黑暗中，植物感光的“眼睛”有用吗
曾德圣在实验室观察拟南芥幼苗生长状态。受访者供图
■本报记者 刁雯蕙
因为一次偶然的发现，曾德圣开始了长达6年的科研“长跑”。近日，付出终于有了回报。在导师刘宏涛教授的带领下，在深圳大学从事博士后研究工作的曾德圣，以第一作者的身份在《细胞》发表研究。
从2017年进入中国科学院大学硕博连读到在深圳大学深造，这是曾德圣7年研究生涯里发表的第一篇文章。该研究揭示了植物中蓝光受体隐花色素CRY2在黑暗条件下可以与互作蛋白结合，抑制植物根的生长。这一发现挑战了传统观念，提供了对植物光受体功能的全新见解。
挑战传统观念
2018年11月21日，一个寻常的午后，曾德圣像往常一样在实验室开展实验，一个奇怪的现象引起了他的注意。他发现，植物感知蓝光信号的“眼睛”——蓝光受体隐花色素CRY蛋白在黑暗中并不像以往研究提到的“不具备功能”，其功能缺失突变体与对照组存在不同。
科学家于1993年首次发现拟南芥蓝光受体CRY蛋白。此后，科学家大多聚焦于CRY蛋白蓝光响应后的活动，并找到了多个蓝光受体如CRY1蛋白、CRY2蛋白和CRY3蛋白等，它们具有不同的功能和特性。其中，CRY2蛋白在蓝光下可以促进植物开花。
“过去，大家都认为，CRY2可以在蓝光下调控植物开花，在黑暗中则没有这一功能。然而，我发现并非如此。”曾德圣说，在敲除了CRY2蛋白的突变体植物中，尽管突变体植物的下胚轴长度与野生型没有差异，但在其他方面却存在差异。
“那是我在中国科学院大学硕博连读的第二年，还是一个‘科研小白’。最开始发现这一差异时，第一反应是自我怀疑，我想是不是实验设计或实验操作出了差错。”曾德圣回忆道。但在多次重复实验后，这一现象依然存在。
“这个现象如果能得到解释，绝对是领域内的重大突破。”听完曾德圣的汇报后，时任中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员刘宏涛难掩兴奋。
正是这一偶然的发现，让曾德圣开启了一场长达6年的科研“长跑”。
在重复实验中找到关键证据
研究初期，曾德圣面临诸多挑战。
“这项研究从确定大体研究框架到发表，花费了5年时间。其中，实验阶段最困难的是寻找CRY2在黑暗中的互作蛋白。”曾德圣说，研究初期，由于对该领域的理解不够深刻，将近一年的时间他都处于迷茫中。
直到硕博连读的第三年，随着知识的积累，曾德圣对实验操作越来越熟练，才利用课题组建立的酵母双杂交筛选互作蛋白的实验体系，成功筛选出目标蛋白FL1和FL3。这两个蛋白在黑暗中能和CRY2相互作用，在蓝光下则不能。
“公开研究显示，这两个蛋白的同源蛋白FKD1与叶脉调控功能有关。由于起初我认为CRY2与叶脉调控功能没有关系，所以当时我并不认为这两个蛋白会参与‘CRY2在黑暗中的功能’。”曾德圣告诉《中国科学报》，但在进一步的蛋白相互作用验证实验中，他发现尝试过的所有候选蛋白中，仅有FL1和FL3同CRY2的相互作用会被蓝光抑制。
“这说明，做实验不能被主观判断绊住脚，得勇敢尝试其他可能性。要是当时依靠主观判断忽略掉FL1和FL3，这个课题很可能仍无法确定前进的方向。”曾德圣总结道。
光形态建成和暗形态建成是植物生长发育过程中两种重要形态变化，它们分别对应植物在光照和黑暗环境下的不同生长状态。
“CRY2在黑暗中能同FL蛋白相互作用，抑制其功能活性从而抑制植物的主根伸长，这是暗形态建成中植物根较短的原因。而蓝光下由于CRY2切换为光激发态，不再和FL蛋白相互作用，抑制解除，功能被释放的FL蛋白此时可以促进根伸长，这便是光形态建成中植物根较长的原因。”曾德圣解释。
寻找“偏差值”以外的正确答案
“比起听到论文发表的消息，更让我兴奋的是得到第一轮审稿人意见。”曾德圣说，“从6月中旬投稿到文章上线，总共只花了5个月的时间。”
在第一轮审稿环节，审稿人便对研究给予了高度评价。他们认为，CRY黑暗中的功能发现在光信号领域具有里程碑式的意义，也让人们重新思考受体的功能模型，起到了引领性作用。
在曾德圣看来，这项科学研究最关键的“驱动力”是有再次向难题发起挑战的勇气。“如果将我们为探索真理所做的实验看作统计学正态分布的各个样本，那么失败的实验就是与真理存在过大偏差的样本。但我认为，即使偏差巨大，只要通过不断尝试，增加样本量，理论上还是有机会逐步找到正确道路的。”
“我一直提醒学生不能有惯性思维，认为过去大家都是这么想的，我也该这么想，这样可能不会有创新发现。”论文通讯作者刘宏涛说。
除了在人工气候室设置黑暗条件外，大自然中，埋藏在土壤深处的植物根部、生物不透光的组织细胞、地球生命经历的黑夜等都可以作为“黑暗资源”。这项研究通过揭示CRY2在黑暗中的功能，为以后利用“黑暗资源”调控农作物生长发育提供了理论指导。
“从应用层面讲，植物要高产，不仅要有强光合作用，还要‘营养高效’，植物在地下吸收营养、吸收水分的能力更强。利用这一成果，通过调控改造植物的根系，我们可以让植物更好地吸收营养。”刘宏涛表示。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.031
