了分子解釋，揭示了植物感受重力的分子機制。
有趣的是，幾乎在同時期，Science也發表了一篇有類似結論的研究。而這兩個不同的團隊，還曾開展了一場刺激的“競賽”。
陳浩東（右一）和部分實驗室成員
解析百年假說
一粒種子在泥土中萌發后，如果不盡快調整為縱向生長，實現破土而出，而是橫向生長，就可能還沒等到光合作用，種子營養便消耗殆盡，走向夭折。
那植物究竟是如何感受重力方向的？
1880年，大名鼎鼎的進化論奠基人查爾斯·達爾文在《植物的運動》中指出種子植物根部感受重力方向的區域在根尖。20世紀初，Bohumil Nemec、Gottlieb Haberlandt和Francis Darwin等提出了“淀粉—平衡石”假說。這一假說成為最經典的植物重力感受理論，被寫進了教科書。
但是，該假說只闡述了淀粉體沉降的物理過程，而該過程是如何轉變為植物體內的生理生化信號，從而實現植物重力感受的，卻是120年來的“未解之謎”。
揭開植物重力感受分子機制的“面紗”，是陳浩東近10年來一直在做的事情。
2016年10月，Nature Plants報道的一項研究顯示，多個LAZY基因突變后，擬南芥根的向重力性從向下變為向上。
彼時的陳浩東團隊恰好在研究苔蘚中的突變體，而這些苔蘚原絲體的生長方向也與野生型呈現上下顛倒。
表型上的類似性讓陳浩東對LAZY家族基因產生了濃厚的興趣。他想知道，這些基因的工作機制與自己在苔蘚中研究的基因是否有功能上的聯系？這些因子調控植物向重力性的奧秘到底是什么？
為此，他們先用基因編輯技術對擬南芥同一生態型背景中的LAZY2、LAZY3、LAZY4基因同時進行了突變，發現突變體的根尖隨機向各個方向生長。
在遺傳回補實驗中，他們再將這3個基因分別表達在突變體中后發現，根尖均可以恢復至向下生長。
通過進一步觀察，陳浩東團隊發現這3個LAZY蛋白主要定位在擬南芥根尖柱細胞的細胞膜和淀粉體膜上，LAZY可與細胞膜上的磷脂直接結合。
陳浩東指導學生做實驗
為了探究LAZY蛋白究竟如何在細胞內轉運，他們在進行了一系列實驗后發現，植物偏離重力方向后，淀粉體沉降可幫助LAZY蛋白在柱細胞膜上形成沿重力方向的新極性，進而調控植物的向重力性。
研究到這里，“淀粉—平衡石”假說分子機制之謎已被初步揭開，但陳浩東并不滿足，又以LAZY4為代表開展了生化機制的研究。
他們驚喜地發現：植物偏離重力方向后，LAZY4蛋白的磷酸化水平快速增加，淀粉體表面的TOC蛋白正是通過與磷酸化LAZY4蛋白互作，調控其在柱細胞中的極性分布，進而調控植物的向重力性。
正是向前多走的這一步，讓陳浩東團隊的工作比前述發在Science上的日本國立基礎生物學研究所Miyo Terao Morita團隊的工作，在機制上有了更深入的發現。
論文共同第一作者
（第一行從左到右）陳家悅、于仁波、李娜
（第二行從左到右）鄧兆國、張欣欣、趙亞冉、曲城甫
9月22日，陳浩東團隊的研究成果正式在線發表于Cell，這也引起了同行的熱議。
作為最早在水稻中克隆LAZY1基因的學者之一，山東農業大學教授、中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員王永紅在《植物學報》上發表熱點評述，稱這項工作為“突破性研究成果”“植物重力感應領域具有里程碑意義的工作”。
中國科學院植物研究所研究員樂捷長期研究向重力性與氣孔發育等極性相關生物學過程，他在《科學通報》發表亮點述評，稱該工作是“重力感受中力學到生物學偶聯機制的重大突破”“堪稱教科書級別的重大進展”。
“馬拉松”最后的“沖刺”
這是一段6年多的科研“馬拉松”，但逼近終點時，陳浩東團隊卻開啟了“百米大沖刺”。
4月4日，他們將這項研究發給了Cell編輯預審。剛舒一口氣，沒想到兩天后竟在預印本網站BioRxiv上看到一項有類似結論的工作。這是Miyo Terao Morita團隊于4月2日所上傳，根據論文格式推斷，很可能是投了Science。
因為不確定對方論文投稿進程，他們瞬間心頭一緊張——投稿工作要加快了......
4月8日，陳浩東正式將論文投至Cell，繼而上傳至BioRxiv。已經互知彼此存在的兩個團隊，都鉚足了最后的勁頭。
8月10日，國外團隊的研究在線發表于Science。論文顯示其投稿日期為4月11日，正是陳浩東團隊在Cell提交論文后的第3天。
此時的陳浩東團隊，也已提交了根據審稿意見修改后的論文。鑒于3位審稿人的意見都很積極，雖然略有不踏實，但他們依然有底氣。
8月31日晚，陳浩東正在陪讀初中的女兒做觀察百日草生長的科學作業，一封Cell預接收的郵件，讓女兒興奮地喊了起來：“我在泰山的祈福靈驗了！”
這句話，也讓陳浩東心里五味雜陳。
2022年底，在課題收尾階段，很多學生先后受疫情影響不能繼續研究，甚至一度只剩下一個學生在做實驗。
由于妻子和女兒也被病毒感染，為了全力支持陳浩東做實驗，妻子讓他從家中搬了出去，獨自撐起了家中的一切，女兒也為這個團隊默默許下心愿。這種無言的支持，給了陳浩東無限的力量。
9月22日，這項開展了6年多的研究終于發表于Cell，10月26日正式見刊。
兩個團隊雖然都是解析“淀粉—平衡石”假說的分子機制。但陳浩東團隊額外提供了關鍵重力信號因子LAZY蛋白在磷酸化后，通過與淀粉體表面TOC蛋白相互作用定位到淀粉體上的生化、細胞和遺傳方面的數據，這也讓機制更為清晰和全面。
陳浩東告訴《中國科學報》，雖然雙方有過“競速”，“但這也說明國際上的學者對這一百年假說有著共同的興趣，而這兩項完全獨立的研究得到共同的結論，也起到了相互驗證的作用”。
對于陳浩東團隊的研究，Cell審稿人直言這是令人深省的重力感應機制，不僅只限于引起植物生物學家們的廣泛興趣，并稱贊這是一項“杰出的工作”。
“興趣可抵歲月漫長”
這條漫長的科研征程，也是忠實于興趣的旅途。
在北京大學生命科學學院讀博士時，陳浩東便跟隨著名生物學家鄧興旺研究光信號對植物生長的調控作用，并在博士期間隨其前往北京生命科學研究所、美國耶魯大學開展相關研究。
2019年，陳浩東（左）和鄧興旺（右）同返耶魯大學。
那時的他，就留意到植物在特定光環境下會偏離重力方向生長。博士畢業后，陳浩東繼續在北京大學做博士后，并在出站后成為該校副研究員。
2014年，在一場國際苔蘚會議上，著名苔蘚學家David Cove展示了自己早年篩選到的苔蘚突變體，原絲體的向重力性方向變反，但突變基因未知，還現場詢問是否有年輕人愿意接手。
本就對植物感受重力問題好奇的陳浩東對此很感興趣，并在會后向David Cove表達了自己的興趣，并在不久后收到了對方寄來的材料。
陳浩東將自己希望做植物向重力性研究的想法告訴了鄧興旺。對于這項偏離實驗室核心方向的研究，鄧興旺非常支持并鼓勵他追隨興趣，大膽開啟這一新的研究方向。
2020年，陳浩東在前往清華大學生命科學學院組建獨立課題組時，帶來的不僅有對LAZY等重力信號因子的繼續探索，還有對學生興趣支持和包容的精神傳統。
這項有19人的作者團隊，絕大多數是陳浩東在北大和清華的課題組成員，他們在漫長征程中的不同階段作出了重要貢獻。尤其在疫情期間，他們既是前鋒又是候補，每當遇到難題時，集體的智慧總能貢獻更好的方法。
6年多的研究，見證了曾經的學生從成長、畢業到獨立工作，也見證了不斷注入的新鮮血液。對于他們多樣性的興趣和事業選擇，陳浩東也從來都是支持。
“鄧興旺教授和美國新澤西州羅格斯大學董娟教授對研究也有重要貢獻。除了所有作者，研究的成功還離不開其他很多老師的建議，以及清華和北大公共平臺工作人員的支持。”陳浩東說。
這條發現之路是漫長的，也是不易的，但在陳浩東看來，“興趣可抵歲月漫長”。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01035-8
*圖片均為受訪者提供
