河南大学张立新教授：植物“捕光者”

来源：河南大学、中国科学报

张立新“捕”了30年的“光”，却发觉“越研究反而知道的越少了”，他还要继续“捕”下去。

植物吸收太阳光能、转化二氧化碳、释放氧气，作为自然界最重要、最基本的化学反应过程——光合作用，看似简单平淡，实则深刻复杂。

“解析光合作用分子机制，发掘和解析调控相关的功能基因，从而提高植物的光能高效利用效率，尤其在逆境条件下的效率，培育高光适应强的作物品种，可为提高作物产量提供科技支撑。不过，这个问题仍未完全解决。”从30年前第一次接触光合作用实验开始，张立新便坚守至今。

2019年，张立新履新河南大学生命科学学院院长，他将带领更多优秀年轻人共同追寻“高效光合”的奥秘。

渐入光合世界

光合作用，几乎为所有的生命活动提供有机物、能量和氧气，而人类所需的粮食、能源等也无不与光合作用密切相关。可以说，如果没有植物光合作用，就不可能有人类社会的可持续发展。

大学学习生物化学的张立新，在大三时，被导师带入了植物光合作用的世界。

他告诉《中国科学报》，在导师的指导下，大三时便进入实验室做实验，“一大早到菜市场买十几斤菠菜回来提取光合膜复合物，只不过当时的仪器设备简陋，在暗室里忙活一整天，只为能提取到有活性的复合物。现在，同样的工作，1、2小时就完成了。”

“有意思，非常重要。”窘迫却充满乐趣的“初体验”让张立新对光合作用研究充满了兴趣。

随后，他考入兰州大学生物系植物生理学硕博研究生，后又赴芬兰图尔库大学生物系开展光合作用方向的博士后研究。

2000年，在那个分子生物学刚刚兴起的时代，张立新学成归国，并从生物化学方向渐渐转向遗传学和分子生物学研究，希望为国家科学发展“做点事儿”。

回国的第一站，他来到了位于甘肃兰州的中国科学院寒区旱区环境与工程研究所。西北干旱缺水，环境恶劣，解决植物耐旱问题，提高逆境环境下的适应性成了张立新的主要目标。而这段时间的研究经历，为他之后将光合作用与植物逆境相结合，培育作物抗逆新品种打下了坚实基础。

不过，当时张立新并未想太多，只想着“做研究不能只顾自己的兴趣，还需对接当地需求和区域经济发展，服务地方。”

2003年，张立新调入中国科学院植物研究所工作，他不满足于在一般模式植物上做研究，把目标转向水稻，开始研究水稻高光效分子机理。

谈到又一次调整研究方向时，张立新说，科学研究要与国家需求相契合。那时，我国水稻分子设计育种时代的大门悄然开启，他希望挖掘一批重要高光效关键基因资源，将其运用到水稻高光效遗传育种改良中，从而进一步提高水稻产量和逆境条件下的耐受能力。

为此，除了光合作用基础研究，张立新开始积极与育种专家开展合作，“尽管一开始走过曲折的道路，但我们不断探索改进，这么多年坚持下来，实践表明，我们的思路还是行得通、有效的。”

卅年追光逐原

基于以往研究和实践基础，从2009年始，在国家重点基础研究计划（简称“973”项目）的连续资助下，他作为首席科学家，联合国内8支光合作用领域的优势团队，相继开展“光合作用分子机理及其在农业生产中应用的基础研究”和“光合作用分子机制与作物高光效品种选育”。

2019年是“973”项目收官之年。“十年磨一剑”，张立新很欣慰，“研究队伍越来越壮大，我国光合作用基础和应用研究的国际地位和竞争力得到了大幅提升。”

经过10年的合作攻关，研究团队在光合作用体系光合膜复合物光能高效吸收、传递和转化的机制，叶绿体体系高效利用光能的分子机制，光合碳同化C3、C4关键酶活性调控机理以及光呼吸关键酶的调控机理等方面取得了一系列理论突破成果。

2020年3月12日，河南大学生命科学学院/作物逆境适应与改良国家重点实验室张立新教授课题组及合作者，在光合作用研究领域取得重要进展，在国际上首次提出并阐明了相分离驱动叶绿体内蛋白分选的新机制。

研究团队着力于将光合作用基础研究成果应用到稻麦等主要农作物精准分子育种实践中。与黑龙江省农科院等单位合作，建立了高光效分子育种新模式，选育出系列光能利用效率提高的稻麦新品系。将高光效位点导入到目前的水稻主栽品种中，培育出高光效新品种4份，其光能利用效率提高10%以上，具有高产、米质优、抗逆性强等优良农艺性状。

与此同时，研究团队还育成了花后“源”功能显著改良的高产优质强筋小麦品种郑麦7698并实现大面积生产应用，成为农业部推荐小麦生产主导品种和我国三大小麦推广品种，并荣获2018年国家科技进步二等奖。

项目完成，但作物光合作用中仍有诸多科学问题还不清楚。“对于生命科学，研究的越多，反而知道的越少，因为新的技术手段不断更新，研究和认识也在不断深入。”张立新一如既往地探索、追寻。

2020年3月，张立新团队与合作者再一次取得重要进展，他们在国际上首次提出并阐明了相分离驱动叶绿体内蛋白分选的新机制，这对叶绿体的生物发生、光合器官的建成和功能调节以及真核生物的起源和进化等意义重大。研究成果在《细胞》上发表。

张立新介绍，叶绿体是植物光合作用场所，95%叶绿体蛋白是由核基因编码的，在胞质中合成为前体后，通过叶绿体外被膜和内被膜上的转运通道，蛋白质转入到叶绿体的不同区域才能使叶绿体行使光合功能。

“但是，核编码叶绿体蛋白在跨过叶绿体被膜之后如何被分选，如何穿过拥挤的基质空间并精确地靶定到特异性类囊体膜复合物，我们并不清楚。”早在多年前，张立新就有一种“直觉”，应该存在一种机制将其有效衔接起来。

张立新在水稻田考察

经过不懈钻研，他们在一次实验“失误”中意外出现了相分离液滴现象，并深入揭示相分离液滴的形成作为叶绿体内蛋白分拣的新机制，研究发现了位于叶绿体基质的关键蛋白转运分选因子STT1与STT2形成杂合体，通过液-液相分离机制选择性地将底物穿过叶绿体基质从而靶定到类囊体膜。

从事基础研究30年，张立新带领团队始终追求着真正原创性的工作。在这个过程中，他们“痛并快乐着”，“基础研究非常有挑战性，它考验着我们提出的科学问题是否前瞻、取得的成果是否原创，尽管很艰辛，但很有意义。”

“双一流”更上层楼

2019年1月，张立新受聘为河南大学“杰出人才特区支持计划”第二层次特聘教授，随后正式担任河南大学生命科学学院院长，除了科学研究，他又多了一份责任——建设一流学科、培育人才。

2017年，河南大学以生物学作为唯一优势学科入选“双一流”学科建设高校。张立新表示，“学科下一步如何发展非常关键，特别是在河南这样一个农业大省发展生物学，必须既要面向国际前沿，又要服务区域发展，基础研究与应用基础相结合，将自身特色做到极致，只有这样，才能达到‘中国特色、世界一流’。”

对此，他正谋划未来发展战略，将以现代农学院为抓手，部署分子设计育种、种质资源等相关农业项目，以期推动河南大学生命科学学科迈上新台阶。

作为一名导师，张立新有20年教龄，但他坦承，培育人才不容易。“现在年轻人的压力都很大、自身特质不一，培养方式不能一刀切。”他非常注重与学生沟通，因才利导，有效调动他们的积极性，“兴趣很重要，当学生从‘要我学’转变为‘我要学’时，才能学好。”

张立新团队的师资博士后张云明深有感触，他告诉《中国科学报》，“科研工作中，我有时只想着发一篇论文就行了，但张老师时常提醒我要从科学问题出发，挖掘现象背后的机制，只有越深入才能越沉醉，现在越研究便越喜欢。”

在年轻的特聘教授王利祥眼中，张立新既是一位纯粹的科学家，又是一位善于鼓励的团队领导者，最常说的是“沉下心，踏实干”。“很偶然，我来到了张老师课题组，在我迷茫时，他引导我、鼓励我、支持我，让我觉得我不是一个人浮游于广阔的科学世界，我很感动，也更有干劲了。”

科研之外，张立新热爱简单的生活，热爱运动，为学生购置了各式各样的运动器械，叮嘱他们劳逸结合。他还喜欢在城市里寻觅美食并与朋友分享，谈起街头巷尾的小吃美食，如数家珍。

最近，张立新有点“着急”，由于疫情原因，他不能到校外田间实地考察品种生长状态，“做农业研究的，不下地看看，实在憋得难受。”他计划，等疫情过去了，尽快到黑龙江哈尔滨和河南信阳的品种试验基地走一走。