◎林榮呈

俗話說(shuō)眼睛是心靈的窗戶(hù)，而作為視覺(jué)器官，眼睛最基本的功能就是幫助人類(lèi)以及很多動(dòng)物去觀察世界、認(rèn)識(shí)事物，指導(dǎo)行為。這主要得益于我們眼睛里面有一個(gè)視網(wǎng)膜，而視網(wǎng)膜上面分布著大量的特殊的細(xì)胞，叫光受體細(xì)胞。其中，柱狀細(xì)胞能夠告訴我們光線的強(qiáng)弱，而三類(lèi)不同的錐狀細(xì)胞能夠幫助我們分辨光的顏色。如果其中一個(gè)錐狀細(xì)胞出了問(wèn)題，往往會(huì)導(dǎo)致人的色盲。

那么植物有眼睛嗎？如果有，它的眼睛又在哪里？光對(duì)植物來(lái)說(shuō)有兩方面的作用，一個(gè)是光作為一種能量，提供給植物進(jìn)行光合作用，這也是我們地球上生命賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)；另一個(gè)是，光作為一種信號(hào)來(lái)指導(dǎo)植物的行為。

植物的行為是怎么樣被光控制的？向日葵大家都很熟悉，它的頭會(huì)朝著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，這就是植物的行為受光控制的一個(gè)典型的案例。正是源于向日葵的一種靈感，工程師們?cè)O(shè)計(jì)出了一種高效聚光的太陽(yáng)能發(fā)電裝置。這種裝置能夠時(shí)刻跟著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，使光線始終垂直于它的表面，達(dá)到高效聚光的目的。植物天生就具有尋找光明的能力，如果把小豆苗種在黑色的箱子里面，在箱子的側(cè)面開(kāi)一個(gè)小孔，豆苗就會(huì)朝著小孔的方向彎曲生長(zhǎng)。

在我女兒上小學(xué)三年級(jí)的時(shí)候，我跟她做過(guò)一個(gè)小小的實(shí)驗(yàn)，先在錫箔紙上寫(xiě)上“王”字，然后把“王”字鏤空，再把錫箔紙蓋在一片葉片上，放到太陽(yáng)下暴曬一個(gè)小時(shí)，把錫箔紙揭開(kāi)之后葉片上出現(xiàn)了“王”字，這個(gè)字是我們讓太陽(yáng)寫(xiě)上去的。這是為什么呢？因?yàn)橹参锏娜~片上包含著大量的細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞里面又有很多的葉綠體，被錫箔紙蓋住的那部分細(xì)胞因?yàn)楣饩€不足，所以葉綠體就比較均勻地分布在細(xì)胞里面，它希望去吸收更充足的陽(yáng)光，而被陽(yáng)光直接照射的那部分細(xì)胞因?yàn)楣馓珡?qiáng)，葉綠體就躲到細(xì)胞的兩邊去，所以中間就空出來(lái)了。我們?nèi)说募?xì)胞就沒(méi)有這樣一種能力，當(dāng)在太陽(yáng)光下暴曬的時(shí)候，我們的皮膚可就糟糕了。

那么，植物是怎么樣看見(jiàn)光的？其實(shí)跟人一樣，植物包含著很多種光的受體，這些受體都分布在植物大部分細(xì)胞里面。不像我們?nèi)?，光受體主要在我們的眼睛里面，比如說(shuō)，看見(jiàn)藍(lán)光的波段就有三類(lèi)不同的光的受體，那么前面提到的向日葵就是向光素在里面起了重要的作用。向光素看到光之后，就會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)一種叫生長(zhǎng)素的激素不對(duì)稱(chēng)分布。在上午的時(shí)候，向日葵莖稈上西側(cè)生長(zhǎng)素就多，而生長(zhǎng)素是促進(jìn)生長(zhǎng)的，因此向日葵的頭就朝向了東方；而在下午的時(shí)候，莖稈上東側(cè)生長(zhǎng)素就分布的多，因此頭就朝向了西邊。第二天，頭又轉(zhuǎn)回了東方，這是因?yàn)樯镧娖鹆酥匾淖饔?，晚上的時(shí)候頭又慢慢地轉(zhuǎn)回了東方。

植物還能看見(jiàn)我們?nèi)搜鬯床灰?jiàn)的光，比如紫外線、紅外線。早在20世紀(jì)50年代，兩位美國(guó)的植物學(xué)家做了一個(gè)非常有意思的實(shí)驗(yàn)，他們把萵苣的種子分成八份，給它照紅光以及比紅光長(zhǎng)80微米的遠(yuǎn)紅光，不斷交替進(jìn)行，照的時(shí)間都非常短，幾分鐘時(shí)間，然后再放在黑暗中三四天。當(dāng)他們統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率的時(shí)候，很驚奇地發(fā)現(xiàn)，凡是最后一次照了紅光的，種子絕大部分都能發(fā)芽，發(fā)得非常好，而最后一次照了遠(yuǎn)紅光的，絕大部分種子都不能發(fā)芽。因此他們推測(cè)，種子里面存在著一種色素物質(zhì)，這種物質(zhì)能夠分辨紅光和遠(yuǎn)紅光的差異。

為了搞清楚這個(gè)問(wèn)題，他們與其他幾位科學(xué)家進(jìn)一步合作，其中有兩位工程師設(shè)計(jì)了一種比較精密的儀器，能分得清紅光和遠(yuǎn)紅光的性質(zhì)差異，希望能尋找到這樣一種物質(zhì)。剛開(kāi)始他們做了好幾年的實(shí)驗(yàn)，一直都沒(méi)有成功。到了1959年6月中旬的一個(gè)早晨，一位叫亨德里克斯的教授起得很早，到了農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)去買(mǎi)了一捆用紙包裹好的蘿卜苗，回到實(shí)驗(yàn)室，還是像往常一樣做實(shí)驗(yàn)，給它照紅光，再照遠(yuǎn)紅光，結(jié)果奇跡出現(xiàn)了，儀器指針發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)，他們欣喜若狂，實(shí)驗(yàn)終于成功了。

就在當(dāng)年的8月，在加拿大蒙特利爾要召開(kāi)一個(gè)國(guó)際植物學(xué)的大會(huì)，因?yàn)榇髸?huì)六年才召開(kāi)一次，非常難得，所以他們就申請(qǐng)去匯報(bào)重大發(fā)現(xiàn)。就在出發(fā)前幾天，他們把儀器以及植物放到車(chē)的后備廂里，準(zhǔn)備開(kāi)車(chē)從美國(guó)的馬里蘭到加拿大的蒙特利爾。由于路途遙遠(yuǎn)，中間肯定要加很多次的油，每次加油的時(shí)候，他們都要打開(kāi)后備廂檢查一下儀器有沒(méi)有被顛壞以及植物長(zhǎng)得怎么樣了。到了做報(bào)告的那一天，他們把植物以及儀器搬到講臺(tái)上面，下面坐著好幾百觀眾，都在翹首以待，等待著見(jiàn)證他們的重大發(fā)現(xiàn)?？墒鞘屡c愿違，當(dāng)他們給植物照了遠(yuǎn)紅光，照了紅光之后，看到儀器的指針根本就沒(méi)有發(fā)生變化，這怎么可能？因?yàn)樗麄兪孪戎貜?fù)了很多次的，難道是設(shè)備出問(wèn)題了？

其實(shí)不是儀器出了問(wèn)題。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗麄冊(cè)诼吠局卸啻未蜷_(kāi)后備廂，植物已經(jīng)事先照光了，這種物質(zhì)被降解了。后來(lái)他們把這種物質(zhì)用希臘語(yǔ)命名叫phytochrome，就是植物加上顏色的意思，中文翻譯過(guò)來(lái)就叫光敏色素，就是對(duì)光很敏感的一種色素物質(zhì)。

隨后的40年，光敏色素的精彩故事在不斷地上演。到了1999年，科學(xué)家對(duì)光敏色素有了進(jìn)一步深刻的認(rèn)識(shí)。他們觀察到光敏色素一種獨(dú)特的現(xiàn)象，就是照了遠(yuǎn)紅光之后，光敏色素是在細(xì)胞質(zhì)里面，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)是閉合的，所以前面我們提到的種子就不能發(fā)芽。而一旦照了短暫的紅光之后，光敏色素就迅速地進(jìn)入到細(xì)胞核。細(xì)胞核就像我們?nèi)说拇竽X一樣，是一個(gè)指揮中心，光敏色素在細(xì)胞核里面就指揮著成百上千的基因開(kāi)始工作，那么種子就能夠發(fā)芽了。

接下來(lái)的問(wèn)題是，光敏色素是怎樣進(jìn)入到細(xì)胞核，或者說(shuō)怎樣在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間移動(dòng)的呢？2002年，我去了美國(guó)康奈爾大學(xué)開(kāi)展博士后研究，主要工作就是要回答剛才提出的問(wèn)題，找到是誰(shuí)幫助光敏色素進(jìn)入到細(xì)胞核。光敏色素能夠控制著種子發(fā)芽，另外它還有一個(gè)能力，就是控制著植物幼苗的高矮。當(dāng)光敏色素不在的時(shí)候，植物的苗子長(zhǎng)得非常高，就相當(dāng)于看不見(jiàn)光一樣。因此我們推測(cè)，假如一個(gè)物質(zhì)能夠幫助光敏色素進(jìn)入細(xì)胞核，那么它要是沒(méi)了，也應(yīng)該呈現(xiàn)出跟光敏色素沒(méi)了類(lèi)似的一種行為。最后我們把目光聚焦到兩個(gè)蛋白上面，叫FHY3和FAR1，它們就像一對(duì)兄弟一樣一起工作，當(dāng)它們兩個(gè)都沒(méi)了的時(shí)候，我們?cè)诩?xì)胞核里面就檢測(cè)不到光敏色素的存在。

那么接下來(lái)的問(wèn)題是，這兩個(gè)蛋白或者這兩兄弟是怎樣去工作的呢？這就要求我們?nèi)ジ闱宄鼈兊纳矸?。?dāng)我們?nèi)プ粉欉@兩個(gè)蛋白的老祖宗，或者在進(jìn)化上的關(guān)系的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)蛋白跟另外一個(gè)跳躍因子有一定的親緣關(guān)系。前人已經(jīng)知道，跳躍因子有結(jié)合DNA的能力，我們猜測(cè)這兩個(gè)蛋白可能也就繼承了結(jié)合DNA的能力，于是我們順藤摸瓜，取得了重大的突破。最后我們搞清楚了，這兩個(gè)蛋白它要先結(jié)合到另外兩個(gè)基因的DNA上面去，后者產(chǎn)生的蛋白質(zhì)會(huì)牽著光敏色素從細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入到細(xì)胞核，所以就把光的信息帶到了細(xì)胞核里面。但是如果細(xì)胞核里面的光敏色素太多了，它反過(guò)來(lái)又會(huì)叫停前面兩個(gè)蛋白的功能。因此在植物的細(xì)胞里面，打個(gè)比喻，這套系統(tǒng)就好比車(chē)的油門(mén)和剎車(chē)一樣，會(huì)隨著外界光環(huán)境的不斷變化來(lái)加速或者減速。

到了2008年5月底，我回到了中國(guó)科學(xué)院植物研究所，建立了我的研究團(tuán)隊(duì)和實(shí)驗(yàn)室。我們主要的工作就是搞清楚，當(dāng)植物的眼睛看見(jiàn)光之后，又發(fā)生了哪些事情？這些事情又是如何發(fā)生的？又有誰(shuí)去參與了這樣的過(guò)程？

我們前面提到了光會(huì)控制種子的發(fā)芽，實(shí)際上還控制著像葉綠體發(fā)育、形態(tài)建成、開(kāi)花等一系列的植物行為。植物的這些行為，實(shí)際上都是有基因控制的。因此我們就采用遺傳學(xué)方法，把這些植物里面的很多基因突變掉，之后植物長(zhǎng)得更綠了，長(zhǎng)得更矮了，或者開(kāi)花開(kāi)得更早了。我們?nèi)ふ铱刂七@種性狀的關(guān)鍵基因，在過(guò)去的十年里，先后有三十多位研究生和工作人員發(fā)現(xiàn)二十多個(gè)基因在里面起了重要的作用。我們發(fā)現(xiàn)，這些基因或者蛋白質(zhì)實(shí)際上都不是獨(dú)來(lái)獨(dú)往的，不是一個(gè)人在工作的，相互之間都有復(fù)雜的聯(lián)系，而有些是平級(jí)的關(guān)系，有一些是上下級(jí)的關(guān)系，有些基因之間是朋友的關(guān)系，而另外一些又是對(duì)抗的關(guān)系。比如說(shuō)，有一個(gè)叫PKL蛋白質(zhì)，就跟另外一個(gè)叫HY5的蛋白是一對(duì)朋友，它們要一起去工作，而跟另外一個(gè)叫RGA的蛋白就是一對(duì)冤家，RGA蛋白存在的時(shí)候，就讓這個(gè)PKL蛋白不要去工作。這些不同的蛋白質(zhì)之間通過(guò)復(fù)雜的相互關(guān)系構(gòu)成了類(lèi)似于集成電路里面復(fù)雜的光信號(hào)傳遞網(wǎng)絡(luò)。

這些不同的路徑傳遞著不同的指令，以及發(fā)生不同的植物行為，實(shí)際上在植物的體內(nèi)這樣一個(gè)過(guò)程還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有解決，還需要我們進(jìn)一步去挖掘。

獲得這些信息之后，我們也在思考怎樣能夠把實(shí)驗(yàn)室的研究轉(zhuǎn)化為有用的技術(shù)呢？現(xiàn)代化的植物工廠是顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的一種高效的生產(chǎn)系統(tǒng)，它不同于我們普通的溫室，它不需要土壤，不占用耕地，不使用農(nóng)藥，是在一個(gè)全封閉的環(huán)境里面對(duì)植物進(jìn)行光照、溫度、濕度、二氧化碳、營(yíng)養(yǎng)等進(jìn)行自動(dòng)化的控制。在這樣的工廠里，植物是長(zhǎng)在架子上的，架子可以根據(jù)需要搭建，幾層到十幾層，單位面積的產(chǎn)能效率大幅提高。

室外太陽(yáng)光提供的是紅橙黃綠青藍(lán)紫全波長(zhǎng)的光，可是植物的生長(zhǎng)并不是所有的光都是等比例需要的，因此，在封閉的植物工廠里面，怎樣給植物提供最佳的生長(zhǎng)的光環(huán)境，同時(shí)又節(jié)約能源、節(jié)約成本，這就成了需要解決的關(guān)鍵的問(wèn)題，我們把光分成紅橙黃綠青藍(lán)紫，把它剝離出來(lái)，再進(jìn)行不同的組合，然后為不同的植物、同一個(gè)植物不同的生長(zhǎng)階段量身定制最佳的光譜配方。

比如說(shuō)這樣一種叫“優(yōu)雅”的蔬菜，我們先在紅光和藍(lán)光4:1的情況下讓它生長(zhǎng)，剛開(kāi)始覺(jué)得它還是長(zhǎng)得不錯(cuò)的，但仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，它的形狀比較緊湊。分析原因就是葉片長(zhǎng)得還不夠，前面我們提到，光敏色素能夠看見(jiàn)遠(yuǎn)紅光，看見(jiàn)遠(yuǎn)紅光之后它還會(huì)啟動(dòng)一種叫避陰反應(yīng)，就是給植物照了比較多的遠(yuǎn)紅光之后，它以為可能光線是不足，就拼命要去生長(zhǎng)，我們?cè)谠瓉?lái)配方的基礎(chǔ)上給這個(gè)蔬菜加了一定比例的遠(yuǎn)紅光，這個(gè)植物葉片長(zhǎng)得更開(kāi)了，形狀也更好看了，產(chǎn)量也得到了提高。

另外一種蔬菜，剛開(kāi)始在紅光藍(lán)光3:1的情況下長(zhǎng)得非常好，可是后來(lái)發(fā)現(xiàn)，下部的好幾片葉片提前出現(xiàn)了衰老，后來(lái)在這個(gè)光配方的基礎(chǔ)上，我們加了不同的其他的光，結(jié)果發(fā)現(xiàn)綠光效果很好，這就讓我們覺(jué)得很吃驚，因?yàn)槠綍r(shí)覺(jué)得綠光對(duì)植物可能是不需要的，因?yàn)橹参锸蔷G色的，會(huì)把綠光反射掉，可是恰恰是綠光可以很好地延緩衰老。

另外，有些紅色或者紫色的蔬菜，花青素的含量比較高?；ㄇ嗨赜锌棺杂苫⒖寡趸墓δ?。在剛開(kāi)始種這種蔬菜的時(shí)候，紅色怎么也不出現(xiàn)，我們分析原因應(yīng)該是花青素的合成途徑?jīng)]有很好地啟動(dòng)。而我們也知道短波長(zhǎng)的一些光可以促進(jìn)花青素的合成，因此在原來(lái)光譜配方的基礎(chǔ)上，加了一定比例的短波長(zhǎng)的藍(lán)光，顏色自然而然就出來(lái)了。因此在植物工廠里，我們可以對(duì)植物的代謝途徑進(jìn)行有效控制和精準(zhǔn)調(diào)控，提高植物的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，這在外面以及溫室里面是難以實(shí)現(xiàn)的。

這種通過(guò)改變光譜配方的定向調(diào)控技術(shù)對(duì)藥用植物的生產(chǎn)就顯得尤為重要。我們知道很多中草藥都有道地性，什么叫道地性？就是要在一個(gè)特定的環(huán)境、特定的地方生長(zhǎng)，藥用成分才高?，F(xiàn)在我們可以模擬這種中草藥的道地環(huán)境，然后在植物工廠里面進(jìn)行大規(guī)模多年的連續(xù)生產(chǎn)。比如說(shuō)通過(guò)特殊光譜的研發(fā)，我們可以對(duì)金線蓮的有效成分比在室外生長(zhǎng)提高50%以上。

我們國(guó)家植物工廠剛剛起步，還有很多理論和技術(shù)問(wèn)題需要突破，很多植物開(kāi)花結(jié)果需要像蜜蜂這樣的昆蟲(chóng)去傳粉的，可是在封閉的植物工廠里面如何去實(shí)現(xiàn)呢？對(duì)我們的光譜配方又有怎樣的要求呢？這又是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。