20年坚守，他们把“冷板凳”坐成“新赛道”

■本报记者 冯丽妃

不久前发表在《细胞》的研究，可能是张保才研究员与老师周奕华研究员科研生涯迄今“最高光”的时刻。

在这项研究中，来自中国科学院遗传与发育生物学研究所（以下简称遗传发育所）的师徒两人带领学生，揭示了植物物流系统——“纹孔”的纳米级三维结构，并鉴定出首个控制纹孔大小的基因，破解了植物如何通过微观结构调控水分与氮素运输的百年谜题。

尽管这是一项非常出色的研究，但由于其专业壁垒，可谓“曲高和寡”——很多非植物界的科研人员对此了解不多。回忆起20年前刚建组的情景，周奕华说：“那时直接报考的学生比较少，经常需要调剂。”如今，这个研究领域的“人气”渐渐高了起来，曾经的“少数派”正在演变成植物研究领域最前沿的赛道之一。

偏离“中心”的师徒

2006年，周奕华从中国科学院院士李家洋团队独立出来并继承了原团队水稻细胞方向的研究工作，带着几个水稻脆秆材料开启了独立的科研生涯。她把目光聚焦到一个当时极具挑战性的研究方向——细胞壁构成的植物茎秆。

在作物高产育种的主流叙事里，科学家更关注籽粒大小、株高这些肉眼可见的性状。细胞壁是个绝对的“冷门”。当时生命科学研究的版图中，DNA和蛋白质研究是万众瞩目的热点，遵循着清晰的“中心法则”，即生物学遗传信息从DNA传递到RNA再到蛋白质的核心理论。与此相对，植物细胞壁的多糖研究，却像在荒原中探索——植物茎秆细胞壁的五六成由多糖组成，但多糖合成没有模板可循，其合成与修饰复杂多变，甚至被认为“超越了中心法则”，研究难度可见一斑。

那时候，报考的学生看到课题组网页，根本不知道这个新成立的小组在做什么。招生自然遇冷。

张保才就在这一年到遗传发育所攻读博士，机缘巧合地进了这个新课题组，成为周奕华的“开山弟子”。

起初，在李家洋的支持下，周奕华将研究目标集中在水稻茎秆的支撑力上——它像骨架一样，能有效防止作物倒伏。课题组先后揭示了BC14、BC16等一系列能够调控纤维素合成及茎秆机械强度的基因。随着研究深入，周奕华预感到具有精细纹饰的木质部导管很可能蕴藏着新的前沿生长点，因为它构建了一套联通植物各个器官的高效物流运输系统，能输送水分和养分，维系植物生命活动的高效性和安全性，对产量等重要性状极为关键。

这套物流系统如何运作？核心调控结构是什么？如何让它更高效地促进作物高产？这些问题成为研究组聚焦的核心内容。

要解答这些问题，绕不开糖化学研究。彼时国际上刚兴起的细胞壁乙酰化修饰研究，成为研究组新的突破口。但也有不少研究难点，例如酰基化修饰的检测需要原子级精度的核磁共振技术，而当时的核磁研究人员，更倾向于研究蛋白和小分子，对多糖这类“又杂又乱的大分子”鲜有兴趣。

为了攻克技术难关，2008年，在周奕华的推荐下，张保才远赴美国密歇根州立大学，专门学习多糖分析化学。“我不擅长化学，但做好多糖研究需要掌握大量化学知识，你最好往化学上偏一点，这样我俩搭起来，才能形成合力。”周奕华对张保才直言。

此后，师徒二人互补协作，凭着不屈不挠的“笨功夫”，不断取得重要突破。2017年，他们与合作者首次发现木聚糖乙酰酯酶BS1，证实其能影响木质部导管结构，进而调控植株形态和产量等农艺性状，还提出了细胞壁乙酰化修饰“双向调控”的新理论，被国际专家评价为多糖研究领域的惊喜”；2022年，团队又发现多糖会在导管上形成特殊“团簇”，国际期刊主编称此为“意想不到”的发现，为水稻高产优质的分子设计育种提供了全新的基因资源和理论支撑。

尽管这些研究一次次突破领域边界，但因为“植物性太强”、专业门槛过高，始终处于“不温不火”的状态。但师徒二人从不在意，只是一步一个脚印，把每一项研究都做扎实、做深入。

一“孔”之见

不久前发表于《细胞》的这项研究，是周奕华团队二十载研究的“厚积薄发”，也让植物“纹孔”这一微观结构进入了更多人的视野。

虽然植物的导管像血管一样承担着运输水分和养分的重任，但是它与人体血管不同，没有心脏作为动力泵，运输全靠太阳光照带动的蒸腾作用形成的负压。而纹孔，就是早期植物“登陆”适应中的关键一招。“它们就像导管壁上实现物质交换的关键窗口，能及时阻止和排出导管内的气栓’，就像我们打点滴时，一旦有气体进入静脉，就会有生命危险。植物也一样，如果导管里有气栓，运输效能就会大幅降低。”周奕华解释道。

要保证运输系统的高效性和安全性，纹孔的作用极为关键。然而，长期以来，由于结构微小且深埋于组织内部，纹孔精确的三维形态及形成机制一直是植物学界的盲区。

“以前大家都觉得纹孔只是导管壁上的小洞，但它在三维空间里究竟长什么样、对运输性能有哪些具体影响，没人能说清楚。”张保才敏锐意识到，突破这一盲区，必须重构纹孔的三维模型。

为了揭开纹孔的神秘面纱，研究团队开启了一场极致的微观探索。通过对上百份来自全球各地的水稻核心种质的导管纹孔进行扫描电镜观察，他们发现纹孔的自然形貌变异极为丰富，除了常见的椭圆形，还有狭长、细小等多种形态。

在此基础上，研究团队通过全基因组关联分析，成功锁定了一个名为PS1的关键基因。该基因编码的蛋白能精修细胞壁中的木聚糖，使其紧紧“捆扎”住纤维素，从而精准调控纹孔大小。为了解PS1塑造纹孔结构的分子机制，他们启用了聚焦离子束扫描电镜技术，对关键实验材料的导管进行连续扫描，每个样品采集了300余张电镜图并重构了纹孔精细三维图像。“这是在纳米尺度上进行三维重建，精度达到了10纳米×10纳米×30纳米，是头发丝直径的几千分之一。”张保才说。

极致的探索带来了令人震惊的发现，纹孔并非简单的孔洞，而是具有复杂边缘结构的精密装置，其中间最细的“开口”，才是决定导管运输性能的“命门”——纹孔开口较小时，运输效率反而更高。更令人惊叹的是，这一微观结构具有极强的“可塑性”。在低氮环境下，纹孔会自动变小，以减少能耗、提升运输效率；在高氮环境下，纹孔则会相应变大。

这一发现解释了植物如何在分子水平感知环境变化、调整自身生理结构和物质运输的百年谜题。张保才将其比喻为“用绳索捆绑钢筋”：在细胞壁的网络结构里，纤维素就像墙上的钢筋，木聚糖则是捆扎钢筋的绳索。PS1蛋白的作用就像一个精密的锁边机或扣眼机，通过去掉木聚糖上的多余乙酰化修饰，让“绳索”更紧密地捆扎和锚定纤维素“钢筋”。

“如果‘锁边’出了问题，纤维素就会失去固定，导致纹孔结构不稳定、开口过大，最终影响整个植物运输系统的效能。”张保才补充说。

而这项研究的价值，远不止揭开纹孔的奥秘。研究团队对近70年育成的水稻品种进行分析后发现，优异单倍型PS1 Hap2在籼稻育种中的应用比例逐年提升，却在粳稻育种中几乎缺失。他们将这一优异单倍型导入粳稻品种后发现，无论在高氮环境还是低氮环境下，粳稻产量均显著提升，且在低氮环境下的增产效果尤为突出。这意味着，该基因能让作物更好地适应多变的生长环境，尤其提升了对绿色农业生产或贫瘠土地的适应能力，为水稻育种提供了全新的优质基因资源。

国际审稿人评价称：“这是一项非常出色的研究，对纹孔三维结构的展示令人印象深刻。该领域此前尚未系统探索，这对于作物生产力研究无疑具有重要意义。”

周奕华表示，这项研究展示了一种“全链条”的研究新范式：从最微观的多糖分子修饰到纳米级的亚细胞超微结构，再到植物组织功能，最终落地作物产量提升，整个研究的每一个环节都清晰衔接、层层递进，而这也是未来农业生物智造的基本逻辑。

这一成果的取得，离不开研究团队的通力协作。为了挖掘纹孔的多样性，实验室十余位学生齐上阵，分工合作，完成了上百份水稻核心种质的大规模扫描电镜观察。“每一份材料都要拍大量照片，一步步做下来，工作量非同一般。”张保才说。

传承

发表顶刊固然可喜，但这并非师徒两人的初衷。他们的想法很简单：把纹孔背后的机制弄清楚，把细胞壁研究这个专业领域传承下去。

如今，师生合作了20年，张保才已经成长为一名独立的PI（课题组长）。他在2024年初建立了自己的实验室。多年前，周奕华让他出国深造的糖化学技术，如今已成为该课题组鲜明的科研底色，也使他成为遗传发育所植物糖化学方向的“专业担当”。

“我们算是两代人了，现在我可以放心地把导管研究的大旗交给他了。”周奕华笑言。她看得很开，也很通透。科研的传承不是知识的单向输出，而是彼此成就、共同拓展领域边界的过程。细胞壁这个领域广阔，可研究的方向多。张保才擅长糖化学与导管分子机制研究，能够接过基础研究向育种应用转化的“接力棒”；而周奕华对果胶、细胞壁可塑性等问题感兴趣，希望在退休前放手一搏，做一些更有挑战性的研究。

“他成长起来，我很高兴，这也是我科研生涯的延续。”周奕华表示，“科教融合，不仅要做好自己的科研，更要带好人才。我希望我们能形成‘1+1＞2’的效果。”

这种良性循环正在发生。20年前，因为方向太“偏”、太“专”，招生曾是周奕华遇到的大难题。如今，越来越多的学子主动选择这一方向。

“细胞壁研究专业性极强，学生进来后可以得到全方位的训练。”张保才介绍道，要做好细胞壁研究，必须横跨遗传学、分子生物学、化学、生物化学及细胞生物学等多个学科，还要熟练掌握核磁、质谱等高精尖设备。这种交叉学科训练，使得从课题组走出的毕业生备受青睐，“许多单位都想要我们这边的学生”。

“细胞壁领域专业性很强，但比较基础，一直以少数大学或机构的传承式研究为主。现在，国外有专门的复杂碳水化合物研究中心，而国内植物功能性细胞壁的研究依然很少，有待进一步发展。”张保才说。

（实习生侯婧怡对本文亦有贡献）