王涵

“更無柳絮因風起，惟有葵花向日傾”，古代詩歌似乎早已預言了現代生物科學的一個重要發(fā)現——植物有著一個強大的生物鐘調控機制。向日葵利用自己的生物鐘調控機制，就能夠預知太陽的升起時間與方向，提前朝向太陽以獲得更大的能量。

在整個植物界，生物鐘的調控機制都是植物們“未卜先知”的重要生存能力。北京大學生命科學學院研究員、博士生導師王偉在全球首次發(fā)現，植物的免疫和抗病性與植物生物鐘之間同樣存在著高度的耦合關系，生物鐘節(jié)律的調整可以降低植物預防性免疫對生長相關途徑的負面影響。

這一創(chuàng)造性的研究成果，引起了國際學術界的高度關注，為深入理解植物和病原菌互作機制提供了一個全新的研究方向，也為提高植物抗病的傳統(tǒng)和分子育種研究提供了新的改造靶標，更為深入理解生物節(jié)律以及生物鐘系統(tǒng)的起源、進化和發(fā)展提供了重要的理論基礎。

一次次“不走尋常路”，一次次“打破權威”，在王偉看來，做科研就要看準方向堅定走下去。隨著在植物應激顆粒形成機制、生物鐘與環(huán)境互作機制以及生物傳感器研發(fā)等多個跨學科研究方向的開拓，王偉正致力于將前瞻性生命科學研究、新型納米探測器技術創(chuàng)新和生物大數據高效挖掘等緊密結合，并運用到農作物的定向育種中。

植物生物鐘與免疫反應

事實上，生物鐘的調控機制，是由于地球的自轉造成了包括光照和溫度在內的多種環(huán)境因子的晝夜有規(guī)律的變化，為適應這些環(huán)境節(jié)律變化，包括人類和植物在內的大部分生物都進化出了一套內源性的計時系統(tǒng)——生物鐘，從而可以未雨綢繆地提前調整好自身的生理生化反應來更好地應對接踵而來的環(huán)境變化。

在農業(yè)生產中，作物對農業(yè)環(huán)境的適應性主要通過人工馴化和定向育種等方式獲得提高。近年來的國內外研究表明，不論是植物的自然進化還是農作物的人工篩選，生物鐘都是促進植物環(huán)境適應性的關鍵途徑。生物鐘相關基因與多種重要農業(yè)性狀的緊密關聯性也被多項研究證實。隨著對植物生物鐘分子機制的明晰，植物生物鐘與環(huán)境因子，特別是與生物和非生物脅迫的互作關系逐漸成為國內外新的研究熱點和趨勢。

一個有趣的發(fā)現是，植物與害蟲之間存在生物鐘上的博弈現象，許多植物為了防止被害蟲侵害，會通過生物鐘的調控機制，提前“預測”害蟲活動時間，調動抗性基因的表達，進一步啟動抗性相關信號轉導途徑，產生抵御性生物大分子來減小害蟲的“食欲”，從而最大限度地減少受到的傷害。

一般而言，植物生物鐘系統(tǒng)由輸入途徑、核心振蕩器和輸出途徑3部分組成。作為植物的中樞調控系統(tǒng)，生物鐘通過輸出途徑調控著種子萌發(fā)、下胚軸生長、光合作用、葉片運動、避陰反應、開花時間、花瓣開合、氣味產生、冬眠等幾乎各種重要的生理過程。生物鐘對光合作用、生物量、雜種優(yōu)勢、作物的區(qū)域適應性、生物和非生物脅迫的抗性以及收獲后的貯藏等關鍵農業(yè)性狀也都具有舉足輕重的調控作用。

早在2012年，美國孟山都公司在多達43個不同的試驗田、3個種植季的試驗中，發(fā)現可以通過調整大豆的生物鐘節(jié)律，產生穩(wěn)定高產的大豆品種；2016年，德國馬普研究所所屬課題組研究發(fā)現從美洲引入到歐洲的番茄經過人工馴化，其生物節(jié)律變慢，從而更好地適應了歐洲等高緯度地區(qū)夏季長日照所帶來的高溫和光脅迫。

2017年，中國科學院所屬的課題組也發(fā)現大豆生物鐘的基因突變能促使大豆更好地適應低緯度地區(qū)的短日照條件。

相關的研究表明了植物生物鐘與農業(yè)性狀緊密的關聯，同時也反映出作物生物鐘的研究逐漸受到國內外學界廣泛的關注和重視，成為植物生物鐘研究領域中的新趨勢。對于植物生物鐘更深入的研究理解將有望進一步促進其在保障農業(yè)穩(wěn)產、增產中的應用。

“以前，我們對于植物生物鐘的了解大多基于對模式植物擬南芥的研究，對作物生物鐘的理解仍然較為有限，限制了其在提高作物環(huán)境適應性上的應用?！蓖鮽フf。

植物生物鐘不僅通過輸出途徑調控著植物生理的方方面面，也通過輸入途徑密切監(jiān)控、整合各種環(huán)境信號，從而統(tǒng)籌協調有限的能量資源在不同環(huán)境狀況下的合理、優(yōu)化分配。除了光照和溫度這兩種傳統(tǒng)的生物鐘輸入信號外，生物和非生物脅迫以及營養(yǎng)信號都可以對植物生物鐘產生顯著影響。

王偉在美國杜克大學攻讀博士時發(fā)現，通過生物鐘對免疫反應的調控，擬南芥可以在每天導致霜霉病的卵菌最有可能入侵的時候瞬時提高免疫從而預防可能發(fā)生的感染，這首次闡明植物生物鐘對植物免疫反應的調控作用。

基于這些研究成果，王偉2011年以第一作者的身份在Nature雜志上發(fā)表論文，在全球首次闡明了植物生物鐘與抗病性的關聯，發(fā)現植物可以在每天病原菌最有可能入侵的時候瞬時提高免疫從而預防可能發(fā)生的感染，而這一新型預防性免疫主要受植物生物鐘關鍵轉錄因子CCA1調控。這為深入理解植物和病原菌互作機制提供了一個全新的研究方向，也為提高植物抗病的傳統(tǒng)和分子育種研究提供了新的改造靶標。突破性的成果引起了學術界的高度關注，發(fā)表論文的當年，引用數就超過整個植物和動物科學研究領域同年發(fā)表的99.9%的論文。

隨后，王偉又首次揭示了植物免疫相關激素水楊酸所引起的植物氧化還原節(jié)律變化和生物鐘之間的互作關系以及這一互作對水楊酸介導的免疫通路調節(jié)的分子機理，并建立了相關的數學定量模型。2015年，相關成果發(fā)表在Nature上。國際國內科學界紛紛認為，這一發(fā)現為深入理解生物節(jié)律以及生物鐘系統(tǒng)的起源、進化和發(fā)展提供了重要的理論基礎，同時也為實驗生物學和數學建模預測在其他植物激素和生物鐘互作的研究中的有機結合提供了一個具有示范意義的嘗試。印刷發(fā)表后僅6個月，該成果就被Science Daily等世界著名的主流媒體在8個國家報道20次。根據Altmetric的統(tǒng)計數據，成果的綜合關注度超過98%的同年發(fā)表文章。

多領域解決關鍵技術瓶頸

可以說，植物生物鐘是通過促進植物生理反應與環(huán)境節(jié)律的同步性來提高植物對環(huán)境的適應性，對植物的生長、抗逆以及抗病等多種重要生理反應起著資源統(tǒng)籌協調分配的中樞控制作用。許多植物生物鐘基因的缺失突變或超表達株系，也都展現出對生物和非生物脅迫的抗性變化。

在王偉看來，對植物生物鐘，特別是對作物生物鐘與環(huán)境互作的深入理解，不僅具有重要的科學意義，對提高作物產量、抗逆性和抗病性，促進我國作物的穩(wěn)產、增產也具有至關重要的作用。

長久以來，由于研究作物生物鐘的遺傳材料較少、大部分作物的基因組結構復雜、獲取生物鐘轉錄組的成本高昂，國內外對植物生物鐘與環(huán)境互作的認識主要來源于對模式植物擬南芥的研究。作物生物鐘如何受環(huán)境影響目前仍知之甚少，阻礙了基于生物鐘性狀的作物定向育種改良等方面的研究。

大豆是王偉在植物科學研究中關注較多的一種農作物，早在愛荷華州立大學擔任助理教授期間以及回國以來，他和課程組一直在探索大豆根系生物鐘與大豆孢囊線蟲互作的分子機理，致力于解決影響大豆量產的這一重大病害問題。

“孢囊線蟲是目前限制大豆產量最主要的病蟲害。每年在全球造成數十億美元的經濟損失。對于孢囊線蟲與大豆根系生物鐘互作機理的理解將有助于發(fā)現拮抗孢囊線蟲新的生物靶標。”王偉說，這一問題在中國同樣嚴峻。

研究成果發(fā)現，大豆對孢囊線蟲的抗性的確是有它的生物鐘節(jié)律的，而將大豆生物鐘系統(tǒng)破壞之后，大豆對孢囊線蟲的抗性節(jié)律也隨之消失，大豆也能夠更抗拮抗孢囊線蟲了，這也證實抗性節(jié)律主要由大豆的生物鐘系統(tǒng)主導。

王偉認為，盡管近年來對于植物生物鐘的深入研究確立了其在拮抗葉片病原體中的關鍵作用，但對于植物生物鐘和根系病原體之間的互作知之甚少。如果能夠解析植物根系生物鐘與孢囊線蟲之間的互作及相關信號轉導途徑，就可以填補這一重要的空白。

生物鐘基因與多種重要農業(yè)性狀密切相關，為了突破限制生物鐘性狀育種改良的種種困難，王偉正致力于建立一套基于大數據挖掘算法和高通量基因選擇性測序技術的通用、高效的數據挖掘分析系統(tǒng)。系統(tǒng)中的算法模塊可通過大數據挖掘方式，利用已有的作物轉錄組數據高效地預測環(huán)境因子對作物生物節(jié)律的影響。

“通過將這一系統(tǒng)運用到大豆生物鐘研究中，我們系統(tǒng)性地繪制了非生物脅迫對大豆生物鐘作用的圖譜。”2019年，該成果發(fā)表于PNAS雜志。王偉說，這一系統(tǒng)還可以對已知的3萬多個主要糧食作物的轉錄組數據進行挖掘分析，并結合生物鐘時程實驗驗證，將會揭示對水稻、玉米、大豆和小麥等我國主要糧食作物生物鐘具有顯著影響的特定環(huán)境因子（作物生物鐘環(huán)境因子輸入組）以及這些環(huán)境因子對作物生物鐘的具體作用位點，為相關作物的定向育種提供全新靶位。

不僅如此，他和課程組的這一研究還將配套開發(fā)面向公眾、簡單易用的在線作物生物鐘節(jié)律分析平臺。王偉說，利用這一平臺，可以方便快捷地分析新實驗中獲得的尚未發(fā)表的作物轉錄組數據的生物鐘節(jié)律變化情況，從而助力植物生物鐘研究從單一的模式植物向多種重要糧食作物的過渡，促進在農業(yè)生產中的運用轉化。

他在生物技術開發(fā)層面同樣取得了重大的突破。植物的免疫和生長激素對于生物鐘的調節(jié)以及免疫的調控有著至關重要的作用，但現有植物激素定量檢測技術價格高、耗時長、通量低，而生物鐘時程實驗所需的樣本量較大，這些技術瓶頸嚴重阻礙了激素含量相關大數據的獲得和在作物育種中的應用。

為了突破這一技術瓶頸，王偉在愛荷華州立大學獨立領導課題組時與工程系的Long Que組合作，創(chuàng)新性地結合Fabry-Pérot干涉儀原理、新型納米級Fabry-Pérot干涉儀制備技術以及專門針對小分子、基于構象變化的核酸適體篩選方法，成功研制出具有高靈敏度、制備價格極為低廉的新型納米生物傳感器，用于植物抗旱相關激素脫落酸以及一種重要的藥用植物代謝產物茶堿的定量檢測。

這一創(chuàng)新發(fā)明成果發(fā)表于工程類大會IEEE MEMS、IEEE Sensors以及工程類頂級雜志Biosensors & Bioelectronics。而今，在這一成果的基礎上，王偉又成功篩選出水楊酸的核酸適體，并開發(fā)出配套的納米生物傳感器。

“權威就是用來打破的”

年僅36歲的王偉2007年本科畢業(yè)于復旦大學，學的是生物技術專業(yè)?？歼M復旦后，恰逢國家正在組織生物技術的基地班，他也成了其中一員。在一個偶然的機會下，他接觸到了一個做蝴蝶蘭等植物研究的實驗室，開啟了自己在植物領域的研究。也正是從那時候開始，他與植物科學結下了“不解之緣”。

本科畢業(yè)后，王偉選擇到美國深造，輾轉于杜克大學幾個不同的實驗室做科研。攻讀生物學博士和從事博士后研究期間，他師從美國科學院院士、世界著名的植物免疫學專家董欣年教授。在導師的指導和鼓勵下，王偉逐漸開始從事植物病原體研究。

科研道路上，最難的是找到合適的研究方向。經過幾個月的分析研究，王偉沒有“隨大流”，他創(chuàng)造性地發(fā)現，許多植物免疫的問題，都受到了植物生物鐘的影響。當時，關于植物生物鐘與免疫的耦合關系的研究，在國際上仍未有報道。

憑著“初生牛犢不怕虎”的精神，他克服了研究設備等方面的種種困難，并花大量時間建立了一個研究植物生物鐘的系統(tǒng)。最終，這一爆炸性的成果引起了學術界的高度關注，也被《紐約時報》、《科學美國》和BBC Wildlife等世界著名的主流大眾媒體報道。

盡管在植物生物鐘與免疫反應的研究上有了世界級的發(fā)現，但王偉同樣對自己的職業(yè)發(fā)展產生過迷茫，甚至想過“轉行”。對數理研究感興趣的他，在杜克大學讀博士期間，還修讀了統(tǒng)計學碩士學位的所有課程。甚至他一度想過，畢業(yè)之后就拿著統(tǒng)計學的學位去華爾街賺錢。直至今日，他仍以此自嘲。

2014年，王偉加入了美國愛荷華州立大學，擔任助理教授。在愛荷華州立大學4年的時間里，王偉建立了以自己為帶頭人的實驗室，并陸續(xù)在新型納米感應器、植物生物鐘互作研究的技術系統(tǒng)等方面取得了重大突破。

盡管在國外已經有著成熟的實驗室和團隊，但在國外生活了十多年的王偉一直希望找到合適的機會回國發(fā)展。中國是大豆的重要原產國之一，在大豆育種和抗病方面有許多原創(chuàng)性研究的他一度開玩笑說：“至少自己回國可以在這方面為國家做貢獻?！?/p>

2018年，王偉結束在愛荷華州立大學的實驗室，受邀到北京大學生命科學學院、生命科學聯合中心擔任研究員、博士生導師。在他看來，國內的科研環(huán)境正在不斷改善，北京大學在生命科學研究領域不僅有著完整的學科分布，也有著各個領域的頂尖實驗室，同時有著良好的協作、交流氛圍。

如今，在他帶領的植物與環(huán)境互作研究組團隊中，有4名博士后成員。盡管認為自己在生活中是一個比較“隨大流”的人，但談到自己在科研上的經驗，王偉卻認為在科研上“不走尋常路很重要”，同時“不要輕易地相信權威，權威就是用來打破的”。

僅僅找到了好的方向還不夠，科研創(chuàng)新還必須有足夠的自信，“別人沒做過不重要，只要你經過互相驗證討論，就應該堅定地往下走”。而在實際的教學中，王偉還很注重培養(yǎng)學生的品位，他認為“要讓學生知道什么才是好的科學”。

回國一年多以來，基于已有的研究成果，王偉正致力于將前瞻性生命科學研究、新型納米探測器技術創(chuàng)新和生物大數據高效挖掘緊密結合并把相關成果運用到提高農作物，特別是大豆的抗逆性的定向育種中。此外，除了在解析植物根系生物鐘與孢囊線蟲的互作關系上進一步探索外，王偉正在探索以應激顆粒為代表的相分離的形成機制、生物學功能和進化學意義。

步履不停，王偉的科研旅程仍在繼續(xù)，在植物王國中，他還要堅持走不尋常的道路，去尋找那些通幽曲徑，繼續(xù)去領略別樣的風景。

專家簡介

王偉，1985年生，上海人。2007年本科畢業(yè)于復旦大學生物技術專業(yè)，2012年于美國杜克大學獲得生物學博士學位；2014年至2018年就職于美國愛荷華州立大學，任助理教授；2018年至今任北京大學生命科學學院、生命科學聯合中心研究員、博士生導師。

王偉主要致力于植物免疫學、植物誘導應激顆粒形成的分子學機制、植物應激顆粒的蛋白組分、大豆根系生物鐘與大豆孢囊線蟲互作的分子機理、新型納米感應器等多個領域研究，涵蓋了基礎研究、作物研究及生物技術開發(fā)層面。其在植物免疫學領域取得了突出成果，發(fā)表在Nature上的3篇論文被全球47個國家和地區(qū)的科研人員引用超過1100多次。通過結合物理學理論、生物學方法和工程學技術，王偉潛心開拓出數個跨學科領域意義重大的研究方向，還在植物免疫的翻譯調控上取得了突破性成果。