胡章立團隊：讓藻類植物為民所用

團隊合影

2019年是胡章立團隊豐收的一年：1月，團隊與合作者在環境生物學領域頂級刊物Environmental Science & Technology上發表了CNR10調控植物重金屬轉運機制的研究論文；3月，團隊在生物能源Top刊物Biotechnology for Biofuels上發表了轉錄因子DOF調控衣藻脂代謝的研究成果；4月，團隊與合作者在環境科學Top期刊Journal of Hazardous Materials上公布了植物鎘抗性蛋白PCR調控的分子機制；7月，團隊與合作者在Nature正刊上公布了科學界尋找了30多年的植物鹽感受器及其作用機制；8月，他們受特邀在生物技術領域Top期刊Bioresource Biotechnology上發表了微藻生物制氫研究的綜述論文……

雖然捷報頻傳，但埋首藻類與植物分子生物學研究近30年，胡章立早已在風雨中練就了榮辱不驚的品性和心態。「莫聽穿林打葉聲，何妨吟嘯且徐行」，不管是收穫還是磨礪，他都更願意相信是研究工作的階段性積累。而讓藻類及植物為我所用、為民所用的夢想讓他沒辦法停下腳步。在投入科研的第30個年頭，他為自己和團隊又定下了新的目標，從此踏上一條更加崎嶇難走的基礎原創研究與產業化應用之路。

開拓衣藻光合細胞工廠

藻類有什麼用途？對很多普通老百姓來說，他們或許會有這樣的疑問。

藻類是一類比較原始、古老的低等生物。已知的藻類有3萬種左右，廣泛分布在海洋、湖泊、綠地甚至沙漠等地。藻類結構簡單，沒有根、莖、葉的分化，含有葉綠素等光合色素，能進行光合作用。藻類既包含真核生物，也包含原核生物（如藍藻）……但很多普通老百姓可能不知道，藻類的用途其實有很多。

21世紀，美國提出了「微型曼哈頓計劃」，期望通過研發藻類產油尋求新的可再生能源。計劃一出立即重燃起美國新一輪的藻類生物能源研發熱潮。事實上，除了用做生物燃料之外，微藻經過加工處理，還可以生產出藥品、食品、保健品、飼料產品，因此被人們稱為「光合細胞工廠」。

胡章立與藻類植物結緣其實是從20世紀90年代初開始的，他1989年進入西北農業大學植物生理學專業攻讀碩士學位，一開始研究玉米等植物的逆境代謝調控，1992年進入中國科學院水生生物研究所藻類學研究室開展藻類空間逆境生物學研究，是國內藻類空間生物學領域早期的博士學位獲得者。1998年，他在香港城市大學生物及化學系進行博士後研究，期間成功構建出具有超強抗性且高效結合重金屬的轉MT-like衣藻工程株，為之後發明固定化藻菌耦合處理重金屬廢水的技術方法及裝置打下了堅實的基礎。隨著研究的不斷深入，胡章立越能發現藻類植物研究的價值和意義。篤定這一方向，他開始了漫長而又深感值得的探究之路。

1999年，胡章立進入深圳大學生物工程系開展藻類及植物分子生物學領域的研究工作，立足前沿和市場需求，埋首「光合細胞工廠」相關科研工作20餘載，他先後主持國家及省市科研項目30餘項，發表研究論文200餘篇，完成發明專利40餘項，收穫了不少創新性成果。

以萊茵衣藻為代表的真核微藻具有生長繁殖快、光合效率高、三套遺傳轉化系統、兼性營養且具有可食性等優良性狀，可利用CO2和H2O進行光合作用，是理想的「光合細胞工廠」。

自1998年至今，胡章立帶領團隊先後建立了具有自主智慧財產權的萊茵衣藻細胞核、葉綠體和線粒體外源基因高效表達系統，完成10多項相關發明專利並發表40多篇相關研究論文。以此為基礎，他們實現了很多創新之舉，包括發明了萊茵衣藻分泌型表達系統、萊茵衣藻多基因共表達系統和基於藍光誘導的衣藻基因開關系統；設計構建了預防禽流感的疫苗藻株、累積人組織激肽釋放酶的藥用藻株、表達抗菌肽的餌料藻株和累積PHB的工程藻株等。

這些創新探索為胡章立及其團隊在藥用工程藻研究上的突破埋下了堅實伏筆。經過近20年積累，由胡章立擔任負責人的國家重點研發計劃「藥用單細胞真核微藻工程株的設計構建」項目獲得國家科技部立項。在這一項目中，胡章立帶領團隊針對藥用單細胞真核微藻設計構建面臨的基礎理論與技術瓶頸展開深入探索研究，闡明細胞器基因組理性設計與合成裝配的原理，建立藥用單細胞真核微藻工程藻株庫，相關研究將為實現工程藻株規模培養與藥用化合物製備奠定堅實的基礎。

除了將工程微藻用作藥品開發之外，胡章立及其團隊還致力於萊茵衣藻持續光合放氫轉基因生物反應器的構建與調控研究，同樣收穫頗多。

氫氣作為世界上最清潔的能源，是唯一能真正做到「零排放」的可再生能源。20世紀40年代，研究者發現綠藻存在光合放氫現象。然而經大量研究發現：因綠藻氫酶受光合放氧的抑制，在自然條件下藻細胞持續光合放氫時間只能維持幾秒到幾分鐘。如何破解綠藻持續光合放氫的瓶頸，科學家們一直在探索。

2000年，研究人員發現萊茵衣藻在缺硫環境下能夠持續放氫70小時以上。那麼，這是一條可行的綠藻光合制氫產業應用的道路嗎？懷抱將綠藻光合制氫推向產業應用的願望，胡章立開啟了尋找新突破的艱難旅程。他帶領課題組先後對萊茵衣藻缺硫脅迫的小RNA組學、轉錄組學和蛋白組學進行了深入系統的研究，發現一些microRNAs（如miR1166.1等）能參與萊茵衣藻光合系統Ⅱ活性的調控，並進一步研究發現，這些miRNAs調控的靶基因（OEE2、D1等）均為PSII複合體的組成蛋白。由此，他們提出了一個大膽的設想：能否通過誘導microRNAs的表達來替代缺硫培養，從而使綠藻細胞能夠持續放氫？這意味著：他們將走一條前無古人的創新之路。

心中有光，便不懼道阻且長。胡章立帶領課題組排除萬難，從細微處著手，他們驚奇地發現：間斷誘導miRNAs高表達會導致OEE2的表達水平間斷下調，從而使藻細胞持續光合放氫時間達到72小時以上。這一新發現最終將他們的設想落在了實處。

緊接著，在萊茵衣藻細胞內源性miRNAs中哪些能夠用於轉基因生物反應器的構建？如何誘導調控內源miRNAs或人工miRNAs在萊茵衣藻細胞中的間斷表達？間斷誘導miRNAs表達的環境條件、強度與時間等參數怎麼控制？與缺硫放氫相比較，構建的萊茵衣藻轉基因生物反應器的產氫效率如何……伴隨著一連串問題被逐一攻破，胡章立及其團隊終於發現解決綠藻細胞不能連續放氫重大基礎問題的新途徑，這將會大大促進綠藻光合制氫技術的產業化應用。

寶劍鋒從磨礪出，20多年來，胡章立帶領的研究小組早已不記得度過了多少個不眠之夜，也早已數不清做了多少次的實驗。「創新之路本艱險，有夢想就有動力」，懷抱科研用到實處的夢想，他們的衣藻「光合細胞工廠」研究之路還會在一路探尋一路收穫的跋涉中繼續向前延伸。

破解植物及藻類逆境感受密碼

藻類及植物在地球上生存了上億年，其身影遍布地球各個角落。是什麼讓它們生命力如此頑強？它們對逆境的感受與抗性分子機制是怎樣的？如何應對有害藻類水華的泛濫……一連串的問題有待研究者們一一揭曉。

胡章立與植物及藻類的抗逆研究頗有淵源，無論是碩士階段研究乾旱脅迫對玉米生長部位的影響，還是博士階段研究微藻空間生物學效應，提出杜氏鹽藻感受微重力脅迫的機制模型……相關研究為他之後的深入拓展夯實了基礎。

植物的生長有賴於環境，為了生存，它們需要應對環境的持續變化，包括不利於植物生長和發育的脅迫環境。據了解，世界上超過6%的土地面積和大約20%的耕地受到鹽害威脅且逐年增加。過量的鹽分不利於植物的生長發育，會導致農業的損失和植物生態系統的嚴重惡化。在過去的30多年裡，科學家們一直致力於尋找植物鹽感受器基因。為了找到這個關鍵所在，胡章立與20多年前的老同事再次攜手，率領團隊從尋找植物細胞感知鹽脅迫的受體基因出發，解碼植物感應鹽脅迫信號的分子機制。多年探索，終有所成：2019年7月31日，他們關於植物鹽感受器GIPC及其機制的研究成果以長文形式在Nature上發表。值得一提的是，Nature還同期刊發了題為「How plants perceive salt」的評論文章，對研究進行了深度報導。相關研究獲得了國內外同行的廣泛關注和讚譽。

除了鹽脅迫，藻類及植物對重金屬等的逆境感受和抗性機制也有待挖掘。胡章立在香港城市大學生物及化學系進行博士後研究期間就在相關方面有了堅實的積累。此後，針對植物對重金屬逆境感受，他與本領域國內頂尖團隊合作，發現細胞數目調節蛋白（CNR）能夠作為金屬轉運體調控植物體內的重金屬轉運與累積分布，提高作物籽粒中鋅及錳等微量元素含量的同時能夠降低鎘等重金屬累積，為抗性農作物遺傳改良提供了理論基礎與技術途徑；同時他們還發現重金屬——鎘對小麥的毒性及作用機制。相關研究成果於2019年1月和4月分別在環境生物學頂級刊物Environmental Science & Technology和Journal of Hazardous Materials等刊物上發表。

在藻類及植物抗逆研究領域，憑著紮實的科研實績，胡章立為自己和團隊打開了一扇通往更廣闊探索天地的大門。帶著探索藻類與植物奧妙的好奇心，他們向更多、更廣的領域進軍，但不管研究什麼，他們都堅持一顆將研究用在實處的初心。

雨生紅球藻是生產天然蝦青素的重要資源。研究表明：藍光能夠誘導雨生紅球藻累積大量的蝦青素，但藻細胞的藍光感受器及機制一直不清楚。胡章立帶領團隊首次完成了雨生紅球藻全基因組分析，發現了兩個重要的藍光受體，並解析了它們調控藍光誘導藻細胞合成蝦青素的機制。同時發現6個bkt基因在蝦青素合成代謝途徑中的重要作用。相關研究成果發表在Genome Biology and Evolution、Algal Researech等國際期刊上，為相關產業研究提供了重要支撐。

近年來，有害藻類水華已經成為水體治理的重要挑戰，嚴重影響了水體環境、人類健康以及環境可持續發展。胡章立帶領團隊為解決這一難題展開了深入探索，通過文獻調研，他們發現大量研究都集中在藻類水華暴發的機制方面，對藻類水華的快速消亡缺乏關注。在一次實驗中，胡章立團隊發現添加溶藻菌能夠快速讓藻類水華消亡。由此提出科學設想：能否從藻菌相互作用的角度探討有害藻類水華快速消亡的機制，這也許會對藻類水華的快速治理提供新的途徑。這一創新性研究思路得到了國家自然科學基金委連續4個項目的支持，研究結果先後在Microbial Ecology、FEMS Microbiology Ecology、Marine Biology等國際學術刊物上發表。與此相關的成果「藻菌對水環境中汙染物的去除效應與機制」獲2015年廣東省自然科學獎，部分研究成果已經得到了實際應用，取得了良好效果。

厚植一方學術沃土

板凳甘坐十年冷，文章不寫一句空。埋首科學研究30載，胡章立把科研視作一程又一程永無止境的攀登過程，而在他看來人生每一個階段的攀登，都會有所收穫，不管是成功還是挫折，他都樂於接受，並且把它們轉化為下一程的積累和動力。讓他感到幸福的是，這一程又一程的科研旅途，他並不是單打獨鬥，而是有一群志同道合的夥伴同行。

20世紀50年代，DNA雙螺旋結構橫空出世，一個從分子角度研究生命活動的新紀元由此開啟，生命科學進入快速發展階段。經過半個世紀的快速發展，生命科學在工業、農業、醫學、環境保護等各個領域都得到了廣泛的應用。新成果、新技術仍不斷湧現，學科發展迎來千載難逢的大好機會。千帆競發，勇者爭渡。在新一輪學科發展浪潮即將到來之際，2002年，深圳大學決定組建生命科學學院（2015年改為現名，以下簡稱「生科院」），年僅37歲的胡章立受命進入首屆院領導班子，由此踏上了為生科院發展辛勤付出的漫漫徵程。

參加學術交流活動

「當時深大工作和生活條件都很艱苦，實驗室非常簡陋，教學任務非常重，科研設備條件和學術氛圍與老牌院所有較大差距。」胡章立回憶。作為首屆院領導班子的核心成員，他下決心改變這種現狀。

首屆學院班子基於摸底調查和對生命科學學科的認識，敏銳地提出凝練學科方向的發展策略，瞄準分子生物學、生物化學等前沿學科開展研究。自此，初生的生科院快速形成了自己的特色與學術優勢，其中，生物學與生物化學學科2017年已經成為ESI全球排名前1%的優勢學科。

生命科學研究離不開實驗，做實驗要藉助各種專業設備。但基於當時生科院簡陋的設備條件，很多實驗都做不了。怎麼辦？學院選擇主動出擊，組織科研人員積極申請國家自然科學基金、省市科研項目，通過完成項目實現了學科的快速發展與設備的逐漸積累。值得一提的是，通過科研項目的實踐，胡章立也更加明晰了自己的研究方向，項目組織、籌劃能力也得到了很大提升，學術積累日益深厚，他也逐漸成長為學術帶頭人，一支基礎紮實、學風嚴謹、敢於創新的研究團隊也逐漸成長了起來。

「學科建設的關鍵是人才引進與人才培養，有高水平的人才隊伍，有科學的管理體系，建設科研平臺、申報科研項目及獲得科研成果就會是順理成章的事情。」作為生科院的帶頭人，胡章立十分重視學科建設的各個關鍵環節，如今學院師資力量雄厚，已經形成了一支擁有中國科學院院士、美國科學院院士、國家級高層次人才等一批高水平專職及兼職教師的隊伍，平臺建設和項目推進都取得了很大的發展。現擁有非常先進的生命科學及海洋學科實驗儀器，設備總值達1.8億元左右，建有蛋白質組學、基因組學、結構生物學和分子及細胞生物學等公用技術支撐平臺。同時，生科院還與50多家生物領域科技型企業建立起合作研發基地，與多個國內外科研機構建立了良好的合作關係，與國外大學開展「3+1+1」聯合培養項目等。內修外補，大大推進了學院的發展。

在人才培養上，經過多年細心體會，費心琢磨，收穫了不少卓有成效的特色經驗。胡章立提出強化學生創新創業能力的培養和推進實施「賽教融合、以賽促學」的教學改革，創造性地開展多種多樣的創新創業人才培養模式，取得了豐碩成果。在他的極力推動下，學院開設了「創新實驗班」、「創業實踐班」和「海洋菁英班」，組織本科生參加了「挑戰杯」全國大學生課外科技作品競賽，獲得包括特等獎、一等獎、二等獎等國家級獎項13項，入選「小平科技創新團隊」；組織競賽團隊參加了國際基因工程機器大賽，近5年在該大賽上累計獲得4金1銅、3項單項獎及4項單項提名，其中2018年獲得本科組全球第三名的好成績。教學模式的創新大大豐富了學生的課外學習與實踐活動，提高了他們的實踐能力。

對科研，求真、求實；對學子，促成長、促創新。經過10餘載的精心耕耘，生科院在一代又一代生科院師生的共同努力下已經成為學子求學、科研人員成長的沃土。置身其中，胡章立也收穫了滿滿的成就感和價值感，雖然行政工作會佔去自己很多的科研時間，但這麼多年來他無怨無悔，「行政工作相對來說是一個『動』的過程，而科研則是一個『靜』的過程，兩者看起來矛盾，但其實也能相輔相成，我能做的就是白天將政務之外零碎的時間化整為零，提高效率，晚上和節假日側重科研業務。」一靜一動，動靜相宜，這麼多年政務科研兩肩挑，胡章立活成了最想要的自己。

凡是過去，皆為序章。30載科研教學生涯，讓胡章立領略了生命科學的神奇奧秘，也讓他體會到了園丁育人的快樂幸福。即使白霜早已爬上了鬢角，他仍篤定不會放棄。不管是行政還是科研，他都有了新的目標和方向，「我們學院的目標是建設高水平、有特色的學院。在開展原創性科學研究的同時，重點面向地方經濟發展需求，開展科學研究、技術開發與創新人才培養」。

2019年12月14日，伴隨著以胡章立為首席科學家的國家重點研發計劃合成生物學重點專項「藥用單細胞真核微藻工程株的設計構建」項目的正式啟動，一場新的攻堅戰已然展開……