让藻类植物为民所用

张静怡

2019年是胡章立团队丰收的一年：1月，团队与合作者在环境生物学领域顶级刊物Environmental Science & Technology上发表了CNR10调控植物重金属转运机制的研究论文；3月，团队在生物能源Top刊物Biotechnology for Biofuels上发表了转录因子DOF调控衣藻脂代谢的研究成果；4月，团队与合作者在环境科学Top期刊Journal of Hazardous Materials上公布了植物镉抗性蛋白PCR调控的分子机制；7月，团队与合作者在Nature正刊上公布了科学界寻找了30多年的植物盐感受器及其作用机制；8月，他们受特邀在生物技术领域Top期刊Bioresource Biotechnology上发表了微藻生物制氢研究的综述论文……

虽然捷报频传，但埋首藻类与植物分子生物学研究近30年，胡章立早已在风雨中练就了荣辱不惊的品性和心态。“莫听穿林打叶声，何妨吟啸且徐行”，不管是收获还是磨砺，他都更愿意相信是研究工作的阶段性积累。而让藻类及植物为我所用、为民所用的梦想让他没办法停下脚步。在投入科研的第30个年头，他为自己和团队又定下了新的目标，从此踏上一条更加崎岖难走的基础原创研究与产业化应用之路。

开拓衣藻光合细胞工厂

藻类有什么用途？对很多普通老百姓来说，他们或许会有这样的疑问。

藻类是一类比较原始、古老的低等生物。已知的藻类有3万种左右，广泛分布在海洋、湖泊、绿地甚至沙漠等地。藻类结构简单，没有根、茎、叶的分化，含有叶绿素等光合色素，能进行光合作用。藻类既包含真核生物，也包含原核生物（如蓝藻）……但很多普通老百姓可能不知道，藻类的用途其实有很多。

21世纪，美国提出了“微型曼哈顿计划”，期望通过研发藻类产油寻求新的可再生能源。计划一出立即重燃起美国新一轮的藻类生物能源研发热潮。事实上，除了用做生物燃料之外，微藻经过加工处理，还可以生产出药品、食品、保健品、饲料产品，因此被人们称为“光合细胞工厂”。

胡章立与藻类植物结缘其实是从20世纪90年代初开始的，他1989年进入西北农业大学植物生理学专业攻读硕士学位，一开始研究玉米等植物的逆境代谢调控，1992年进入中国科学院水生生物研究所藻类学研究室开展藻类空间逆境生物学研究，是国内藻类空间生物学领域早期的博士学位获得者。1998年，他在香港城市大学生物及化学系进行博士后研究，期间成功构建出具有超强抗性且高效结合重金属的转MT-like衣藻工程株，为之后发明固定化藻菌耦合处理重金属废水的技术方法及装置打下了坚实的基础。随着研究的不断深入，胡章立越能发现藻类植物研究的价值和意义。笃定这一方向，他开始了漫长而又深感值得的探究之路。

1999年，胡章立进入深圳大学生物工程系开展藻类及植物分子生物学领域的研究工作，立足前沿和市场需求，埋首“光合细胞工厂”相关科研工作20余载，他先后主持国家及省市科研项目30余项，发表研究论文200余篇，完成发明专利40余项，收获了不少创新性成果。

以莱茵衣藻为代表的真核微藻具有生长繁殖快、光合效率高、三套遗传转化系统、兼性营养且具有可食性等优良性状，可利用CO2和H2O进行光合作用，是理想的“光合细胞工厂”。

自1998年至今，胡章立带领团队先后建立了具有自主知识产权的莱茵衣藻细胞核、叶绿体和线粒体外源基因高效表达系统，完成10多项相关发明专利并发表40多篇相关研究论文。以此为基础，他们实现了很多创新之举，包括发明了莱茵衣藻分泌型表达系统、莱茵衣藻多基因共表达系统和基于蓝光诱导的衣藻基因开关系统；设计构建了预防禽流感的疫苗藻株、累积人组织激肽释放酶的药用藻株、表达抗菌肽的饵料藻株和累积PHB的工程藻株等。

这些创新探索为胡章立及其团队在药用工程藻研究上的突破埋下了坚实伏笔。经过近20年积累，由胡章立担任负责人的国家重点研发计划“药用单细胞真核微藻工程株的设计构建”项目获得国家科技部立项。在这一项目中，胡章立带领团队针对药用单细胞真核微藻设计构建面临的基础理论与技术瓶颈展开深入探索研究，阐明细胞器基因组理性设计与合成装配的原理，建立药用单细胞真核微藻工程藻株库，相关研究将为实现工程藻株规模培养与药用化合物制备奠定坚实的基础。

除了将工程微藻用作药品开发之外，胡章立及其团队还致力于莱茵衣藻持续光合放氢转基因生物反应器的构建与调控研究，同样收获颇多。

氢气作为世界上最清洁的能源，是唯一能真正做到“零排放”的可再生能源。20世纪40年代，研究者发现绿藻存在光合放氢现象。然而经大量研究發现：因绿藻氢酶受光合放氧的抑制，在自然条件下藻细胞持续光合放氢时间只能维持几秒到几分钟。如何破解绿藻持续光合放氢的瓶颈，科学家们一直在探索。

2000年，研究人员发现莱茵衣藻在缺硫环境下能够持续放氢70小时以上。那么，这是一条可行的绿藻光合制氢产业应用的道路吗？怀抱将绿藻光合制氢推向产业应用的愿望，胡章立开启了寻找新突破的艰难旅程。他带领课题组先后对莱茵衣藻缺硫胁迫的小RNA组学、转录组学和蛋白组学进行了深入系统的研究，发现一些microRNAs（如miR1166.1等）能参与莱茵衣藻光合系统Ⅱ活性的调控，并进一步研究发现，这些miRNAs调控的靶基因（OEE2、D1等）均为PSII复合体的组成蛋白。由此，他们提出了一个大胆的设想：能否通过诱导microRNAs的表达来替代缺硫培养，从而使绿藻细胞能够持续放氢？这意味着：他们将走一条前无古人的创新之路。

心中有光，便不惧道阻且长。胡章立带领课题组排除万难，从细微处着手，他们惊奇地发现：间断诱导miRNAs高表达会导致OEE2的表达水平间断下调，从而使藻细胞持续光合放氢时间达到72小时以上。这一新发现最终将他们的设想落在了实处。

紧接着，在莱茵衣藻细胞内源性miRNAs中哪些能够用于转基因生物反应器的构建？如何诱导调控内源miRNAs或人工miRNAs在莱茵衣藻细胞中的间断表达？间断诱导miRNAs表达的环境条件、强度与时间等参数怎么控制？与缺硫放氢相比较，构建的莱茵衣藻转基因生物反应器的产氢效率如何……伴随着一连串问题被逐一攻破，胡章立及其团队终于发现解决绿藻细胞不能连续放氢重大基础问题的新途径，这将会大大促进绿藻光合制氢技术的产业化应用。

宝剑锋从磨砺出，20多年来，胡章立带领的研究小组早已不记得度过了多少个不眠之夜，也早已数不清做了多少次的实验。“创新之路本艰险，有梦想就有动力”，怀抱科研用到实处的梦想，他们的衣藻“光合细胞工厂”研究之路还会在一路探寻一路收获的跋涉中继续向前延伸。

破解植物及藻类逆境感受密码

藻类及植物在地球上生存了上亿年，其身影遍布地球各个角落。是什么让它们生命力如此顽强？它们对逆境的感受与抗性分子机制是怎样的？如何应对有害藻类水华的泛滥……一连串的问题有待研究者们一一揭晓。

胡章立与植物及藻类的抗逆研究颇有渊源，无论是硕士阶段研究干旱胁迫对玉米生长部位的影响，还是博士阶段研究微藻空间生物学效应，提出杜氏盐藻感受微重力胁迫的机制模型……相关研究为他之后的深入拓展夯实了基础。

植物的生长有赖于环境，为了生存，它们需要应对环境的持续变化，包括不利于植物生长和发育的胁迫环境。据了解，世界上超过6%的土地面积和大约20%的耕地受到盐害威胁且逐年增加。过量的盐分不利于植物的生长发育，会导致农业的损失和植物生态系统的严重恶化。在过去的30多年里，科学家们一直致力于寻找植物盐感受器基因。为了找到这个关键所在，胡章立与20多年前的老同事再次携手，率领团队从寻找植物细胞感知盐胁迫的受体基因出发，解码植物感应盐胁迫信号的分子机制。多年探索，终有所成：2019年7月31日，他们关于植物盐感受器GIPC及其机制的研究成果以长文形式在Nature上发表。值得一提的是，Nature还同期刊发了题为“How plants perceive salt”的评论文章，对研究进行了深度报道。相关研究获得了国内外同行的广泛关注和赞誉。

除了盐胁迫，藻类及植物对重金属等的逆境感受和抗性机制也有待挖掘。胡章立在香港城市大学生物及化学系进行博士后研究期间就在相关方面有了坚实的积累。此后，针对植物对重金属逆境感受，他与本领域国内顶尖团队合作，发现细胞数目调节蛋白（CNR）能够作为金属转运体调控植物体内的重金属转运与累积分布，提高作物籽粒中锌及锰等微量元素含量的同时能够降低镉等重金属累积，为抗性农作物遗传改良提供了理论基础与技术途径；同时他们还发现重金属——镉对小麦的毒性及作用机制。相关研究成果于2019年1月和4月分别在环境生物学顶级刊物Environmental Science & Technology和Journal of Hazardous Materials等刊物上发表。

在藻类及植物抗逆研究领域，凭着扎实的科研实绩，胡章立为自己和团队打开了一扇通往更广阔探索天地的大门。带着探索藻类与植物奥妙的好奇心，他们向更多、更广的领域进军，但不管研究什么，他们都坚持一颗将研究用在实处的初心。

雨生红球藻是生产天然虾青素的重要资源。研究表明：蓝光能够诱导雨生红球藻累积大量的虾青素，但藻細胞的蓝光感受器及机制一直不清楚。胡章立带领团队首次完成了雨生红球藻全基因组分析，发现了两个重要的蓝光受体，并解析了它们调控蓝光诱导藻细胞合成虾青素的机制。同时发现6个bkt基因在虾青素合成代谢途径中的重要作用。相关研究成果发表在Genome Biology and Evolution、Algal Researech等国际期刊上，为相关产业研究提供了重要支撑。

近年来，有害藻类水华已经成为水体治理的重要挑战，严重影响了水体环境、人类健康以及环境可持续发展。胡章立带领团队为解决这一难题展开了深入探索，通过文献调研，他们发现大量研究都集中在藻类水华暴发的机制方面，对藻类水华的快速消亡缺乏关注。在一次实验中，胡章立团队发现添加溶藻菌能够快速让藻类水华消亡。由此提出科学设想：能否从藻菌相互作用的角度探讨有害藻类水华快速消亡的机制，这也许会对藻类水华的快速治理提供新的途径。这一创新性研究思路得到了国家自然科学基金委连续4个项目的支持，研究结果先后在Microbial Ecology、FEMS Microbiology Ecology、Marine Biology等国际学术刊物上发表。与此相关的成果“藻菌对水环境中污染物的去除效应与机制”获2015年广东省自然科学奖，部分研究成果已经得到了实际应用，取得了良好效果。

厚植一方学术沃土

板凳甘坐十年冷，文章不写一句空。埋首科学研究30载，胡章立把科研视作一程又一程永无止境的攀登过程，而在他看来人生每一个阶段的攀登，都会有所收获，不管是成功还是挫折，他都乐于接受，并且把它们转化为下一程的积累和动力。让他感到幸福的是，这一程又一程的科研旅途，他并不是单打独斗，而是有一群志同道合的伙伴同行。

20世纪50年代，DNA双螺旋结构横空出世，一个从分子角度研究生命活动的新纪元由此开启，生命科学进入快速发展阶段。经过半个世纪的快速发展，生命科学在工业、农业、医学、环境保护等各个领域都得到了广泛的应用。新成果、新技术仍不断涌现，学科发展迎来千载难逢的大好机会。千帆竞发，勇者争渡。在新一轮学科发展浪潮即将到来之际，2002年，深圳大学决定组建生命科学学院（2015年改为现名，以下简称“生科院”），年仅37岁的胡章立受命进入首届院领导班子，由此踏上了为生科院发展辛勤付出的漫漫征程。

“当时深大工作和生活条件都很艰苦，实验室非常简陋，教学任务非常重，科研设备条件和学术氛围与老牌院所有较大差距。”胡章立回忆。作为首届院领导班子的核心成员，他下决心改变这种现状。

首届学院班子基于摸底调查和对生命科学学科的认识，敏锐地提出凝练学科方向的发展策略，瞄准分子生物学、生物化学等前沿学科开展研究。自此，初生的生科院快速形成了自己的特色与学术优势，其中，生物学与生物化学学科2017年已经成为ESI全球排名前1%的优势学科。

生命科学研究离不开实验，做实验要借助各种专业设备。但基于当时生科院简陋的设备条件，很多实验都做不了。怎么办？学院选择主动出击，组织科研人员积极申请国家自然科学基金、省市科研项目，通过完成项目实现了学科的快速发展与设备的逐渐积累。值得一提的是，通过科研项目的实践，胡章立也更加明晰了自己的研究方向，项目组织、筹划能力也得到了很大提升，学术积累日益深厚，他也逐渐成长为学术带头人，一支基础扎实、学风严谨、敢于创新的研究团队也逐渐成长了起来。

“学科建设的关键是人才引进与人才培养，有高水平的人才队伍，有科学的管理体系，建设科研平台、申报科研项目及获得科研成果就会是顺理成章的事情。”作为生科院的带头人，胡章立十分重视学科建设的各个关键环节，如今学院师资力量雄厚，已经形成了一支拥有中国科学院院士、美国科学院院士、国家级高层次人才等一批高水平专职及兼职教师的队伍，平台建设和项目推进都取得了很大的发展。现拥有非常先进的生命科学及海洋学科实验仪器，设备总值达1.8亿元左右，建有蛋白质组学、基因组学、结构生物学和分子及细胞生物学等公用技术支撑平台。同时，生科院还与50多家生物领域科技型企业建立起合作研发基地，与多个国内外科研机构建立了良好的合作关系，与国外大学开展“3+1+1”联合培养项目等。内修外补，大大推进了学院的发展。

在人才培养上，经过多年细心体会，费心琢磨，收获了不少卓有成效的特色经验。胡章立提出强化学生创新创业能力的培养和推进实施“赛教融合、以赛促学”的教学改革，创造性地开展多种多样的创新创业人才培养模式，取得了丰硕成果。在他的极力推动下，学院开设了“创新实验班”、“创业实践班”和“海洋菁英班”，组织本科生参加了“挑战杯”全国大学生课外科技作品竞赛，获得包括特等奖、一等奖、二等奖等国家级奖項13项，入选“小平科技创新团队”；组织竞赛团队参加了国际基因工程机器大赛，近5年在该大赛上累计获得4金1铜、3项单项奖及4项单项提名，其中2018年获得本科组全球第三名的好成绩。教学模式的创新大大丰富了学生的课外学习与实践活动，提高了他们的实践能力。

对科研，求真、求实；对学子，促成长、促创新。经过10余载的精心耕耘，生科院在一代又一代生科院师生的共同努力下已经成为学子求学、科研人员成长的沃土。置身其中，胡章立也收获了满满的成就感和价值感，虽然行政工作会占去自己很多的科研时间，但这么多年来他无怨无悔，“行政工作相对来说是一个‘动的过程，而科研则是一个‘静的过程，两者看起来矛盾，但其实也能相辅相成，我能做的就是白天将政务之外零碎的时间化整为零，提高效率，晚上和节假日侧重科研业务。”一静一动，动静相宜，这么多年政务科研两肩挑，胡章立活成了最想要的自己。

凡是过去，皆为序章。30载科研教学生涯，让胡章立领略了生命科学的神奇奥秘，也让他体会到了园丁育人的快乐幸福。即使白霜早已爬上了鬓角，他仍笃定不会放弃。不管是行政还是科研，他都有了新的目标和方向，“我们学院的目标是建设高水平、有特色的学院。在开展原创性科学研究的同时，重点面向地方经济发展需求，开展科学研究、技术开发与创新人才培养”。

2019年12月14日，伴随着以胡章立为首席科学家的国家重点研发计划合成生物学重点专项“药用单细胞真核微藻工程株的设计构建”项目的正式启动，一场新的攻坚战已然展开……