二十年磨一"孔"：中國科學家破解植物界的百年密碼

在生命科學研究的版圖中，DNA與蛋白質(zhì)研究曾長期占據(jù)舞臺中央，遵循著清晰的"中心法則"。而植物細胞壁的研究，卻像在荒原中獨自跋涉——沒有模板可循，合成路徑復雜多變，甚至被認為"超越了中心法則"。

正是在這片"荒原"上，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所的周奕華研究員和她的"開山弟子"張保才，默默耕耘了整整二十年。

從"撿學生"到"搶手貨"

2006年，周奕華從李家洋院士團隊獨立出來，帶著幾個水稻脆稈材料開始了科研生涯。她選擇了一個極具挑戰(zhàn)的方向：細胞壁構(gòu)成的植物莖稈。

彼時，作物高產(chǎn)育種的主流敘事聚焦于籽粒大小、株高等肉眼可見的性狀。細胞壁研究是絕對"冷門"，報考的學生看到課題組網(wǎng)頁，根本不知道這個新成立的小組在做什么。周奕華回憶起初創(chuàng)時期略帶自嘲："那時學生都有點招不上來，都是撿別人的學生。"

張保才就在這一年碩士畢業(yè)，機緣巧合地成為周奕華的第一位學生。

師徒二人最初將研究集中在水稻莖稈的支撐力上——因其像"骨架"一樣防止作物倒伏。隨著研究深入，他們愈發(fā)癡迷于這些細細的"管道"：細胞壁不僅是"骨架"，更是一套高效的物流運輸系統(tǒng)，連通植物各個器官，輸送水分與養(yǎng)分。

遠赴重洋，補齊短板

要解答物流系統(tǒng)如何運作，繞不開糖化學研究。2009年，周奕華推薦張保才遠赴美國密歇根州立大學，專門學習多糖分析化學，一學就是兩年。

"我化學不是特別好，做多糖需要大量化學知識，你最好往化學上偏一點，這樣我倆才能形成合力。"性格爽朗的周奕華對弟子直言。

此后，師徒互補協(xié)作，憑著不折不撓的"笨功夫"，不斷突破領(lǐng)域邊界：2017年首次發(fā)現(xiàn)木聚糖乙酰酯酶BS1，提出細胞壁乙酰化修飾"雙向調(diào)控"新理論；2022年發(fā)現(xiàn)多糖在導管上形成特殊"團簇"，為水稻分子設計育種提供全新基因資源。

盡管這些研究一次次突破邊界，但因"植物性太強"，始終處于"不溫不火"的狀態(tài)。但師徒二人從不在意，只是一步一個腳印，把每一項研究都做扎實、做深入。

破解百年謎題

前不久，這項發(fā)表在《細胞》雜志的研究，是師徒二人二十載研究的厚積薄發(fā)。

植物導管承擔運輸水分和養(yǎng)分的重任，但植物沒有心臟作為動力泵，運輸全靠蒸騰作用形成的負壓。紋孔，就是早期植物"登陸"適應中的關(guān)鍵一招——它們像導管壁上實現(xiàn)物質(zhì)交換的關(guān)鍵窗口，能及時排出導管內(nèi)的氣栓。

"這就像打點滴時，一旦有氣體進入靜脈，就會有生命危險。植物也一樣，如果導管里有氣栓，運輸效能就會大幅降低。"周奕華解釋道。

然而，由于紋孔結(jié)構(gòu)微小且深埋于組織內(nèi)部，其精確的三維形態(tài)及形成機制長期是植物學界的盲區(qū)。

為了揭開紋孔的神秘面紗，研究團隊對上百份全球水稻核心種質(zhì)的導管紋孔進行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)其自然形貌變異極為豐富。通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，他們成功鎖定關(guān)鍵基因PS1。

2025年張保才赴美國加州圣地亞哥參會并作邀請報告

為了解PS1塑造紋孔結(jié)構(gòu)的分子機制，團隊啟用聚焦離子束掃描電鏡技術(shù)，采集了300余張電鏡圖，在納米尺度上進行三維重建，精度達到10納米×30納米，比頭發(fā)絲細幾千倍。

極致的探索帶來驚人發(fā)現(xiàn)：紋孔并非簡單孔洞，而是具有復雜邊緣結(jié)構(gòu)的精密裝置，其中間最細的開口才是決定運輸性能的關(guān)鍵命門——紋孔開口越小，運輸效率越高。

更令人驚嘆的是，這一微觀結(jié)構(gòu)具有極強的可塑性：低氮環(huán)境下，紋孔自動變小以減少能耗、提升效率；高氮環(huán)境下，紋孔則相應變大。這解釋了植物如何在分子水平感知環(huán)境變化、調(diào)整自身生理結(jié)構(gòu)的百年謎題。

張保才將其形象地比喻為用"繩索捆綁鋼筋"：纖維素像墻上的鋼筋，木聚糖是捆扎鋼筋的繩索。PS1蛋白就像精密的"鎖邊機"，通過去掉木聚糖上的乙?；揎?，讓"繩索"更緊密地捆扎和錨定"鋼筋"。

從實驗室到田間地頭

這項研究的價值，遠不止于揭開紋孔的奧秘。

研究團隊對近70年育成的水稻品種分析后發(fā)現(xiàn)，優(yōu)異單倍型PS1Hap2在秈稻育種中的應用比例逐年提升，卻在粳稻育種中幾乎"缺失"。將該單倍型導入粳稻品種后，田間數(shù)據(jù)顯示，無論高氮還是低氮環(huán)境，粳稻產(chǎn)量均顯著提升，低氮環(huán)境下增產(chǎn)效果尤為突出。

這意味著，該基因能讓作物更好地適應多變環(huán)境，尤其提升對貧瘠土地的適應能力，為水稻育種提供了全新優(yōu)質(zhì)基因資源。

國際審稿人評價："這是一項非常出色的研究，對紋孔三維結(jié)構(gòu)的展示令人印象深刻。該領(lǐng)域此前尚未系統(tǒng)探索，這對于作物生產(chǎn)力研究無疑具有重要意義。"

兩代傳承，1+1>2

發(fā)表頂刊固然可喜，但這并非師徒兩人的初衷。他們的想法很簡單：把紋孔背后的機制弄清楚，把細胞壁研究這個專業(yè)領(lǐng)域傳承下去。

如今，師生合作了20年，張保才已成長為獨立PI，在2024年通過國際考核建立了自己的實驗室。多年前周奕華讓他出國深造的糖化學技術(shù)，如今已成為其課題組鮮明的科研底色。

"我們這算是兩代人了，現(xiàn)在我可以放心地把導管研究的大旗交給他了。"周奕華笑言。

她看得很通透：科研的傳承不是知識的單向輸出，而是彼此成就、共同拓展領(lǐng)域邊界的過程。張保才擅長糖化學與導管分子機制研究，能夠接過基礎研究向育種應用轉(zhuǎn)化的"接力棒"；而周奕華對果膠、細胞壁可塑性等問題更有興趣，在退休前可以放開手腳做一些挑戰(zhàn)性研究。

"他成長起來，我很高興，這也是我科研生涯的延續(xù)。"

冷門變熱，未來可期

二十年前，因為方向太"偏"、太"專"，招生曾是周奕華的大難題。如今，越來越多的學子主動選擇這一方向。

"細胞壁研究專業(yè)性極強，但學生進來后可以得到全方位的訓練。"張保才介紹，要做好這項研究，必須橫跨遺傳學、分子生物學、化學、生物化學及細胞生物學等多個學科，還要熟練掌握核磁、質(zhì)譜等高精尖設備。這種交叉學科訓練，使得課題組畢業(yè)生備受青睞，"現(xiàn)在好多人想要我們這邊的畢業(yè)生"。

這背后，是整個領(lǐng)域從"冷"到"熱"的曲折變遷。植物細胞壁研究曾因應用出口不明長期處于"少數(shù)派"狀態(tài)。2007年纖維生物能源熱潮曾吸引一批人參與，2014年油價暴跌后又流失許多。近年來，隨著功能基因組研究深入，細胞壁研究在抗倒伏、品質(zhì)改良、產(chǎn)量提升、氮高效育種等方面展現(xiàn)出巨大應用潛力，不少人開始加入探索這個植物研究領(lǐng)域最后的"黑盒"。

"細胞壁研究專業(yè)性很強，但比較基礎，一直以少數(shù)研究大學或機構(gòu)的傳承式研究為主。"張保才說，"現(xiàn)在國外有專門的復雜碳水化合物研究中心，而國內(nèi)植物功能性細胞壁的研究依然很少，尚待進一步發(fā)展。"

二十年磨一"孔"，從"撿學生"到發(fā)《細胞》，從冷門邊緣到前沿賽道。周奕華和張保才用兩代人的堅守證明：真正的科學突破，不在于追逐熱點，而在于把冷板凳坐熱，把每一個"孔"都鉆到極致。

這或許就是中國科學家最樸素的"高光時刻"——不是聚光燈下的喧囂，而是破解百年謎題后，那份"把機制弄清楚、把領(lǐng)域傳下去"的踏實與從容。