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张道远：探寻“复活植物”的基因密码
张道远·耐干植物
有一种生物,干而不死，死而复生
上世纪70年代出生于新疆，从小沉浸于大美新疆的山山水水，感受不一样的荒野与生灵。20年前的一天，踏入古尔班通古特沙漠的一刻，被沙漠上地毯一样的覆被所吸引，更惊讶它一滴水便激活，从灰黑色状态秒变"绿色丛林〞的快速和生机。从此，一头扎进耐干的过程研究与机制解析。目前为中国科学院新疆生态与地理研究所研究员、副所长。在Plant Physiology、Plant Journal、Conservation Biology等期刊发表文章百余篇，于耐干研究方面取得系列成果。获新疆最美科技工作者，新疆科技领军人才等。
齿类赤藓有着“干而不死、死而复生”的特性，科学家花费20年时间，研究其中的“基因密码”，利用这种资源，我们或许可以培育出智慧型的农作物…
演讲者：张道远 中国科学院新疆生态与地理研究所研究员、副所长
演讲时间：2023年12月23日 格致论道2023年度大会：星火之歌
大家好，我是张道远，来自新疆生态与地理研究所。今天我要跟大家一起探寻“复活植物”的基因密码，看一下沙漠里的植物在没有水的情况下是怎么适应环境的。
说起来，我和沙漠植物也有20多年的情缘了。比如像上图，这是塔克拉玛干沙漠边缘的一棵胡杨，它在没有水的情况下，靠着“扎深根”来吸收水分，非常顽强，我脑海中的沙漠植物就是这样的。
直到有一天，我一位师兄拿着一块黑乎乎的东西，特别激动地跟我说，你别眨眼，我给你变个魔术。
然后就变了这样一个魔术：像上图一样黑乎乎的一块东西，给它一滴水，它就变绿了。
我们再来近处看一下，仔细看一下时间的变化，2到3秒，它的叶片就完全地张开了。当然这是假叶，苔藓植物没有真的叶片。这种苔藓是齿肋赤藓，叫做复苏植物，也叫变水植物。它根据外界环境的水分的多少来调节体内的水分，响应地特别快。
看到这个过程，就让我想起来刘慈欣写的《三体》。三体人在没水的时候，完全是一个纸片人，有水立马就复苏了，我觉得刘慈欣是很懂科学的。
那这样的植物，它生活在怎样的环境？它体内到底有怎样的神奇基因？为了回答这些问题，我找到了它的家--新疆古尔班通古特沙漠。
干而不死的沙漠“地毯”
齿肋赤藓不是独个生长的，而是成片、成簇生长的，它像地毯一样覆盖在沙漠上面。
这种现象叫生物土壤结皮。其实上图是古尔班通古特沙漠一个沙丘的丘底部，沙丘的顶部依旧是流动的沙丘。我们会觉得这看起来不像在沙漠，就是因为生物土壤结皮很好地覆盖住了沙漠。实际上，这个地方是我们国家最大的固定和半固定的沙漠。
我们放大了再看，这样的一块生物结皮拿在手里也就是二三十毫米，像地毯的厚度。上面一个一个的苔藓就是我们要研究的材料--齿肋赤藓。
实际上齿肋赤藓只有2-8毫米，特别小，我们叫它“干而不死、死而复生”的植物。所谓“干而不死”，是指它在沙漠里可以长久耐干旱，我们看着它像死了，但它没有死，只是在一种休眠的状态。而“死而复生”，指的就是上面那样给它一滴水立马就复苏的过程。
怎样能够把它耐干的特性加以应用？这种耐干特性是怎么样的一种适应的过程。后来我们经过了很多研究发现这种材料具有极端耐失水的功能。
这样的一种植物当然会引起我们的兴趣。比如说上图是在森林里经常会看到的苔藓，它比较耐湿，失水40%的时候就死亡了。大多数农作物，比如水稻、小麦等，失水到30%以上就死亡了，并且不能再复活。
但是看一下齿肋赤藓，当失水98%的时候一样存活得特别好。并且给它一滴水马上就复苏了。这种耐干是自然界抗旱的一种极端形式。
那么，我们能不能利用它“干而不死、死而复生”的特性，尤其是它的一些基因资源，来培育一些智慧型的农作物呢？
大家可以想象，当干燥、没水的时候，农作物集体休眠；但有水的时候，就能快速地光合作用。这种农作物有多酷呀。
打造全新基因“手术台”
为此我就在想，我们做一做它的基因吧。在做基因研究的时候，只用野外的材料是不够的，因为野外的材料具有丰富的多样性。就像一母生九子，九子各不同。而我们在实验室内做遗传多样性研究的时候，必须要求纯系的、单克隆的、遗传背景完全一致的材料。所以，首先要攻克的难关就是要建立齿肋赤藓的组织培养体系，以便快速获得大量的纯系的材料。
这有什么难呢？因为齿肋赤藓太小了，而且长期生活在野外的荒漠里，所以这种材料的“驯化”是很有难度的。
经过过去10多年的努力，我们成功建立了组织培养体系，这样就可以在很短的时间内获得大量纯系材料。接下来，我们就准备挖掘一些“干而不死”的基因。
上图这位漂亮的小姐姐并不是我们请的模特，而是我们课题组的成员。她叫李小双，跟着我做硕士、做博士，现在也是我们团队的年轻科学家。在过去的十几年来，她和我们其他的同学一起对齿肋赤藓开展了基因组、转录组、蛋白组等一系列的测序分析和网络构建分析，最后靶定到了60多个有潜在价值的基因资源。
接下来，我们就要对这些基因进行功能验证。在验证过程中，我们又遇到了新的难题：国际上没有成熟的齿肋赤藓遗传操作的平台。因为这样的一个材料，在它体内来原位进行基因功能的验证是很困难的，基本上是不能实现的。
所以我们要做遗传操作，在它自己的体内验证基因的功能。功能验证有两种方法：首先可以给它过表达，如果它对应的性状加强了，说明这个基因很强；还有一个策略就是可以把这个基因敲除掉，让它不发挥效应，这样我们也能反向证明这个基因的功能。
为此我们又进行了十多年的联合攻关，目前已经建立了世界上首套针对耐干植物的遗传操作平台。在此基础之上，我们又建立了一个抗逆基因功能快速筛选的平台，挖掘出系列的相关基因。
当棉花遇到基因改造
在这里给大家介绍两类我们发现的基因。第一类是ScALDH21基因，这个基因是属于“只有我有，别人都没有”的基因，也就是说只有苔藓有，到了高等植物这个基因就丢失了。
大家看，我们在烟草里给它过表达的时候，野生型的烟草受到胁迫，它的叶片已经开始萎蔫了。可转了我们这个基因的烟草叶片很大、很健康。
并且这种烟草还很耐盐。上图花盆里白花花的是盐碱，非转基因的烟草受到了胁迫，转基因的烟草却很强壮。
同时我们还发现，它不但能抗旱、耐盐碱，还有促生的作用。我们做了很多的基因，大多数在过表达的情况下都会造成损失，比如说植株变得很矮小等。但是ScALDH21这个基因具有促生的作用，同时它还有抗病的功能。显示这个基因是比较好的备选基因。
另外还有一类基因是所有的植物都有，但是“人有我优”，比如说A-5类的DREB的基因资源。这个基因大家都有，但我们证明了来自齿肋赤藓在面对旱、盐、热这些非生物胁迫时，它都有增强的抗性。
并且我们也在棉花的体系内进行了验证，可以看到，转基因的棉花在抗性增强的同时，生物量也是增大的，比别的棉花要高一些。
所以，这样两种基因的抗逆功能都在实验室内得到验证，尤其是对棉花。中国棉花看新疆，全国90%以上的棉花都来自新疆。那在大田里是不是也能显示出这种抗性的提高呢？
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