在科學(xué)界，從事植物葉柄的研究一直以來(lái)都不如對(duì)黑猩猩的大腦或癌細(xì)胞突變激酶基因研究那么誘人，然而，植物世界卻一直是無(wú)數(shù)基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的靈感所在。
比如，奧地利遺傳學(xué)家格雷戈?duì)?bull;孟德?tīng)枏膶?duì)豌豆的研究觀察中發(fā)現(xiàn)了遺傳的基本規(guī)律；法國(guó)地球物理學(xué)家麥蘭從向日葵的朝向發(fā)現(xiàn)了晝夜節(jié)律；諾貝爾獎(jiǎng)獲得者詹姆斯•薩姆納從刀豆中獲得了尿素酶的結(jié)晶；另一位諾貝爾獎(jiǎng)得主芭芭拉•麥克林托克通過(guò)對(duì)玉米的研究獲得了一個(gè)意想不到的新發(fā)現(xiàn)，即玉米中的可移動(dòng)基因——俗稱(chēng)“跳躍基因”……
如今，植物在許多令人振奮的新領(lǐng)域中，更是著科技新潮流。
植物能告訴我們很多事情
植物學(xué)研究已經(jīng)導(dǎo)致了基礎(chǔ)生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的許多發(fā)現(xiàn)，植物領(lǐng)域內(nèi)還有更多的奧秘在等待著人們?nèi)ソ沂竞桶l(fā)現(xiàn)。比如，植物是如何將數(shù)噸之水傳送到高聳的紅杉樹(shù)頂部；又比如，橡樹(shù)強(qiáng)壯的樹(shù)枝是如何承受地心引力和強(qiáng)勁颶風(fēng)的。
“植物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性超出了工程師們的想象，”加州理工學(xué)院生物學(xué)教授艾略特•邁耶羅維茨和喬治•比德?tīng)栒f(shuō)，“如果我們能理解這些機(jī)制，將會(huì)在工程學(xué)領(lǐng)域內(nèi)開(kāi)拓新的視界。”
獲取這些新知識(shí)不僅具有學(xué)術(shù)上的重要價(jià)值，同時(shí)還擁有許多實(shí)際用途。比如，了解激素的復(fù)雜機(jī)制，就能用來(lái)控制植物的生長(zhǎng)；了解植物的生物化學(xué)機(jī)制，就能讓植物獲得更強(qiáng)的抗病害蟲(chóng)能力和抗干旱能力。尤其是目前對(duì)于面臨多種挑戰(zhàn)的人類(lèi)來(lái)說(shuō)，這已經(jīng)是當(dāng)務(wù)之急。
而聯(lián)合國(guó)的一些統(tǒng)計(jì)數(shù)字發(fā)人深?。侯A(yù)計(jì)到2050年，在目前68億人口的基礎(chǔ)上將再激增30億，其中有近1億的人口正在承受著營(yíng)養(yǎng)不良的痛苦。同時(shí)，世界對(duì)能源的需求也在呈持續(xù)上升趨勢(shì)，長(zhǎng)期使用化石燃料產(chǎn)生的后果正日益明顯，土地在需要生長(zhǎng)糧食的同時(shí)，還要種植生物燃料作物，所有這些都對(duì)農(nóng)業(yè)帶來(lái)了巨大的壓力。
包括氣候變化正在帶來(lái)或醞釀一些風(fēng)險(xiǎn)極大的災(zāi)難性后果，比如，威脅著地球上zui重要的小麥主產(chǎn)區(qū)的稈銹菌Ug99的傳播。因此，人類(lèi)必須考慮如何生產(chǎn)出更多的糧食和用作燃料或能源的植物材料。
“2050年左右將多增加30億人口，但土地資源不會(huì)增加，淡水資源也不會(huì)增多，同時(shí)還要面對(duì)地球氣候發(fā)生的重大變化，所有這些都將對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生重大影響”，美國(guó)糧食和農(nóng)業(yè)研究所主任羅杰•比切說(shuō)，“我們需要改變農(nóng)業(yè)，使作物在氣候真正變暖后仍然可以正常種植，在較少灌溉水和較少使用化肥的情況下仍然能夠高產(chǎn)。我們需要不怕蟲(chóng)害的植物，我們需要在氣候變暖時(shí)不會(huì)生病的植物。”
“新生物學(xué)”促資植物學(xué)研究
2008年9月，美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)（NRC）開(kāi)始關(guān)注一些zui為緊迫的社會(huì)問(wèn)題——食品、環(huán)境、能源、健康等——并探尋生物學(xué)研究可以作出zui大貢獻(xiàn)的一些領(lǐng)域。“很明顯，幾乎在所有上述領(lǐng)域內(nèi)，植物都是解決這些問(wèn)題的重要途徑和主要來(lái)源，關(guān)鍵是能否及時(shí)獲得解決方案。”NRC“21世紀(jì)新生物學(xué)”委員會(huì)副主席、美國(guó)麻省理工學(xué)院科赫綜合癌癥研究所教授、諾貝爾獎(jiǎng)得主菲利普•A•夏普說(shuō)。而比切認(rèn)為，有這么多的東西需要去學(xué)習(xí)和了解，他擔(dān)心的是我們的學(xué)習(xí)速度是否足夠快。
在面對(duì)如此多的緊迫任務(wù)的時(shí)候，人們可能會(huì)認(rèn)為植物研究在世界各地都會(huì)得到重視和資助。中國(guó)近年來(lái)比較重視這方面的研究，在糧食生產(chǎn)不足的印度也得到了越來(lái)越多的支持。但在糧食充裕的美國(guó)和歐洲大部分地區(qū)，對(duì)植物研究卻并不那么重視。在美國(guó)，生命科學(xué)中的植物學(xué)研究是zui不為人關(guān)注的，聯(lián)邦政府每年撥予生命科學(xué)研究400億美元的經(jīng)費(fèi)預(yù)算中，植物學(xué)研究所占的比例不足2%，獲大頭的則是生物醫(yī)學(xué)研究。
為什么會(huì)這樣呢？“我們只對(duì)我們本身感興趣，”喬瑞解釋說(shuō)，“國(guó)會(huì)的人往往將著眼點(diǎn)放在疾病和人類(lèi)健康方面。”更為重要的是，美國(guó)的農(nóng)業(yè)是如此成功，以至于在不久前，聯(lián)邦政府欲承擔(dān)數(shù)十億美元的代價(jià)在部分地區(qū)對(duì)種植業(yè)做出一些限制。“為什么要花錢(qián)去研究讓農(nóng)民生產(chǎn)更多作物的方法呢？”比切說(shuō)，“正是我們的成功在一直阻礙著我們。”
研究經(jīng)費(fèi)之間的差距在美國(guó)的一些研究型大學(xué)中也非常明顯。杰出的植物學(xué)家維基•錢(qián)德勒說(shuō)，從事癌癥研究的實(shí)驗(yàn)室往往擁有大量的博士后和研究生，而研究植物的科學(xué)家所獲得的撥款只夠支持一位博士后研究員和一位技師。如果要支撐一個(gè)卓有成效的實(shí)驗(yàn)室則“十分困難”，許多有前途的研究生必須放棄植物學(xué)研究才能找到有經(jīng)費(fèi)支持的項(xiàng)目。對(duì)此，比切認(rèn)為，“如果僅僅是經(jīng)費(fèi)的原因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，這是一種恥辱。”
然而，并非都是壞消息。盡管支持度相對(duì)較低，植物生物學(xué)家和遺傳學(xué)家在過(guò)去的10～15年內(nèi)，已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。當(dāng)喬瑞于1985年從細(xì)菌學(xué)研究轉(zhuǎn)向植物生物學(xué)研究時(shí)，“已發(fā)現(xiàn)了一種植物受體，”她回憶說(shuō)。如今，有了新的研究工具以及阿拉伯芥、擬南芥等植物遺傳、生理和進(jìn)化生物學(xué)研究的模式植物，植物生物學(xué)家對(duì)這些植物所進(jìn)行的遺傳基因測(cè)序獲得了大量植物遺傳學(xué)的知識(shí)?？茖W(xué)家們預(yù)言，植物基因組里存在著數(shù)百種基因編碼的受體，目前已確定了這些已知植物激素的受體。
例如，光生物學(xué)家已經(jīng)了解到，植物中的某種光受體可感知附近植物的蔭蔽，從非?，F(xiàn)實(shí)的意義上來(lái)說(shuō)，它能感知到與其爭(zhēng)奪陽(yáng)光的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手——當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，植物就會(huì)調(diào)整生長(zhǎng)激素，加快其生長(zhǎng)速度。當(dāng)然，這也是要付出一定的代價(jià)，在加速生長(zhǎng)的同時(shí)，植物會(huì)降低對(duì)病蟲(chóng)害的防御能力。即植物群中的某一植物為爭(zhēng)取在植物中長(zhǎng)得zui高的優(yōu)勢(shì)，即使意味著更容易受到蟲(chóng)害的侵襲也在所不惜。在研究中，喬瑞與德國(guó)圖賓根的馬克斯普朗克研究所的德特勒夫•威格爾還了解到，瑞典等受光照較低國(guó)家的植物，其感光受體的敏感程度是陽(yáng)光明媚的西班牙同類(lèi)植物的10倍以上。
比切認(rèn)為，“我們對(duì)遺傳學(xué)的研究工具已經(jīng)投入了許多，加大對(duì)植物學(xué)研究的投資時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。”夏普補(bǔ)充道，加大投資“很可能會(huì)引發(fā)zui大的知識(shí)爆炸，由于之前在該領(lǐng)域內(nèi)投資嚴(yán)重不足，意味著加大投資會(huì)有更多回報(bào)的機(jī)會(huì)。”
機(jī)會(huì)在哪里？“下一個(gè)挑戰(zhàn)除了產(chǎn)量，還是產(chǎn)量，”喬瑞說(shuō)。這意味著要繪制出成百上千種植物的基因圖表及其細(xì)節(jié)，然后再學(xué)會(huì)如何操縱這些基因。NRC在“21世紀(jì)新生物學(xué)”報(bào)告中指出：“我們目前擁有的只是植物零件的清單，而不是匯編指令。”
如果我們能夠?qū)τ衩谆虻膮R編指令進(jìn)行調(diào)整，是否能使其根系發(fā)展與土壤中的固氮微生物的關(guān)系更為密切，并以此減少其對(duì)肥料的需求？“確實(shí)有一些植物知道它們?cè)撛趺醋觯?rdquo;錢(qián)德勒說(shuō)，“甘蔗就和土壤擁有這種密切的關(guān)系，所以對(duì)氮肥的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于玉米。”
我們可以發(fā)揮充分的想象力，想象如何通過(guò)植物生長(zhǎng)出大量的生物質(zhì)原料，包括是否有可能對(duì)草原上的牧草進(jìn)行一些生物學(xué)上的改變，即通過(guò)“生物學(xué)精煉”途徑，將牧草細(xì)胞壁上的纖維素改造成乙醇或其他燃料等化學(xué)物質(zhì)呢？對(duì)此，霍華德•休斯醫(yī)學(xué)研究所的杰拉爾德•芬克、懷特黑德生物醫(yī)學(xué)研究所的瑪格麗特•索科爾教授認(rèn)為，“盡管目前這些還都只是科幻小說(shuō)般的想象，但它有可能會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。”
通過(guò)生物化學(xué)途徑實(shí)現(xiàn)的看似微小的變化會(huì)產(chǎn)生巨大的差異。以植物zui基本的功能為例，通過(guò)光合作用，將陽(yáng)光的能量轉(zhuǎn)換成為植物的莖、葉、種子和果實(shí)，這一過(guò)程的核心是一種稱(chēng)為Rubisco的酶——它吸收二氧化碳，并將其結(jié)合進(jìn)生物質(zhì)中。喬瑞說(shuō)，Rubisco酶可能是地球上zui豐富的蛋白質(zhì)，約占植物葉片總蛋白的30%，同時(shí)它也是一種非常低效的酶。比切表示，盡管植物只能捕獲陽(yáng)光照射中大約2.5%的能量，但若能進(jìn)行基因調(diào)整以提高Rubisco酶對(duì)陽(yáng)光能量的吸收率，比方說(shuō)達(dá)到3%，我們就可以解決世界糧食問(wèn)題了。
即使無(wú)法提高酶的效率，通過(guò)對(duì)整個(gè)光合作用過(guò)程進(jìn)行基因工程的重新設(shè)計(jì)，也能提率。約3%的植物（包括玉米和甘蔗在內(nèi)）采用的是C4光合固碳途徑，固碳產(chǎn)生四個(gè)碳原子，而不是更為普遍的C3途徑那樣產(chǎn)生三個(gè)碳原子——C4途徑不僅吸碳效率更有效，對(duì)水分的要求也更少。因此，若將C4途徑加入到C3植物中，可大大提高其生長(zhǎng)速度，同時(shí)也更為耐旱。據(jù)劍橋大學(xué)的朱利安•希伯德估計(jì)，加入C4途徑基因工程改造的水稻產(chǎn)量可提高50%。
我們看到的只是冰山一角
所有這些新發(fā)現(xiàn)對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)十分誘人，但錢(qián)德勒指出，“我們看到的只是冰山一角。”比切和其他一些人認(rèn)為，如果研究植物的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)與其他學(xué)科的研究人員合作，采取更廣泛更系統(tǒng)的研究方法，這一領(lǐng)域內(nèi)將會(huì)有更多的發(fā)現(xiàn)。例如，為什么某些植物會(huì)形成共生植物群？這種生態(tài)系統(tǒng)是如何形成的？喬瑞說(shuō)：“要了解某種生態(tài)系統(tǒng)是如何運(yùn)作的，這是一項(xiàng)巨大的工程。”
在氣候變化的緊迫形勢(shì)下，植物研究的另一條主線(xiàn)是，隨著環(huán)境變化壓力的加重，如何面對(duì)植物病害可能加劇的問(wèn)題。對(duì)此，美國(guó)植物生物學(xué)學(xué)會(huì)執(zhí)行理事克里斯平•泰勒說(shuō)：“一個(gè)系統(tǒng)的生物學(xué)方法可以觀察到植物某種病原體分子結(jié)構(gòu)的詳細(xì)情況，以及給植物帶來(lái)的種種壓力所產(chǎn)生的變化。”
加州理工學(xué)院的邁耶羅維茨說(shuō)：“通過(guò)數(shù)學(xué)與工程學(xué)的結(jié)合，以了解植物的生長(zhǎng)機(jī)制，這是一個(gè)令人振奮的研究前沿。”例如，一棵樹(shù)的分支結(jié)構(gòu)，是基因和機(jī)械應(yīng)力之間復(fù)雜的相互作用的結(jié)果。因這種互動(dòng)以及細(xì)胞的實(shí)際物理結(jié)構(gòu)而形成的樹(shù)木的分叉結(jié)構(gòu)，可用數(shù)學(xué)方法建立起某種模型。
然而，大多數(shù)的實(shí)際應(yīng)用還有待于未來(lái)的研究。目前正在進(jìn)行中的項(xiàng)目有提高高粱的營(yíng)養(yǎng)成分、提高植物根系對(duì)氮的吸收能力、給木薯等作物補(bǔ)充蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以及更好地了解我們從植物中獲得的營(yíng)養(yǎng)與人類(lèi)健康之間的等。孟山都公司的科學(xué)家已經(jīng)承諾，到2030年他們能夠?qū)⒂衩住⒋蠖购兔藁ǖ漠a(chǎn)量提高一倍。對(duì)此，夏普認(rèn)為，到目前為止“對(duì)于所有這些可能性，我們只是做了一些粗淺的嘗試而已。”
總而言之，植物研究的成果不僅在神經(jīng)科學(xué)、癌癥生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)令人興奮，同時(shí)還提供了一個(gè)拯救世界的機(jī)會(huì)。科學(xué)家指出，推動(dòng)植物研究的發(fā)展將有賴(lài)于各方面的支持。夏普說(shuō)：“種種機(jī)會(huì)就在我們眼前，但植物研究在很大程度上面臨著資金不足的困境。”而比切擔(dān)心的則是基礎(chǔ)科學(xué)的研發(fā)和公司開(kāi)發(fā)能力之間的巨大差距，眼前的重點(diǎn)應(yīng)放在能夠獲得快速經(jīng)濟(jì)回報(bào)的產(chǎn)品之上。他說(shuō)：“目前尚未有足夠的資源與途徑來(lái)*這一差距。”
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