中國(guó)科學(xué)院植物研究所研究員、國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才林榮呈

　　新浪財(cái)經(jīng)訊 “CC講壇”第25期于2018年6月28日在北京東方梅地亞中心M劇場(chǎng)舉行，中國(guó)科學(xué)院植物研究所研究員、國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才林榮呈出席并演講，演講題目為《植物的“眼睛”》。

　　植物有“眼睛”嗎？它們?nèi)绾巍翱匆?jiàn)”光？如何為植物生長(zhǎng)量身定制光配方？不遠(yuǎn)的將來(lái)，植物工廠將全面進(jìn)入我們的生活。

　　以下為演講實(shí)錄：

　　林榮呈：俗話說(shuō)眼睛是心靈的窗戶，而作為視覺(jué)器官，眼睛最基本的功能就是幫助我們?nèi)祟愐约昂芏鄤?dòng)物去觀察世界、認(rèn)識(shí)事物，去指導(dǎo)行為。這主要得益于我們眼睛里面有一個(gè)視網(wǎng)膜，而視網(wǎng)膜上面分布著大量的兩類特殊的細(xì)胞，叫光受體細(xì)胞。其中這個(gè)柱狀細(xì)胞能夠告訴我們光線的強(qiáng)弱，而三類不同的錐狀細(xì)胞能夠幫助我們分辨光的顏色，如果其中一個(gè)錐狀細(xì)胞出了問(wèn)題，往往會(huì)導(dǎo)致人的色盲。

　　那么植物有眼睛嗎？如果有，它的眼睛又在哪里？它們是怎么看見(jiàn)光的？光對(duì)植物來(lái)說(shuō)有兩方面的作用，一是光作為一種能量，提供給植物進(jìn)行光合作用來(lái)制造物質(zhì)，這也是我們地球上生命賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)；另外一個(gè)方面，光作為一種信號(hào)來(lái)指導(dǎo)植物的行為。

　　植物的行為是怎么樣被光控制的？向日葵大家都很熟悉，它的頭會(huì)朝著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，這就是植物的行為受光控制的一個(gè)典型的案例。正是來(lái)源于向日葵的一種靈感，工程師們?cè)O(shè)計(jì)出了一種高效聚光的太陽(yáng)能發(fā)電裝置。這樣一種裝置能夠時(shí)刻跟著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，使光線始終垂直于它的表面，達(dá)到高效聚光的目的。其實(shí)植物一生下來(lái)就具有尋找光明的能力，如果把這樣一個(gè)小豆苗種在一個(gè)黑色的箱子里面，在箱子的側(cè)面開一個(gè)小孔，這個(gè)豆苗就會(huì)朝著小孔的方向彎曲生長(zhǎng)。

　　這是同一片葉片的兩種不同的狀態(tài)，這其實(shí)在我女兒上小學(xué)三年級(jí)的時(shí)候，我跟她做了一個(gè)小小的實(shí)驗(yàn)，她先在這個(gè)錫箔紙上寫上這個(gè)“王”字，然后把這個(gè)“王”字進(jìn)行鏤空，把這個(gè)錫箔紙?jiān)偕w在這片葉片上面，放到太陽(yáng)下暴曬一個(gè)小時(shí)，把這個(gè)錫箔紙揭開了之后就出現(xiàn)了這樣一個(gè)字，所以這個(gè)字是我們讓太陽(yáng)寫上去的。那這是為什么呢？因?yàn)橹参锏娜~片上面包含著大量的細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞里面又有很多的葉綠體，被錫箔紙蓋住的那部分細(xì)胞因?yàn)楣饩€是不足的，所以葉綠體就比較均勻地分布在細(xì)胞里面，它希望去吸收更充足的陽(yáng)光，而被陽(yáng)光直接照射的那部分細(xì)胞因?yàn)楣馓珡?qiáng)，它這個(gè)葉綠體就躲到細(xì)胞的兩邊去，所以中間就空出來(lái)了。那么整體來(lái)說(shuō)就形成了這樣一個(gè)淺色的王字。我們?nèi)说募?xì)胞就沒(méi)有這樣一種能力，當(dāng)在太陽(yáng)光下暴曬的時(shí)候，我們的皮膚可就糟糕了。

　　那么植物它是怎么樣看見(jiàn)光的，其實(shí)跟人一樣，植物包含著很多種光的受體，這些受體都分布在植物大部分細(xì)胞里面，不像我們?nèi)诉@個(gè)光受體主要就在我們的眼睛里面，就比如說(shuō)看見(jiàn)這個(gè)藍(lán)光的波段就有三類不同的光的受體，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，就會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)一種激素叫生長(zhǎng)素的不對(duì)稱分布。就是在上午的時(shí)候，這個(gè)向日葵莖稈上西側(cè)生長(zhǎng)素就多，而這個(gè)生長(zhǎng)素是促進(jìn)生長(zhǎng)的，因此它的頭就朝向了東方，而在下午的時(shí)候，這個(gè)莖稈上東側(cè)生長(zhǎng)素就分布的多，因此這個(gè)頭就朝向了西邊。那么第二天就發(fā)現(xiàn)，這個(gè)頭又轉(zhuǎn)回了東方，這是因?yàn)樯镧娖鹆酥匾淖饔茫砩系臅r(shí)候這個(gè)頭又慢慢地轉(zhuǎn)回了東方。

　　植物還能看見(jiàn)我們?nèi)搜鬯床灰?jiàn)的光，比如說(shuō)它能看見(jiàn)紫外線，能看見(jiàn)紅外線，其中這個(gè)光敏色素就是能夠看見(jiàn)紅光以及比紅光長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅光的這樣一種光的受體。早在上世紀(jì)50年代，兩位美國(guó)的植物學(xué)家做了一個(gè)非常有意思的實(shí)驗(yàn)，他們把萵苣的種子分成八份，給它照紅光以及比紅光長(zhǎng)80nm的遠(yuǎn)紅光，不斷交替進(jìn)行，就是照了紅光再照遠(yuǎn)紅光，再照紅光再照遠(yuǎn)紅光，照的時(shí)間都非常短，幾分鐘時(shí)間，然后再放在黑暗中三四天。當(dāng)他們統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率的時(shí)候，很驚奇地發(fā)現(xiàn)，凡是最后一次照了紅光的，這個(gè)種子絕大部分都能發(fā)芽，發(fā)得非常好，而最后一次照了遠(yuǎn)紅光的，絕大部分種子都不能發(fā)芽。因此他們推測(cè)，這個(gè)種子里面它存在著一種色素物質(zhì)，這種物質(zhì)能夠看的清楚紅光和遠(yuǎn)紅光的差異。

　　為了搞清楚這個(gè)問(wèn)題，他們與其他幾位科學(xué)家進(jìn)一步進(jìn)行合作，其中有兩位工程師設(shè)計(jì)了一種比較精密的儀器，能分得清紅光和遠(yuǎn)紅光的性質(zhì)差異，希望能尋找到這樣一種物質(zhì)。剛開始他們做了好幾年的實(shí)驗(yàn)，一直都沒(méi)有成功。到了1959年6月中旬的一個(gè)早晨，這名叫亨德里克斯的教授起得很早，到了農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)去買了一捆用紙包裹好的蘿卜苗，回到實(shí)驗(yàn)室，還是像往常一樣做實(shí)驗(yàn)，給它照紅光，再照遠(yuǎn)紅光，結(jié)果奇跡出現(xiàn)了，這個(gè)指針發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)，他們欣喜若狂，實(shí)驗(yàn)終于成功了。

　　就在當(dāng)年的8月份，在加拿大蒙特利爾要召開一個(gè)國(guó)際植物學(xué)的大會(huì)，因?yàn)檫@個(gè)大會(huì)六年召開一次，非常難得，所以他們就申請(qǐng)要到大會(huì)上去匯報(bào)他們這樣一項(xiàng)重大的發(fā)現(xiàn)。就在出發(fā)前幾天，他們把這個(gè)儀器以及這個(gè)植物放到車的后備箱里面，幾個(gè)人準(zhǔn)備開車從美國(guó)的馬里蘭到加拿大的蒙特利爾。由于路途很遙遠(yuǎn)，中間肯定要加很多次的油，所以在每次加油的時(shí)候，他們都要打開后備箱檢查一下這個(gè)儀器有沒(méi)有被顛壞以及這個(gè)植物長(zhǎng)得怎么樣了。到了去做報(bào)告的那一天，他們把這個(gè)植物以及這個(gè)儀器搬到講臺(tái)上面，下面坐著好幾百的觀眾，都在翹首以待，等待著他們這樣一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)。可是事與愿違，當(dāng)他們給植物照了遠(yuǎn)紅光，照了紅光之后，看這個(gè)儀器的指針根本就沒(méi)有發(fā)生變化，這怎么可能？因?yàn)樗麄兪孪戎貜?fù)了很多次的，難道是這個(gè)設(shè)備出問(wèn)題了？

　　其實(shí)不是這個(gè)儀器出了問(wèn)題，而是后來(lái)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗恳淮螐倪@個(gè)路途中打開了后備箱很多次，這個(gè)植物已經(jīng)事先照光了，這種物質(zhì)被降解了。這也導(dǎo)致了后來(lái)有個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)，他們把這樣一種物質(zhì)用希臘語(yǔ)命名叫phytochrome，就是植物加上顏色的意思，我們中文翻譯過(guò)來(lái)就叫光敏色素，就是對(duì)光很敏感的這樣一種色素物質(zhì)。

　　隨后的40年，光敏色素的精彩故事在不斷地上演。到了1999年，科學(xué)家對(duì)光敏色素有了進(jìn)一步深刻的認(rèn)識(shí)，他們觀察到光敏色素一種獨(dú)特的現(xiàn)象，就是照了遠(yuǎn)紅光之后，這個(gè)光敏色素它是在細(xì)胞質(zhì)里面，這就相當(dāng)于這個(gè)開關(guān)是閉合的，所以前面我們提到了種子它就不能發(fā)芽。而一旦照了短暫的紅光之后，這個(gè)光敏色素就迅速地進(jìn)入到細(xì)胞核。細(xì)胞核就像我們?nèi)说拇竽X一樣，是一個(gè)指揮中心，因此光敏色素在細(xì)胞核里面就是指揮著成百上千的基因開始工作，那么這個(gè)種子就是能夠發(fā)芽了。

　　所以接下來(lái)的問(wèn)題是，這個(gè)光敏色素是怎樣進(jìn)入到細(xì)胞核，或者說(shuō)怎樣在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間移動(dòng)的呢？2002年我去了美國(guó)康奈爾大學(xué)開展了博士后的研究，那么我的主要工作就是要回答剛才提出的問(wèn)題，找到是誰(shuí)幫助光敏色素進(jìn)入到細(xì)胞核。光敏色素能夠控制著種子發(fā)芽，另外它還有一個(gè)能力，就是控制著植物幼苗的高矮。大家可以看到，當(dāng)光敏色素不在的時(shí)候，這個(gè)植物的苗子長(zhǎng)得非常高，就相當(dāng)于看不見(jiàn)光一樣。因此我們推測(cè)，假如說(shuō)有一個(gè)物質(zhì)能夠幫助光敏色素進(jìn)入到這個(gè)細(xì)胞核，那么它要是沒(méi)了，也應(yīng)該呈現(xiàn)出跟光敏色素沒(méi)了類似的一種行為。最后我們把目光聚焦到兩個(gè)蛋白上面，叫FHY3和FAR1，它們就像一對(duì)兩兄弟一樣一起去工作，確實(shí)當(dāng)它們兩個(gè)都沒(méi)了的時(shí)候，我們?cè)诩?xì)胞核里面就檢測(cè)不到這個(gè)光敏色素的存在。

　　那么接下來(lái)的問(wèn)題是，這兩個(gè)蛋白或者這兩兄弟是怎樣去工作的呢？這就要求我們?nèi)ジ闱宄鼈儍蓚€(gè)的身份。當(dāng)我們?nèi)プ粉欉@兩個(gè)蛋白或者說(shuō)這兩兄弟的老祖宗，或者在進(jìn)化上的關(guān)系的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)蛋白跟另外一個(gè)跳躍因子有一定的親緣關(guān)系。那么前人已經(jīng)知道，這個(gè)跳躍因子它有結(jié)合DNA的能力，我們猜測(cè)這兩個(gè)蛋白可能也就繼承了結(jié)合DNA的這樣一種能力，于是我們順藤摸瓜，取得了重大的突破。最后我們搞清楚了，這兩個(gè)蛋白它要先結(jié)合到另外兩個(gè)基因的DNA上面去，后者產(chǎn)生的蛋白質(zhì)會(huì)牽著光敏色素從細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入到細(xì)胞核，所以就把這個(gè)光的信息帶到了這個(gè)細(xì)胞核里面。但是如果細(xì)胞核里面的光敏色素太多了的話，它反過(guò)來(lái)又會(huì)叫停前面兩個(gè)蛋白的功能。因此在植物的細(xì)胞里面，打個(gè)比喻，這套系統(tǒng)就好比車的油門和剎車一樣，它會(huì)隨著外界光環(huán)境的不斷變化來(lái)加速或者減速，這樣一種行為的執(zhí)行。這樣一項(xiàng)重要的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在2007年11月份的美國(guó)《科學(xué)》雜志上。

　　到了2008年5月底，也就是整整十年之前，我回國(guó)到了中國(guó)科學(xué)院植物研究所，建立了我的研究團(tuán)隊(duì)和實(shí)驗(yàn)室，所以我們主要的工作就是想搞清楚，當(dāng)植物的眼睛看見(jiàn)光之后，接下來(lái)又發(fā)生了哪些事情？這些事情又是如何發(fā)生的？又有誰(shuí)去參與了這樣的過(guò)程？

　　那么我們前面提到了光會(huì)控制種子的發(fā)芽，實(shí)際上還控制著像葉綠體發(fā)育、形態(tài)建成、開花等一系列的植物行為。那么植物的這種行為，它實(shí)際上都是因?yàn)橛谢蚩刂频模虼宋覀兙筒捎眠z傳學(xué)方法，把這些植物里面的很多基因突變掉，突變了之后植物長(zhǎng)得更綠了，長(zhǎng)得更矮了，或者開花開得更早了，所以我們?nèi)ふ铱刂七@種性狀的關(guān)鍵基因，那么在過(guò)去的十年里，我們先后有三十多位研究生和工作人員發(fā)現(xiàn)二十多個(gè)基因在里面起了重要的作用，我們發(fā)現(xiàn)這些基因或者蛋白質(zhì)實(shí)際上都不是獨(dú)來(lái)獨(dú)往的，不是一個(gè)人在工作的，相互之間都是復(fù)雜的聯(lián)系，而有些是一個(gè)平級(jí)的關(guān)系，有一些是上下級(jí)的關(guān)系，有些基因之間是一個(gè)朋友的關(guān)系，而另外一些又是對(duì)抗的關(guān)系。比如說(shuō)上面有一個(gè)叫PKL蛋白質(zhì)，它就跟另外一個(gè)叫HY5的蛋白是一對(duì)朋友，他們兩個(gè)人要一起去工作，而跟另外一個(gè)叫RGA的蛋白就是一對(duì)冤家，RGA蛋白存在的時(shí)候，就讓這個(gè)PKL蛋白不要去工作。因此這些不同的蛋白質(zhì)之間通過(guò)復(fù)雜的相互關(guān)系構(gòu)成了類似于集成電路里面復(fù)雜的光信號(hào)傳遞網(wǎng)絡(luò)。

　　這些不同的路徑傳遞著不同的指令，以及下面發(fā)生不同的植物行為，實(shí)際上在植物的體內(nèi)這樣一個(gè)過(guò)程還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有解決，還需要我們進(jìn)一步去挖掘。

　　獲得這些信息之后，我們也在思考到底怎樣能夠把實(shí)驗(yàn)室的研究轉(zhuǎn)化為有用的技術(shù)呢？可是我們國(guó)家人口多，耕地又有限，很多的土壤水體被污染，老百姓又擔(dān)心農(nóng)藥殘留的問(wèn)題，這就存在一個(gè)很大的矛盾，怎樣去解決這樣一個(gè)矛盾？那就需要科技的創(chuàng)新與變革。現(xiàn)代化的植物工廠就為破解這樣一個(gè)矛盾提供了有效的解決方案，現(xiàn)代化的植物工廠是顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的一種高效的生產(chǎn)系統(tǒng)，它不同于我們普通的溫室，它不需要土壤，不占用耕地，不使用農(nóng)藥，是在一個(gè)全封閉的環(huán)境里面對(duì)植物進(jìn)行光照、溫度、濕度、二氧化碳、營(yíng)養(yǎng)等等進(jìn)行自動(dòng)化的控制。而且可以看到在這樣一個(gè)工廠里面，這個(gè)架子上面有六層，實(shí)際上可以根據(jù)高度不一樣，達(dá)到十幾層，因?yàn)樗鼏挝幻娣e的產(chǎn)能效率大幅度地提高，并且植物工廠里面給植物提供了一個(gè)最佳的環(huán)境，它生長(zhǎng)得非常快，周期就可以縮短。

　　在室外太陽(yáng)光實(shí)際上提供的是一個(gè)紅橙黃綠青藍(lán)紫，一個(gè)全波長(zhǎng)的。可是植物的生長(zhǎng)并不是所有的光都是等比例需要的，因此在這個(gè)封閉的植物工廠里面，怎樣提供給植物最佳的一個(gè)生長(zhǎng)的光環(huán)境，同時(shí)又節(jié)約能源、節(jié)約成本，這就成了一個(gè)需要解決的一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，我們就在前面研究的基礎(chǔ)上，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)在LED技術(shù)的快速發(fā)展，把這個(gè)光分成紅橙黃綠青藍(lán)紫，把它剝離出來(lái)，再進(jìn)行不同的組合，然后為不同的植物、同一個(gè)植物不同的生長(zhǎng)階段進(jìn)行量身定制最佳的光譜配方。比如說(shuō)這就顯示了有兩個(gè)光譜，它實(shí)際上是不一樣的，那么對(duì)植物來(lái)說(shuō)，紅光和藍(lán)光這兩者是最需要的。

　　比如說(shuō)這樣一種叫“優(yōu)雅”的蔬菜，我們先在紅光和藍(lán)光4：1的情況下讓它生長(zhǎng)，像左邊這樣一個(gè)圖，剛開始覺(jué)得它還是長(zhǎng)的不錯(cuò)的，但仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，它的形狀比較緊湊。分析原因就是這個(gè)葉片長(zhǎng)得還不夠，那么前面我們提到，這個(gè)光敏色素能夠看見(jiàn)遠(yuǎn)紅光，看見(jiàn)遠(yuǎn)紅光之后它還會(huì)啟動(dòng)一種叫避陰反應(yīng)的這樣一種行為，就是給植物照了比較多的遠(yuǎn)紅光之后，它以為可能光線是不足的，這個(gè)時(shí)候它拼命要去生長(zhǎng)，因此我們?cè)谠瓉?lái)配方的基礎(chǔ)上給這個(gè)蔬菜加了一定比例的遠(yuǎn)紅光，這個(gè)植物葉片長(zhǎng)得更開了，形狀也更好看了，產(chǎn)量也得到了提高。

　　另外一種蔬菜，剛開始在紅光藍(lán)光3：1的情況下長(zhǎng)得非常好，可是后來(lái)發(fā)現(xiàn)，下部的好幾片葉片提前出現(xiàn)了衰老，后來(lái)在這樣一個(gè)光配方的基礎(chǔ)上，我們加了不同的其他的光，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加了綠光可以很好地起到這樣一種效果，這就讓我們覺(jué)得也很吃驚，因?yàn)槠綍r(shí)覺(jué)得這個(gè)綠光對(duì)植物可能是不需要的，因?yàn)橹参锸蔷G色的，它會(huì)把這個(gè)綠光反射掉，可是恰恰在這個(gè)里面我們發(fā)現(xiàn)加了綠光可以很好地延緩衰老。

　　另外有些蔬菜，大家知道是紅色或者紫色的，這里面是因?yàn)榛ㄇ嗨氐暮勘容^高，花青素有抗自由基、抗氧化這樣一種功能，可能在剛開始種這種蔬菜的時(shí)候，這個(gè)紅色它怎么也不出現(xiàn)，我們分析原因應(yīng)該是花青素的合成途徑?jīng)]有被很好地啟動(dòng)。而我們也知道短波長(zhǎng)的一些光可以促進(jìn)花青素的合成，因此在原來(lái)光譜配方的基礎(chǔ)上，我們給它加了一定比例的短波長(zhǎng)的藍(lán)光，顏色自然而然就出來(lái)了。因此在植物工廠里面，我們可以對(duì)植物的代謝途徑進(jìn)行有效控制和精準(zhǔn)調(diào)控，提高植物的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，這在外面以及溫室里面是難以實(shí)現(xiàn)的。

　　這種通過(guò)改變光譜配方的定向調(diào)控技術(shù)對(duì)藥用植物的生產(chǎn)就顯得尤為重要，我們知道很多中草藥都有道地性，什么叫道地性？就是要在一個(gè)特定的環(huán)境、特定的地方生長(zhǎng)，它這個(gè)藥用成分才高。現(xiàn)在我們可以模擬這種中草藥的道地環(huán)境，然后在植物工廠里面進(jìn)行大規(guī)模多年的連續(xù)生產(chǎn)。比如說(shuō)通過(guò)特殊光譜的研發(fā)，我們可以對(duì)金線蓮的有效成分比在室外生長(zhǎng)提高50%以上。

　　而我們國(guó)家植物工廠其實(shí)也剛剛起步，還有很多理論問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題需要去突破，很多植物開花結(jié)果需要像蜜蜂這樣的昆蟲去傳粉的，可是在這個(gè)封閉的植物工廠里面如何去實(shí)現(xiàn)呢？對(duì)我們的光譜配方又有怎樣的要求呢？這又是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

　　我相信，在不久的將來(lái)，大型的植物工廠會(huì)廣泛應(yīng)用于我們的城市，同時(shí)這種小型的迷你型的植物工廠也將進(jìn)入百姓的家庭，讓大家把蔬菜種到廚房里。與此同時(shí)，植物工廠也會(huì)進(jìn)入到我們的空間站、極地考察、海島以及我們的航空母艦和潛艇，為特殊情況下的人群提供食物保障。也許有一天，當(dāng)我們?nèi)祟愐泼窕鹦堑臅r(shí)候，我相信未來(lái)的植物工廠必將發(fā)揮更大的作用！謝謝大家。

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責(zé)任編輯：謝長(zhǎng)杉