张立新的照片 张立新:我的科学人生

时值“百人计划”实施20周年,我从九九年入选“百人计划”,以此为起点回国开展工作已整整十四年。在这里,对自己选择光合作用学科,在国内外从事光合作用分子机理研究的科研经历做一回顾,感谢“百人计划”给我提供的机遇与平台。 

选择光合步入科研 

光合作用是植物利用太阳能将二氧化碳和水等合成有机物并放出氧气的过程,它为地球上几乎所有的生命活动提供了有机物、能量和氧气。诺贝尔奖委员会在1988年获奖的评语中称“光合作用是地球上最重要的化学反应”。虽然从书本中很早就了解光合作用的基本概念,然而我逐步接触并开始探究光合作用这一独特的学科,是从博士研究生学习开始:在查阅文献的过程中得知在20世纪五六十年代就掀起光合作用反应机理、结构与功能的探索高潮;此后几十年中, 随着对光合作用的基本过程的整体认识,许多学科的科学家都着手努力研究光合作用反应的分子机理和结构功能。

我逐渐被这个研究方向所吸引,结合当时课题组的研究方向,决定将博士研究论文选题定为‘光系统II钙结合和钙定位的分子机理研究’,99年这个工作有幸获选为‘首届全国百篇优秀博士学位论文’,通过博士阶段的科研学习,使我萌生了继续从事光合作用研究的想法。 

由于光合作用研究意义的重要性和调控机制的复杂性,世界发达国家都有实力强劲的实验室在大力研讨其反应的关键热点问题,当时很多工作相对国内研究已深入到分子水平, 并取得了较大的进展。其中,芬兰Eva-Mari Aro教授的实验室是国际上最有影响力的实验团队之一,她在光系统II核心蛋白以及光抑制修复方面的研究建树很丰厚,这和我博士期间的工作联系比较大,也非常吻合我的目标方向。

我决定在在芬兰图尔库大学生物系从事博士后研究工作,开始系统深入研究光合作用重要的超级复合物,特别是叶绿体基因编码蛋白的组装研究。

工作进行的辛苦但还顺利,经过两年多的努力,终于在国际上首次直接证明了光系统修复过程中,光系统II反应中心D1蛋白在其翻译的同时组装成光系统II复合物,解决了D1蛋白组装是否与翻译同步的争论;进一步的研究发现D1蛋白的翻译,类囊体膜插入和组装成光系统II等过程紧密相关、相互影响,并受叶绿体基质的氧化还原状态的调节。

博士后阶段的工作收获很丰富,我应邀参加第四届Nordic光合作用会议和第九届斯堪的纳维亚植物生理学会年会,并作了大会报告。除了在图尔库大学外,也先后分别在瑞典斯得哥尔摩大学生物化学系和美国佛罗里达大学园艺和植物分子生物学系进行合作研究,这些经历一方面丰富了我的经验,另一方面也使我对国外的科研平台有了基本认识。 

“百人计划”回国机遇 

时间过的很快,博士后工作临近尾声,下一步的选择什么样的工作环境能够继续我的研究方向?九九年,国内科研环境已经有了很大的改变,当时“百人计划”已经实施了五年,中国科学院对回国青年人才的支持已经有一定影响。

相比留在国外从事研究的自由度,能够回国得到资助支持,按照自己的设想建立研究平台,无疑是开展工作的最好机遇。经过认真准备申请、答辩,九九年底,我同其他58名海外科研工作者作为中国科学院引进人才入选“百人”。 

二OOO年七月,我回国开始在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所工作。从头开始组建实验室不同于单纯的做课题研究,虽然国外的科研工作经历提供了大量直观经验,但作为独立的负责人全面管理并开展研究,还是一个巨大的挑战。

很难想象如果没有“百人计划”支撑,是不是能在很短的时间内铺开一个工作局面。相信众多和我一样回国开创工作的人都有同感:“百人计划”为回国之初的科研人员提供了一个适应期,在这个时期全方位的思考了未来工作的关键因素,迅速搭建了实验平台,可以尽快开展工作,为未来研究打下一定基础。 

匡廷云院士对光合研究的激情,以及卢从明主任热情和务实态度深深地打动了我,光合作用研究中心也具备更完善的科研平台,我欣然接受邀请,来到中科院植物所专一开展光合作用分子机理研究。有了前期“百人计划”支持下组建实验室的经验和基础,在匡先生她(他)们的帮助下,工作很快步入正轨:开始基本仪器设备不到位,卢从明研究员全方位开放了他的实验室供我们使用,实验室空间紧张,我们要保障植物材料培养间,匡先生协调让出了办公室;中心实验室的光合研究必需的大型仪器也解决了前期研究面临的关键技术难题。

光合作用的奥妙之处在于可以在常温常压下将水裂解产生电子、质子和氧气,是当今科学和技术还远远不能达到的。一个多世纪来光合作用机理研究一直是自然科学研究的核心问题之一。然而光合作用过程十分复杂,调控机制的精妙远远超出我们的想象。

近三十年光物理、光化学、生物学以及生物物理等学科的发展及交叉研究,诞生了一批与光合作用能量转化以及放氧机理密切相关的研究成果,让人们对光合作用过程有了完整的基本认识;与此同时随着拟南芥、衣藻等模式生物基因组测序完成,以及功能基因组学手段在光合作用研究领域的应用,使得通过基因突变研究关键蛋白对光合作用功能的调控作用成为现实。 

现有的研究条件结合前期我在国外的研究工作,着眼于光合作用的分子机理解析,我们系统地展开研究光合膜复合物生成各个过程的调控机制以及可能参与这些过程的调控蛋白。期待发现参与光合作用动态调节的重要调控基因,揭示其作用机理,并进一步研究各个调控因子的相互作用关系。

我们从六千多个突变体株系中开展了大规模的光合突变体筛选,再通过遗传学、生物化学、分子生物学和波谱学等综合手段开展光合基因功能调控的研究,即使在国外,要经行这样规模的筛选和系统研究也非常不容易。 

步入正轨开展研究 

经过长期的共同努力,前期一步步的基础奠定逐渐有了实质性的成果:我们在国际上率先建立了光合膜复合物组装调控的研究体系;发现了LPA1、 LPA2、LPA3等一批参与光系统II复合物的组装调控的重要调控因子,从分子水平上揭示了组装调控因子在光系统II组装过程中作用机制。

这些系列研究不仅揭示了光系统复合物组装的复杂性,也表了明特异性分子伴侣在复合物组装的重要性;与组装伴侣分子相对应,我们还发现了参与光合功能维持的蛋白特异性降解的蛋白酶Deg1 、Deg5、8、Deg7等,并揭示了它们在光系统II核心蛋白降解和保护光系统II免受光抑制的破坏中非常重要的作用。

由于以上系统性的研究成果,我们的研究工作在国际上引起关注,Nature Review 等著名期刊撰文做了专门介绍。

在研究的过程中,叶绿体和细胞核的互作调控一直是绕不开的问题,经过反复验证,我们发现了叶绿体到细胞核的反向信号转导中的首个关键调控因子PTM,搭建了叶绿体信号传递到细胞核的通道,这个研究发现很快在国际上产生反响。应邀在Annu. Rev. Plant Biol.撰写相关的研究综述。 

“百人计划”的支持使得我的科研工作有了良好的开端,后继在国家自然科学基金、杰出青年基金、科技部973计划的陆续资助下,我和植物所的同事逐渐形成有规模的研究团队,光合作用研究中心也成为中国科学院光生物学重点实验室。

2010年,我们成功在北京举办了“第十五届国际光合作用大会”,这是自1968年起就举办的“国际光合作用大会”首次在中国举办,会后我当选为国际光合协会执行委员。2009年起我作为首席科学家组织团队开展973项目“光合作用分子机理及其在农业生产中应用的基础研究”,在去年的结题验收中被科技部评为优秀。 

目前,国内外光合作用研究已进入了一个新阶段,随着遗传学、分子生物学和功能基因组学迅猛发展,相应研究手段和技术已广泛应用于光合作用机理研究,解析光合作用分子机制,发掘与光合作用调控相关的功能基因和新蛋白,孕育着一系列重大突破,将为提高光能利用效率提供新的途径。

一路走来,是“百人计划”给我提供了最初的科研平台和开展事业的机会。借助这个起点和国内各方面的支持,我们可以去考虑一些对学科发展有意义的问题,培养高水平的研究团队,使得持续性研究成为可能。