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用植物生物研究守护绿色农业

来源:  发布时间:2022-05-20

——记兰州大学生命科学学院教授何凯

肖贞林

 

2008512日,是何凯一生都难以忘却的日子。这一天,正在美国攻读博士学位的他突闻噩耗——四川地震了,自己的家乡汶川恰在震中。随后,不少亲朋好友在地震中罹难或受伤的消息传来,而远在大洋彼岸的他焦急万分却无能为力。

亲人的离去让人悲痛,但在这场人间灾难中何凯也备受感动,他感动于华夏儿女的守望相助,感动于中国的强大伟岸。“无论走到哪儿,自己的根永远都在中国。”怀揣把自己所学献给亲爱的祖国的念头,结束在美国加州大学伯克利分校的博士后研究后,何凯毅然回国。

如今,已是兰州大学生命科学学院教授、博士生导师的何凯,在“植物生物胁迫与非生物胁迫的机理研究”等方面已颇有建树。20212月初,其团队一篇题为“激酶SnRK1.1通过磷酸化通道蛋白SLAH3参与依赖于硝酸根的解铵毒过程”(Kinase SnRK1.1 Regulates nitrate channel SLAH3 Engaged in Nitrate-Dependent Alleviation of Ammonium Toxicity)的研究论文发表引起业界广泛关注。此研究揭示了激酶SnRK1.1负向调节硝酸盐通道SLAH3,从而介导硝酸盐依赖的铵毒性缓解机制,为调控硝酸盐依赖的铵毒缓解提供了新方向;同时也揭示了C端磷酸化在SLAH3调节中的重要作用。因其研究价值颇为显著,国际期刊《植物生理学》(Plant Physiology)特地为其撰写新闻评述,进一步阐述了该结果在硝酸盐依赖的铵毒性缓解机制研究中的重要推动作用与意义。

 

因热爱所以坚持

 

何凯与植物生物的结缘来自生物课。何凯读初中时没有上过生物课,到了高中才第一次接触生物。但他很快发现,生物是所有学科中自己最喜欢的,书本上、老师口中的DNA/RNA等生物学知识为他打开了一扇新奇的大门,何凯被深深迷住了。高考填志愿时,他毫不犹豫地选择了四川大学生物学专业,并始终对生物保持浓厚的兴趣。

2000年本科毕业,何凯继续在四川大学生命科学学院攻读硕士学位。读研期间,他初步找到了自己的细分研究方向——分子生物学。2003年硕士毕业后,他想到国外开阔视野,于是到美国俄克拉何马大学攻读博士学位,且先后担任研究助理和教学助理。2009年,他又到美国加州大学伯克利分校植物与微生物系从事博士后研究,直到2013年回国进入兰州大学生命科学学院工作。

尽管从高中起,何凯就一直对生物兴趣盎然,但同许多人一样,他也有过一段迷茫期。进入大学后,他发现现实与理想间存在很大的差距:“在当时的社会气氛下,我不知道自己未来的路在哪里。”有一阵,他爱上了考古,便整天沉迷于在图书馆看考古书籍。到了大三,何凯突然意识到不能再迷茫下去了,一定要有明确的目标,他发现自己依旧爱着生物学,决定报考本校分子生物学专业研究生。从此,何凯每天早上5点起床备考,学到凌晨12点方休息。1年多后,他以专业第一的成绩如愿“上岸”。

“备考研究生的过程不仅是学习的过程,而且是塑造自我毅力、培养目标坚定性的过程,为我以后的科研打下了基础。”通过考研,何凯意识到,面对困难和挑战,逃避是毫无用处的,只有努力奋斗、学习和提升才可能抵达梦想的彼岸。就像攀岩,起先的几步是简单的,达到一定高度后每前进一步都变得艰难。“你会一次次想要放弃,向下看,备感恐惧;向上看,望不到顶。”经过备考磨砺,何凯越来越坚信,只要他竭尽全力扎扎实实地走好每一步,就一定能抵达峰顶。

正所谓“历经磨难不言放弃,方能守得云开见月明”。这种不怕吃苦、持之以恒的精神,在何凯日后的科研工作中体现得淋漓尽致。在美国攻读博士学位时,何凯研究植物中的一种受体酶—BAK1,初步判定其油菜素甾醇是基因冗余造成的,需要实验验证。然而当他把受体激酶蛋白基因BAK1及其同源基因敲除后,不仅原设想的植株矮小、生命周期延长的情况未发生,连植物本身都找不到了。虽失落茫然,但何凯没有放弃,他猜测这是一种新的植物免疫的机制——BAK1和其同源基因BKK1同时敲除后,导致植物产生强烈的细胞死亡。为验证这一想法,他立刻投入新的实验。半夜1点,实验结束,结果正如他所想。何凯激动地给导师打电话,电话只响了一声便接通了。因意识到这一发现将具全球影响力,导师和何凯一样,兴奋得一宿没睡。“因为热爱,所以坚持;因为热爱,所以充满动力。”何凯的科研人生因热爱收获了满满的快乐感和成就感。也正因为坚持,何凯首次发现受体激酶BAK1除了作为共受体参与植物油菜素内酯的信号转导之外,还是调控植物免疫的重要成员。相关研究阐释了BAK1在调控植物免疫信号响应中的重要潜力,为目前植物免疫信号途径的研究奠定了坚实基础,开创了植物免疫抗病研究的新方向和新热点。

 

成果助力绿色农业发展

 

科研成果唯有搬下高阁才能真正实现价值,对此深有同感的何凯,除了进行植物生物基础科学研究之外,一直坚持致力于用自己的科研成果助力新式农业发展,尤其在绿色可持续农业发展相关研究上颇费心力。

氮元素有“生命的元素”之称,是农作物不可或缺的一种重要营养元素,它直接影响作物的生长发育、产量及品质。现代农业生产中,氮肥的施用,在一定程度上可增加作物产量。然而,过量施用氮肥会引起一系列环境问题。随着世界人口的急剧增长,氮肥的需求量也随之增加。我国已经成为世界氮肥消耗量最大的国家,如何提高作物的氮素利用率,减少氮肥的施用,是走农业可持续发展道路的关键所在。

植物在酸性土壤中,对包括氮素在内的许多矿质元素的吸收效率显著降低,极大地影响了作物的产量。过量施用铵态氮肥会加剧土壤酸化进程,进一步减少作物产量,不利于现代农业的可持续发展。虽然硝态氮肥可以显著提高作物产量,但其生产过程需要消耗大量能量,并且对安全的要求极高。

围绕相关需求,何凯及其团队展开深入探索研究,很快便有了创新发现。他们发现离子通道蛋白SLAH3既有助于植物平衡无机氮吸收,又可以调节土壤酸碱度。通过对其进一步细化研究,他们从分子水平阐明SLAH3参与植物调节氮素平衡吸收的机理,为构建高效利用氮素、抗酸性环境的新型农作物提供了重要的科学依据。何凯的这一发现,首次在模式植物拟南芥中阐释了植物通过离子通道蛋白SLAH3转运硝酸根离子缓解铵毒的分子机理,以此为基础发掘了SLAH3在植物平衡无机氮吸收、调节土壤酸度过程中的核心作用。成果为构建高效利用氮素、抗酸性环境的新型农作物提供重要的科学依据,对绿色农业发展大有助益。

为了进一步揭示离子通道蛋白SLAH3调控植物对高铵和低pH胁迫响应的分子机理,何凯制订了专门的科研项目规划。力争实现以下三大目标:阐明拟南芥蛋白激酶SnRK1.1调控SLAH3详细机理,建立SnRK1.1-SLAH3分子调控模式;获得拟南芥中在高铵、低pH胁迫条件下调控SLAH3的新组分;初步揭示蒺藜苜蓿中AtSLAH3同源基因的生物学功能,为构建抗高铵、低pH的苜蓿材料提供理论依据。上述目标如若达成,这将是植物科学领域的又一重要成果,对绿色农业发展具有举足轻重的作用。

与此同时,何凯在受体激酶BAK1的研究上也颇有建树。在前期的工作基础上,何凯最近研究发现了受体激酶BAK1参与调控植物免疫的“重要成员”。相关研究阐释了BAK1调控植物免疫信号的具体分子机理,首次提出作为免疫共受体的BAK1是受到另一类免疫受体NLR蛋白的监管,为植物免疫抗病研究提出新的观点和研究方向。

目前,何凯主要致力于研究植物逆境适应过程中的分子机制,对“植物氮胁迫与氮信号”和“拟南芥类受体蛋白的生物学功能”尤为关注。这些研究为促进国家农业绿色化发展,确保国家食品安全和可持续发展奠定了坚实基础,这是何凯和他在兰州大学的团队矢志不渝的目标和理想。

 

科研,需要眼中的那抹光亮

 

能够取得今天的成绩,何凯表示很大程度上源于美国博士生导师的指引和帮助。这份指引和帮助,体现在学术上,也折射在生活中。

学术上,导师对他竭力培养,既教学术方法,又教学术精神。生活中,导师又是一个亲切和善的人。汶川地震发生后,何凯的导师带头为汶川灾区发起募捐。在听闻汶川的遭遇后,何凯和导师常去的一家餐馆的华人老板还特地拿出300美元递给何凯的导师,让他转交给何凯代其募捐。这份一方有难八方支援的情谊,何凯铭记在心,永远不会忘记。

做学生时,何凯以导师为榜样;现在,他成了学生的榜样。要求学生做到的每一件事,何凯都会身体力行,以身作则后方要求学生去做。他感慨当年的自己因常有机会与导师讨论学术问题而获益匪浅,如今,他也尽力抽更多时间与学生沟通交流。何凯带有“生物胁迫”和“非生物胁迫”两个方向的研究生,不管多忙,他每周都会抽出时间分别参加两个方向小组的讨论。“实时讨论才能进步,身为老师多与学生沟通,可以防止他们‘走弯路’。”何凯说。关注学习和科研的同时,何凯也关心学生的心理健康,设身处地考虑他们学习、工作、生活上的难处并及时排解。

科研方法上,何凯鼓励学生及时更新学习新方法、新技术。他认为,时代在前进、科技在更新,科学的方法也一定是日新月异的。身为科研工作者,不管学术成就多高、技术掌握多全面,都要不断学习新的方法和技术,紧跟时代步伐才有可能创造更多科研成果。为此,何凯要求学生阅读包括英文文献在内的大量文献。在他看来,学生的背景不同、科研训练基础各异,阅读文献能够很好地学习他人科研思路、掌握科研技巧、培养科研体系。同时,阅读文献还可提高英文水平,优秀的英语表达能力对科研成果的输出至关重要。

此外,何凯还注重培养学生诚实、热爱、勤奋的科研精神。他常常告诉学生,科研首先要做到的是学术诚信,科研一定要脚踏实地、一步一个脚印地走,绝对不能弄虚作假。同时,何凯也非常注重树立良好的实验室文化,他从不要求学生打卡,给予学生相对轻松的实验室氛围,希望学生不是为了完成导师要求而不情愿地待在实验室,而是发自肺腑地喜欢科研而努力研究,体会科研的快乐。何凯盼望看到学生眼中那抹热爱科研的光亮,就像当年求学时期的自己一样。

“促进我做好科研的是兴趣,新问题的出现吸引我去探索。”何凯想把这种精神传递给自己的学生。他享受带领学生一起投身科研的过程,纵使困难重重亦乐在其中。对他来说,这就像满怀激情地剥开包裹科研真相的洋葱皮,坚定不移地一层层剥下去,也许有一天,便会揭开生物的奥秘。

(责编:李莉)

 

专家简介

 

何凯,兰州大学生命科学学院教授、博士生导师。分别于2000年、2003年在四川大学获得学士和硕士学位,2008年于美国俄克拉何马大学获博士学位,2008年至2013年在美国加州大学伯克利分校进行博士后研究,2013年起到兰州大学生命科学学院任教。主要从事植物生物胁迫与非生物胁迫的机理研究。具体研究方向为拟南芥受体激酶参与免疫反应的分子机制,植物对高铵氮源逆境适应的分子机理,以及植物对氮素的感知与信号转导机制。主持国家自然科学基金项目3项,主持和参与其他各级项目超过10项。作为第一作者和通讯作者,在《美国科学院报》(PNAS)、《当代生物学》(Current Biology)、《植物生理学》(Plant Physiology)、《植物》(Plant)、《细胞与环境》(Cell and Environment)、《遗传科学公共图书馆》(PLoS Genetic)等学术期刊发表论文,累积被引用次数超过2400次。


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2022年6月

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