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研究植物体内的生物学机制，如同进入一片无边无际的黑森林

花匠小妙招
2024-10-29 13:07

全文共5419字，阅读大约需要9分钟。
本报记者
苏祺超生命科学学院2017级本科生
张思怡城市与环境工程学院2018级硕士研究生
钱源药学院2018级本科生
在第一教学楼东侧，矗立着一栋仿古式的建筑，看起来和南侧的文史楼似乎是从一个模子中翻刻出来的。唯一的区别是东西两侧多了两个小小的配楼，形成了一个C字型——这便是老生物楼。
对每一个选择生物科学为专业的本科生来说，这座楼在前两年的大学生活中，都颇有存在感：微生物实验室、细胞实验室与遗传实验室占据了西配楼的不大的三层空间，每个学期总要绕过西配楼虚掩的门前堆积的几袋黑土，在楼梯上爬上爬下几次。或许从未有人思考过，那扇虚掩的门的背后，究竟藏着什么。
初探植物房
生命科学学院2017级本科生刘棠浥第一次来到门后的“秘密花园”的经历不算美好。夜晚十点多，整个老生物楼陷入一片黑暗，刘棠浥沿着楼梯弯弯绕绕地往下走，可以隐约看到下方地下室门缝中的微弱灯光，仿佛置身于一场紧张刺激的密室逃脱。推开门时，只感受到地下室的阴冷，但走下几节台阶，温暖而潮湿的空气就扑面而来。
推开另一扇塑钢门，可以嗅到着花草和水汽的清香。被惊扰的蚊子嗡嗡乱飞，植物的土上长了一层斑驳的苔藓。耳边不时传来机器若有若无的低鸣声，像是现代科技的回音。 △杨树房中培养的杨树
这是生命科学学院众多植物房中的一个，里面有庞大的中央空调系统与数十根太阳灯管，嗡嗡的低鸣声仿佛是它们对昼夜不停的工作的牢骚。由于植物的生长严格受到光照与气温的调控，稍有差错就将引起植物生理上的一系列变化。中央空调系统与密集的太阳灯管供给实验植物充足的光照与最适的生长温度，保证植物处于最佳的状态，也确保了后续的实验结果真实可靠。
刘棠浥经常前往的一间植物房是“杨树房”。与街边经常落下“毛毛虫”的参天高树不同，杨树房里摆满了的是20厘米高的幼苗。为了维持24-26℃的最适生长温度，室内经常开启暖风。而一墙之隔的“拟南芥房”，在厚厚的棉制门帘下，是22℃的舒适恒温与20℃的冷风空调。在乍暖还寒的春天，第一次走进拟南芥房的2017级本科生黄钟，忍不住打了一个喷嚏。
相比较实验动物，实验植物似乎没那么引人注目。人们很容易想起高中生物课上与小鼠、蟾蜍斗争的岁月，那奠定了对实验动物最初的崇敬。但谈起实验植物，脑海中却好像空空如也。即使进入大学，选择生物专业，也可以选择不接触实验植物。于是，地下一层这片"秘密花园”便鲜有人问津。
拟南芥
拟南芥（Arabidopsis thaliana）也许是实验植物中最著名的一种了。来自于十字花科大家族的它，和我们日常吃的油菜和开在草地上的二月兰是亲戚，是一种极不起眼的开淡白色小花的细弱草本植物。由于和另一位亲戚——同族的南芥属（Arabis L）极为相似，其拉丁名后缀“opsis”也具有“和...相似”的意思，在中文语境中被翻译为拟南芥。
Arabidopsis这个学名很容易让人联想到荒芜的阿拉比亚半岛，拟南芥也的确在阿拉比亚有分布，但拟南芥的命名和该地区没有任何关系。拉丁文中的“arabs”本意是“居住于沙漠中的”的意思，林奈用这个词命名南芥属，是因为南芥们常生活在多石多砂的环境中。其实，拟南芥最早被命名为Pilosella siliquosa。两个拉丁文单词分别是“多毛”和“果荚”的意思，准确地描述了拟南芥的两个特征——叶面上密布的三叉表皮毛，以及包裹着种子的长长果荚。 △依稀可见的三叉表皮毛
当拟南芥第一次出现在细胞生物学实验的课堂上时，黄钟听见有人小声嘀咕：“这不就是杂草吗？”的确，相比于色彩缤纷的自然观赏植物，拟南芥的外观略显逊色，很多老师在介绍的时候都喜欢补上一句：它并不漂亮。那么这种平平无奇的“杂草”，又如何成为最重要的模式植物呢？
首先，拟南芥是一种二倍体植物，也就是仅携带两套控制几乎全部生命活动的同源染色体，遗传信息要比其余的植物简单得多，仅有135MB。因此也成了第一个完成基因组测序的实验植物。相比之下，六倍体的水稻测序工作就要艰难得多。
尽管简单的遗传信息造就了拟南芥平凡的外观，然它却成功用极少的遗传信息，完成了高等开花植物所能进行的众多生理活动，成为植物遗传学上的模式种。
此外，和它的遗传学老前辈——孟德尔的豌豆一样，拟南芥也具备自花授粉的优良特性，这有助于拟南芥纯合品系的培养。不过与豌豆不同的是，拟南芥可以产生更多的种子，繁育周期也更加短暂。 △拟南芥的花与果实
与人们的传统认知不同，实验室里拟南芥的一生并非始于土地，而是在培养基之上。它的一生，开始于超净台中被撒向培养基的种子。在温室培养2-3三周，拟南芥的种子便会萌出，生根，子叶舒展。再移栽到一个个方形的容器中，从萌芽到开花，总共需要在植物房度过约10周的时间。它们也许会做梦，但不再是费力地从土中钻出的梦。 △培养基上的拟南芥
地下室的杨树
在“秘密花园”，有拟南芥这样的“小草”，但也不乏一些更为高大的植物。提起杨树，大家都会想到燕园春天的飞絮，与夏日飘落的张牙舞爪的“毛毛虫——杨树雄花序。罪魁祸首生得高大挺拔，碧色的叶子如同一面扇子，投下一片树荫。
不过在“秘密花园”，杨树也变得矮小、瘦弱，还有些泛着春叶的鹅黄色。16级研究生大杨已经习惯了每天早上下到地下室，收拾打理一下自己的杨树，再开始一天的工作。相比而言，木本植物的成长周期更长，也更娇贵一些，稍不留神，叶子便会开始黄化。
杨树作为木本植物，最独特的特质便是次生生长。次生生长使得木本植物的树干得以加粗，以便于支撑起更大的植物体，也撑起了树荫下的闲谈与故事。杨树的基因组比较简单，易于进行遗传学上的研究，生长也十分迅速，于是成为了一种新的模式植物。
我国目前有62种杨树，大杨打理的是其中三个品系：三倍体且易于转化（即通过农杆菌侵染的方法转基因）的毛白杨（Populus tomentosa），最早测序成功的毛果杨（Populus trichocarpa），还有生长能力旺盛的一种杂交杨。那么这些杨树从哪里来呢？
每一个分化的植物细胞，在合适的条件下，都具有再度发育为新的完整植株的潜能。新生成的完整植株，具有和最初始时的组织一样的遗传信息。据此，和拟南芥不同的是，开花结果时间较长的杨树，实验人员往往采用组织培养传代的方式，进行克隆培养。 △组织培养中的杨树
组织培养需要在严格无菌的环境下进行，听着超净台呼呼的风声，在玻璃拉窗下狭小的空间内，迅速地完成。但也许是因为老生物楼的空间不那么洁净，总有一些培养基会被污染。就算闯过了这一关，新生的茎段进行转移时，也经常会死。这是让大杨最头疼的事情，“毕竟木本植物高于草本植物，辛苦一点也没什么吧哈哈哈。”
顶层的阳光
在选修了植物生物学的那个学期，刘棠浥自己的实验用植物——蓝猪耳（Torenia fournieri）也养在杨树房。这是一种热带植物，会开出三色的桶状花朵。刘棠浥和她的同学，用它们去做植物激素对花粉管萌发的影响。 △刘棠浥培养的蓝猪耳
刘棠浥的蓝猪耳是从万能的淘宝买来的，这种一年生植物的花期往往在四月，等不及的他们只好购买了一批园艺用蓝猪耳，结果每一株的质量千差万别，有时候萌发得太快，有时候又完全不萌发，方差让刘棠浥直喊头疼。蓝猪耳的花期也很短暂，杨树房的温度也有些不适合它生长。最夸张的一次，刘棠浥早上看到了新出的花苞，下午做实验时已经凋谢了。
最根本的原因，可能是刘棠浥使用的蓝猪耳，并非野生型。用于现代生物科学研究的“野生型”并非真的采集于野外。以拟南芥为例，一种名为Col-0型的拟南芥品种，在上个世纪70年代被认定为野生型。在科研小组中，前人栽培，后人采种，往往收集了大量的种子。科研小组会根据自己的需要，对野生型的拟南芥进行一系列的基因编辑，形成新的品系如Ctr-1（乙烯组成型突变体1号）留种，或者是与其他实验室交流。尽管不是用于精细的遗传学实验，获取“野生型”似乎没那么重要，但细微的遗传信息差异，被层层放大，便会与参考资料形成极大的差异。
每天，2016级博士研究生李蕨都要走过长长的楼梯，前往金光的顶层，在一个巨大的排风扇后，照顾一些黄色与白色的小花——甘菊（Chrysanthemum lavandulifolium）。他所在的实验室，就使用这种“非模式生物”进行研究。 △调节温度的巨大风扇
甘菊的花并不符合我们对花的直观认识。茎枝上盛开的一簇金黄，是它繁复的花序，而非植物学意义上的“花”——事实上，周边的花瓣与花冠内堆积的黄色凸起，在植物学上才是一朵朵真正的花。李蕨的工作，就是研究究竟是什么导致了这些花形态上的千差万别。 △甘菊
这些甘菊最与众不同的特质，便是原始材料全部由实验室的人员采集而得，经过一代代的组织培养或者收集保种，延续到了今天。组织培养的方式与杨树十分类似，今年春节假期放假前，李蕨做好了一批甘菊组织，放进培养箱中培养。没想到返校时，因为组织长得太好，继代的工作做到手发酸，成了“甜蜜的烦恼”。
甘菊生长的地方，是一个阳光房，光源全部来自于太阳。阳光房中还有一些水稻（Oryza sativa）与烟草（Nicotiana tabacum），它们也是十分重要的模式植物，在这里，被用来研究植物对干旱的响应。角落里还有几株葫芦科植物，作为藤本的攀缘植物，它们可以用来研究植物卷须盘旋的方向性的调控。当然，李蕨接触得更多的还是他那些素色的甘菊，不夸张地说，就像对待自己的孩子一样爱护。 △烟草
显微镜下
虽然建在金光生命科学学院的顶层，但阳光房的四周被建筑的挡墙团团围住，缺少一个瞭望的平台，看不到什么风景。而2016级硕士研究生米依的实验室，恰巧可以透过三层东北侧的间隙，看到窗外沐浴在夕阳中的博雅塔。按最粗糙的生物二分法，米依接触最多的，也许是生物圈中，最小的实验植物——蓝藻。
米依实验室的培养间虽然不大，但却是最能体现生物多样性的一个植物培养间。打开厚重的密码门，培养间中除了耀眼的白光、不停歇的摇床与一个个锥形瓶中的深绿色，还有几个很大的试管，向外冒着气泡。
蓝藻的培养方式与同为原核生物的细菌更加类似。随着摇床的微微晃动，在液体培养基中游荡的蓝藻，完成着一次又一次的分裂生长，直至浓度达到实验要求，便去执行它们神圣的使命。需要大量培养的时候，米依便将其接种在大试管里的液体培养基中，通上二氧化碳——光合作用的重要原料。就连鉴定的方法也与细菌很类似。稀释，涂平板，形成一个个“藻落”，再挑取单澡落进行鉴定。只不过米依使用的不是涂布器或是接种环，而是灭菌的牙签，蘸取稀释后的藻液，在培养皿上画出令人惊叹的几何图形。等到蓝藻开始形成藻落，略有些模糊的边缘，仿佛是蜡笔留下的痕迹。也许是由于与细菌过于接近的生长环境，蓝藻也遭到很多不速之客的侵扰。有时候培养时间过长，也会让藻的状态变差，培养体系发黄。米依最担心的就是自己养的藻死掉，但总有漏网之鱼。“如果是已经建立成品系的藻还好，只不过再耐心等待几天，新的一批藻就培养好了。有时候，实验室会和其他研究机构交流一些品系，或是自己通过转化构建新的品系，这些藻就珍贵得多，死掉了的话搞不好会延毕呢……”
自然之中
当被问起为何当初选择做花粉管萌发这个小课题时，刘棠浥一定会想起在显微镜下，蓬勃生长的早开堇菜（Viola Prionantha）花粉管。早开堇菜是一种初春绽放的小花，花色从牛奶紫跨越到黑紫，它的花粉粒在蔗糖溶液萌发得很快，因此走进了植物生物学实验的课堂。逸夫二楼前的石板缝中，经常挤满了早开堇菜，她和队友走过去的时候，总会相视一笑。 △逸夫贰苑前的早开堇菜
同样，在植物生物学实验上，让黄钟数得眼冒金星的植物气孔，也取自未名湖边的野豌豆。但让他记忆最深刻的，还是那个桌上摆满了水果和蔬菜的下午。为了观察果实的特征，实验室老师买了不少水果，其中不乏聚花果——菠萝，聚合果——草莓。结局就是，每个人都吃得饱饱的。
自然赋予了我们如此多美丽的实验植物，一些随着时间的流逝，哺育，消逝，由子代继承自己的生命，在另一段时空中发挥自己的作用。另一些，通过不断的克隆繁殖，让自己也成为了时间的一部分。
实验植物重要吗？这一直是个令人迷惑的问题，它们和人类分道扬镳得太早，相关的研究成果似乎不能直接对人类产生贡献，看上去没有什么价值。按影响因子排序，当今排名前几名的期刊，往往都与医学脱不开干系。
一位研究拟南芥的研究员，曾在自己的博客上说过这样一番话：“研究植物体内复杂运作着的生物学机制，如同进入一片无边无际的黑森林探险：我们什么都看不见，只能勇敢地走进去，摸到一棵树，下一棵树，再下一棵树，然后努力试图寻找树与树之间的关系，勾画出一版版并不精确的路线图。”
李蕨觉得，实验动物和实验植物一样，重要的并不是其本身，而是它承载的科学问题。和小白鼠一样，人们操纵它们的遗传物质，只为了探究自己所未知的事物，他们同样是科学进步的牺牲品。而他们的牺牲换来的研究结果，推及到人类，到人类赖以生存的农作物上，都在引领人类社会，走出扎实的一步。
只不过，如果说实验动物是铺砖石，那么实验植物看起来像砖石中的小草。每个已知的基因，每个已知的信号通路，都是坚实的堡垒，是我们能够向更广阔的未知世界，发起一次又一次前途未卜的冲锋的支撑。然而，面对一些杂草样的植物，甚至面对肉眼不可见的蓝藻，要唤起人们的敬畏心，似乎更难了。
黄钟完成期末汇报之后，他便把杨树房中的几株蓝猪耳抛在了脑后。回家前的那一夜，他又绕着弯弯曲曲的楼梯，依循着光的指引，来到了杨树房。
几棵杨树的位置发生了微妙的变化，一棵杨树叶子蔫得厉害。写着“小猪猪赶快长”的牌子还在，而几株蓝猪耳，已经不见了踪影。一棵从他未见过的酢浆草，在被遗忘的秘密花园中，露出灿烂的金黄。微信编辑｜沈博妍
图四来自大杨，其余插图及封面来自苏祺超