主樓旁高大的雪松,、學堂路上成排的加楊和圓柏,、荷塘中亭亭玉立的荷花……我們在清華園中穿行時，享受著樹木枝椏密葉下的陰涼,，欣賞著花草的五彩繽紛,，但目力所及的所有植物為何總是向下扎根,、向上生長？
一般情況下,，對于一株植物而言,，不管被如何旋轉或者是塑形，它的根總會朝向地心生長,，而莖則努力向上尋找陽光,，這種現象被稱為植物的重力感應。
為什么會有這個現象,，它是怎么發(fā)生的,？這個問題讓科學家們追問了超過兩百年。早在1806年,，托馬斯·安德魯·奈特證明了重力指導著植物器官的生長方向,。緊接著，此后的一個世紀里先后出現了兩項重要成果：進化論的奠基人查爾斯·羅伯特·達爾文將植物根部感受重力方向的區(qū)域具體到了根尖；20世紀初的“淀粉-平衡石”假說則在“細胞內淀粉體沉降”這一生物現象和“觸發(fā)重力感應信號”的結論間建立起了假設性聯系,。
而生命科學探索并未止步于此,，隨著分子生物學和基因技術的發(fā)展，科學家們開始致力于揭示植物感應重力的分子機制,。從細胞層面到分子層面,，就如從一場戲劇的前臺走入后臺，去深入了解構成劇目的每一部分如何運作和串聯,。
清華大學生命科學學院副教授陳浩東正是眾多“走入后臺”的科學家中的一員,。2023年，清華大學生命科學學院,、清華-北大生命科學聯合中心陳浩東團隊發(fā)表于《細胞》（Cell）期刊的研究論文“植物中淀粉體沉降重新極性化LAZYs實現重力感受”（Amyloplast sedimentation repolarizes LAZYs to achieve gravity sensing in plants）,，為“植物感受重力過程中的分子機制”這個跨世紀的科學難題提供了關鍵答案。該成果入選2023年清華大學最受師生關注的年度亮點成果,?！蹲匀弧罚?em>Nature）等眾多國際國內學術期刊對該論文進行了亮點評述，認為該成果“引人入勝”,，是“植物重力感應領域具有里程碑意義的工作”。
陳浩東（左）指導學生做實驗
在陳浩東團隊給出的答案中,，一個不容忽視的角色是LAZY蛋白,。早在1931年與1938年，lazy突變體就分別在玉米與水稻中被篩選到,。這些突變體的地上部分相比于野生型更多地偏離豎直方向,，呈現“慵懶”狀態(tài)，因而得名,。直到2007年,，LAZY基因才被成功鑒定，中國與日本科學家同期在水稻中鑒定到了LAZY1基因,。此后,，該基因家族被發(fā)現廣泛參與擬南芥、玉米,、苜蓿,、李子樹、百脈根等多種物種中的向重力性調控,，并且同時參與植物地上與地下部分的向重力性調控,。陳浩東團隊通過對擬南芥進行基因編輯和遺傳回補實驗，證實了LAZY2,、LAZY3,、LAZY4這三個基因對于植物根的正向重力性是必需的。接著，他們又發(fā)現LAZY蛋白定位在根尖柱細胞（也就是感受重力的細胞）的細胞膜和淀粉體膜上,，并且在細胞膜上的定位呈現下側多上側少的極性,，從位置上直接表現出強烈的“指地針”屬性?！按藭r,，我們對LAZY蛋白的認識一下就提升了，下一步就是看它們具體如何轉移與執(zhí)行功能,?！标惡茤|說。
植物根尖向下生長,，并不像之前人們想象的因細胞中淀粉體的重量產生了向下拉扯或壓力,，而是LAZY蛋白結合到淀粉體表面上并隨著淀粉體的沉降產生了位移，陳浩東形象地稱之為“船載貨行”,。當植物偏離重力方向時,，MKK5-MPK3蛋白激酶模塊與LAZY蛋白的相互作用增強，導致LAZY蛋白磷酸化程度增加,，LAZY蛋白獲得磷酸化這張“船票”后與淀粉體表面的TOC34/120/132蛋白的相互作用增強,，并作為“貨物”隨著“船只”淀粉體沉降到細胞新的底部。此過程中,，LAZY蛋白如同乘坐航船在海浪中行進,，并在淀粉體沉降到細胞新底部后，逐漸離開“船只”聚集到新的下側細胞膜上,，而后指導了生長素的不對稱分布,，從而引發(fā)植物的向重力性生長反應。當植物根尖重新沿著重力方向豎直向下生長時,，LAZY蛋白就會失去“船票”回歸到初始狀態(tài),。
植物根尖感受重力的模型
這個機制中環(huán)環(huán)相扣的每一步都建立在縝密的邏輯推理和實驗論證基礎上，其中甚至離不開研究者大膽的推演,。LAZY基因在2007年就被學界鑒定到,，淀粉體上的TOC蛋白在2009年被報道參與植物的向重力性，但在過去十多年的時間里,，二者只是獨立存在的科學事實,，并沒有被聯系在一起。直到陳浩東團隊通過細胞生物學實驗觀察到LAZY蛋白出現在淀粉體表面,，他們大膽地推測二者之間或許存在直接相互作用,。在這種思路的啟發(fā)下，經過一系列實驗和驗證,，他們成功揭示了植物感受重力的分子機制,，為120年前提出的“淀粉-平衡石”假說提供了分子解釋。
對科學難題的揭秘，挑戰(zhàn)無處不在,。LAZY蛋白本身含量就很少,，更何況磷酸化只是它表面一種很小的修飾，這種修飾又是不穩(wěn)定,、容易消失的,，因此“如何能可靠地檢測到磷酸化”便成了很大的難題。在利用顯微鏡觀察LAZY蛋白在細胞中的定位時,，既要求LAZY-GFP蛋白（即融合了熒光蛋白的LAZY）達到足夠的量以便能被觀察到,，又要求其量不能過多，以免掩蓋可能出現的極性分布變化,。面對種種挑戰(zhàn),，陳浩東團隊成員精誠合作，通過努力為一個又一個難題找到了解決方案,，并綜合多方面數據來提出最合理的假設,。此過程不僅需要深刻思考，更需要做決策的勇氣,。
陳浩東將做研究的過程比喻為“盲人摸象”,。植物感受重力的分子機制是一個極其復雜且未知的領域，科學家們無法一開始就看到整個機制的全貌,，只能通過一個個微小的實驗逐步摸索,。只有把所有的結果綜合起來，才能最終拼湊出完整的科學圖景,。“淀粉體沉降,、LAZY蛋白,、TOC蛋白、激酶……我們做的最重要的事情就是通過生化,、細胞,、遺傳等實驗把這些因子之間的聯系全面建立起來?！?/p>
揭示植物感受重力的分子機制,，不僅深化了對植物生長機制的理解，而且可以在現實中指導農業(yè)生產,、太空育種等,，為生態(tài)環(huán)境維護和人類發(fā)展發(fā)揮關鍵作用。
近150年前,，達爾文切除了植物的根尖并把植物橫向放置,，發(fā)現它們沒有辦法再向下彎曲生長，由此他確定了植物根部感受重力的部位是根尖。通過進一步的實驗,，他發(fā)現有物質（后來被確定為生長素）可以從根尖向伸長區(qū)傳遞,，驅動彎曲生長。在《植物的運動本領》（The Power of Movement in Plants）這本書中,，他詳盡地記錄下了整個實驗過程與結果,。陳浩東熟練地從書架取下那本厚厚的《植物的運動本領》，翻到對應的頁面,，指給記者看并說：“直到現在,，我們的研究還沒有跳出他給出的理論框架?！比欢?，LAZY蛋白為何會在植物相對重力方向改變時增強磷酸化？植物中是否還存在其它感知重力的方式,？從細胞極性到植物器官向性生長之間的信號傳遞過程是怎樣的,？在這個領域中，仍有一系列的未知等待著人類去探索與揭秘,。
陳浩東課題組2024年合影
2023年在《細胞》發(fā)表的這篇揭示植物感受重力分子機制的論文已在領域內產生了廣泛影響,，該成果是團隊成員精誠協作、努力拼搏取得的,。陳浩東為論文通訊作者,，其團隊成員陳家悅、于仁波,、李娜,、鄧兆國、張欣欣,、趙亞冉,、曲城甫為論文共同第一作者；袁艷芳,、潘哲賢,、周楊楊、李昆侖,、汪加軍,、陳之忍、王笑一,、王笑連,、賀舒楠為參與作者。北京大學現代農學院及北京大學現代農業(yè)研究院鄧興旺教授,、美國新澤西州立羅格斯大學董娟教授為研究作出了重要貢獻,。
