張立新:植物「捕光者」—新聞—科學網

 

張立新「捕」了30年的「光」，卻發覺「越研究反而知道的越少了」，他還要繼續「捕」下去。

植物吸收太陽光能、轉化二氧化碳、釋放氧氣，作為自然界最重要、最基本的化學反應過程——光合作用，看似簡單平淡，實則深刻複雜。

「解析光合作用分子機制，發掘和解析調控相關的功能基因，從而提高植物的光能高效利用效率，尤其在逆境條件下的效率，培育高光適應強的作物品種，可為提高作物產量提供科技支撐。不過，這個問題仍未完全解決。」從30年前第一次接觸光合作用實驗開始，張立新便堅守至今。

2019年，張立新履新河南大學生命科學學院院長，他將帶領更多優秀年輕人共同追尋「高效光合」的奧秘。

漸入光合世界

光合作用，幾乎為所有的生命活動提供有機物、能量和氧氣，而人類所需的糧食、能源等也無不與光合作用密切相關。可以說，如果沒有植物光合作用，就不可能有人類社會的可持續發展。

大學學習生物化學的張立新，在大三時，被導師帶入了植物光合作用的世界。

他告訴《中國科學報》，在導師的指導下，大三時便進入實驗室做實驗，「一大早到菜市場買十幾斤菠菜回來提取光合膜複合物，只不過當時的儀器設備簡陋，在暗室裡忙活一整天，只為能提取到有活性的複合物。現在，同樣的工作，1、2小時就完成了。」

「有意思，非常重要。」窘迫卻充滿樂趣的「初體驗」讓張立新對光合作用研究充滿了興趣。

隨後，他考入蘭州大學生物系植物生理學碩博研究生，後又赴芬蘭圖爾庫大學生物系開展光合作用方向的博士後研究。

2000年，在那個分子生物學剛剛興起的時代，張立新學成歸國，並從生物化學方向漸漸轉向遺傳學和分子生物學研究，希望為國家科學發展「做點事兒」。

回國的第一站，他來到了位於甘肅蘭州的中國科學院寒區旱區環境與工程研究所。西北乾旱缺水，環境惡劣，解決植物耐旱問題，提高逆境環境下的適應性成了張立新的主要目標。而這段時間的研究經歷，為他之後將光合作用與植物逆境相結合，培育作物抗逆新品種打下了堅實基礎。

不過，當時張立新並未想太多，只想著「做研究不能只顧自己的興趣，還需對接當地需求和區域經濟發展，服務地方。」

2003年，張立新調入中國科學院植物研究所工作，他不滿足於在一般模式植物上做研究，把目標轉向水稻，開始研究水稻高光效分子機理。

談到又一次調整研究方向時，張立新說，科學研究要與國家需求相契合。那時，我國水稻分子設計育種時代的大門悄然開啟，他希望挖掘一批重要高光效關鍵基因資源，將其運用到水稻高光效遺傳育種改良中，從而進一步提高水稻產量和逆境條件下的耐受能力。

為此，除了光合作用基礎研究，張立新開始積極與育種專家開展合作，「儘管一開始走過曲折的道路，但我們不斷探索改進，這麼多年堅持下來，實踐表明，我們的思路還是行得通、有效的。」

卅年追光逐原

基於以往研究和實踐基礎，從2009年始，在國家重點基礎研究計劃（簡稱「973」項目）的連續資助下，他作為首席科學家，聯合國內8支光合作用領域的優勢團隊，相繼開展「光合作用分子機理及其在農業生產中應用的基礎研究」和「光合作用分子機制與作物高光效品種選育」。

2019年是「973」項目收官之年。「十年磨一劍」，張立新很欣慰，「研究隊伍越來越壯大，我國光合作用基礎和應用研究的國際地位和競爭力得到了大幅提升。」

經過10年的合作攻關，研究團隊在光合作用體系光合膜複合物光能高效吸收、傳遞和轉化的機制，葉綠體體系高效利用光能的分子機制，光合碳同化C3、C4關鍵酶活性調控機理以及光呼吸關鍵酶的調控機理等方面取得了一系列理論突破成果。

研究團隊著力於將光合作用基礎研究成果應用到稻麥等主要農作物精準分子育種實踐中。，與黑龍江省農科院等單位合作，建立了高光效分子育種新模式，選育出系列光能利用效率提高的稻麥新品系。將高光效位點導入到目前的水稻主栽品種中，培育出高光效新品種4份，其光能利用效率提高10%以上，具有高產、米質優、抗逆性強等優良農藝性狀。

與此同時，研究團隊還育成了花後「源」功能顯著改良的高產優質強筋小麥品種鄭麥7698並實現大面積生產應用，成為農業部推薦小麥生產主導品種和我國三大小麥推廣品種，並榮獲2018年國家科技進步二等獎。

項目完成，但作物光合作用中仍有諸多科學問題還不清楚。「對於生命科學，研究的越多，反而知道的越少，因為新的技術手段不斷更新，研究和認識也在不斷深入。」張立新一如既往地探索、追尋。

2020年3月，張立新團隊與合作者再一次取得重要進展，他們在國際上首次提出並闡明了相分離驅動葉綠體內蛋白分選的新機制，這對葉綠體的生物發生、光合器官的建成和功能調節以及真核生物的起源和進化等意義重大。研究成果在《細胞》上發表。

張立新介紹，葉綠體是植物光合作用場所，95%葉綠體蛋白是由核基因編碼的，在胞質中合成為前體後，通過葉綠體外被膜和內被膜上的轉運通道，蛋白質轉入到葉綠體的不同區域才能使葉綠體行使光合功能。

「但是，核編碼葉綠體蛋白在跨過葉綠體被膜之後如何被分選，如何穿過擁擠的基質空間並精確地靶定到特異性類囊體膜複合物，我們並不清楚。」早在多年前，張立新就有一種「直覺」，應該存在一種機制將其有效銜接起來。

經過不懈鑽研，他們在一次實驗「失誤」中意外出現了相分離液滴現象，並深入揭示相分離液滴的形成作為葉綠體內蛋白分揀的新機制，研究發現了位於葉綠體基質的關鍵蛋白轉運分選因子STT1與STT2形成雜合體，通過液-液相分離機制選擇性地將底物穿過葉綠體基質從而靶定到類囊體膜。

從事基礎研究30年，張立新帶領團隊始終追求著真正原創性的工作。在這個過程中，他們「痛並快樂著」，「基礎研究非常有挑戰性，它考驗著我們提出的科學問題是否前瞻、取得的成果是否原創，儘管很艱辛，但很有意義。」

「雙一流」更上層樓

2019年1月，張立新受聘為河南大學「傑出人才特區支持計劃」第二層次特聘教授，隨後正式擔任河南大學生命科學學院院長，除了科學研究，他又多了一份責任——建設一流學科、培育人才。

2017年，河南大學以生物學作為唯一優勢學科入選「雙一流」學科建設高校。張立新表示，「學科下一步如何發展非常關鍵，特別是在河南這樣一個農業大省發展生物學，必須既要面向國際前沿，又要服務區域發展，基礎研究與應用基礎相結合，將自身特色做到極致，只有這樣，才能達到『中國特色、世界一流』。」

對此，他正謀劃未來發展戰略，將以現代農學院為抓手，部署分子設計育種、種質資源等相關農業項目，以期推動河南大學生命科學學科邁上新臺階。

作為一名導師，張立新有20年教齡，但他坦承，培育人才不容易。「現在年輕人的壓力都很大、自身特質不一，培養方式不能一刀切。」他非常注重與學生溝通，因才利導，有效調動他們的積極性，「興趣很重要，當學生從『要我學』轉變為『我要學』時，才能學好。」

張立新團隊的師資博士後張雲明深有感觸，他告訴《中國科學報》，「科研工作中，我有時只想著發一篇論文就行了，但張老師時常提醒我要從科學問題出發，挖掘現象背後的機制，只有越深入才能越沉醉，現在越研究便越喜歡。」

在年輕的特聘教授王利祥眼中，張立新既是一位純粹的科學家，又是一位善於鼓勵的團隊領導者，最常說的是「沉下心，踏實幹」。「很偶然，我來到了張老師課題組，在我迷茫時，他引導我、鼓勵我、支持我，讓我覺得我不是一個人浮遊於廣闊的科學世界，我很感動，也更有幹勁了。」

科研之外，張立新熱愛簡單的生活，熱愛運動，為學生購置了各式各樣的運動器械，叮囑他們勞逸結合。他還喜歡在城市裡尋覓美食並與朋友分享，談起街頭巷尾的小吃美食，如數家珍。

最近，張立新有點「著急」，由於疫情原因，他不能到校外田間實地考察品種生長狀態，「做農業研究的，不下地看看，實在憋得難受。」他計劃，等疫情過去了，儘快到黑龍江哈爾濱和河南信陽的品種試驗基地走一走。

 

張立新在水稻田考察

 

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