原标题：6年科研长跑，中国学者破解120年难题

中国科学报记者 田瑞颖 实习生 沈秋月

9月22日，中国学者在线发表于《细胞》的一项研究成果，破解了一个跨世纪的科学难题。10月26日，这项成果正式见刊。

植物如何感受重力？20世纪初，“淀粉-平衡石”假说是最经典的植物重力感受理论。但该假说的分子机制是什么，始终是个谜。

清华大学生命科学学院研究员陈浩东团队的研究为这个教科书上的假说提供了分子解释，揭示了植物感受重力的分子机制。

有趣的是，几乎在同时期，《科学》也发表了一篇有类似结论的研究。这两个不同的团队还曾开展了一场刺激的“竞赛”。

解析百年假说

一粒种子在泥土中萌发后，如果不尽快纵向生长、破土而出，而是横向生长，很可能还没等到进行光合作用，营养就消耗殆尽，走向夭折。

那么，植物究竟是如何感受重力方向的？

1880年，进化论奠基人查尔斯·达尔文在《植物的运动》中指出，种子植物根部感受重力方向的区域在根尖。20世纪初，Bohumil Nemec、Gottlieb Haberlandt和Francis Darwin等提出了“淀粉-平衡石”假说。这一假说作为最经典的植物重力感受理论，被写进了教科书。

但是，该假说只阐述了淀粉体沉降的物理过程，而该过程是如何转变为植物体内的生理生化信号，从而使植物感受重力的，却是120年来的“未解之谜”。

揭开植物重力感受分子机制的“面纱”，是陈浩东近年来一直在做的事。

2016年10月，《自然-植物》报道的一项研究显示，多个LAZY基因突变后，拟南芥根的向重力性从向下变为向上。

彼时，陈浩东团队恰好在研究苔藓中的突变体，而这些突变苔藓原丝体的生长方向也与野生型苔藓原丝体的生长方向呈现上下颠倒。

表型上的类似让陈浩东对LAZY家族基因产生了浓厚兴趣。他想知道，这些基因与他在苔藓中研究的基因是否有功能上的联系？这些因子调控植物向重力性的奥秘到底是什么？

陈浩东（左）指导学生做实验。受访者供图

为此，他们先用基因编辑技术使拟南芥同一生态型背景中的LAZY2、LAZY3、LAZY4基因同时发生了突变，发现突变体的根尖随机向各个方向生长。

在遗传回补实验中，他们再将这3个基因分别表达在突变体中，发现根尖均可以恢复至向下生长。

通过进一步观察，陈浩东团队发现，这3个LAZY蛋白主要定位在拟南芥根尖柱细胞的细胞膜和淀粉体膜上，LAZY蛋白可与细胞膜上的磷脂直接结合。

他们进行了一系列实验后发现，植物偏离重力方向后，淀粉体沉降可帮助LAZY蛋白在柱细胞膜上形成沿重力方向的新极性，进而调控植物的向重力性。

至此，“淀粉-平衡石”假说的分子机制之谜已被初步揭开。但陈浩东并不满足，又以LAZY4为代表开展了生化机制的研究。

他们惊喜地发现，植物偏离重力方向后，LAZY4蛋白的磷酸化水平快速提高，淀粉体表面的TOC蛋白正是通过与磷酸化LAZY4蛋白互作，调控其在柱细胞中的极性分布，进而调控植物的向重力性。

正是向前多走的这一步，让陈浩东团队的工作比前述发表于《科学》的日本国立基础生物学研究所Miyo Terao Morita团队的工作，在机制上有了更深入的发现。

作为最早在水稻中克隆LAZY1基因的学者之一，山东农业大学教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员王永红在《植物学报》上发表热点评述，称这项工作为“突破性研究成果”“植物重力感应领域具有里程碑意义的工作”。

中国科学院植物研究所研究员乐捷在《科学通报》上发表亮点述评，称该工作是“重力感受中力学到生物学偶联机制的重大突破”“堪称教科书级别的重大进展”。

“马拉松”最后的“冲刺”

这是一段6年多的科研“马拉松”，在近终点时，陈浩东团队开启了“百米大冲刺”。

4月4日，他们将这项研究发给了《细胞》编辑预审。刚舒一口气，没想到两天后竟在预印本网站BioRxiv上看到一项有类似结论的工作，由Miyo Terao Morita团队于4月2日上传，根据论文格式推断，很可能是投了《科学》。

瞬间，他们紧张起来——投稿工作要加快了……

4月8日，陈浩东正式将论文投至《细胞》，继而上传至BioRxiv。互知彼此存在的两个团队，都铆足了劲头。

8月10日，国外团队的研究在线发表于《科学》。论文显示其投稿日期为4月11日，正是陈浩东团队提交论文后的第3天。

此时，陈浩东团队也已提交了根据审稿意见修改后的论文，3位审稿人的意见都很积极。

8月31日，陈浩东等到了《细胞》的预接收邮件。9月22日，这项开展了6年多的研究终于在线发表，10月26日正式见刊。

两个团队虽然都在解析“淀粉-平衡石”假说的分子机制，但陈浩东团队额外提供了关键重力信号因子LAZY蛋白在磷酸化后，通过与淀粉体表面TOC蛋白相互作用定位到淀粉体上的生化、细胞和遗传方面的数据，这也让机制更为清晰和全面。

陈浩东告诉《中国科学报》，虽然双方有过“竞速”，“但这说明国际上的学者对这一百年假说有共同的兴趣，而这两项完全独立的研究得到类似的结论，也起到了相互验证的作用”。

“兴趣可抵岁月漫长”

这一漫长的科研征程，也是忠实于兴趣的旅途。

在北京大学生命科学学院读博士时，陈浩东便跟随著名生物学家邓兴旺研究光信号对植物生长的调控作用，并随其前往北京生命科学研究所、美国耶鲁大学开展相关研究。

那时，他就留意到植物在特定光环境下会偏离重力方向生长。博士毕业后，陈浩东继续在北京大学做博士后，并在出站后成为该校副研究员。

2014年，在一场国际苔藓会议上，著名苔藓学家David Cove展示了早年筛选到的苔藓突变体，原丝体的向重力性方向变反，但突变基因未知，还现场询问是否有年轻人愿意接手。

本就对植物感受重力问题好奇的陈浩东在会后向David Cove表达了自己的兴趣，并在不久后收到了对方寄来的材料。

陈浩东将自己希望做植物向重力性研究的想法告诉了邓兴旺。对于这项偏离实验室核心方向的研究，邓兴旺非常支持并鼓励他追随兴趣，大胆开启这一新的研究方向。

2020年，陈浩东在前往清华大学生命科学学院组建独立课题组时，带来的不仅有对LAZY等重力信号因子的继续探索，还有对学生兴趣支持和包容的精神传统。

这个由19人组成的作者团队，绝大多数是陈浩东在北大和清华的课题组成员，他们在漫长征程中的不同阶段均作出了重要贡献。尤其在新冠疫情期间，他们既是前锋，又是替补，每当遇到难题时，集体的智慧总能贡献更好的方法。

“邓兴旺教授和美国新泽西州立罗格斯大学董娟教授对研究也有重要贡献。除了所有作者，研究的成功还离不开其他老师的建议，以及清华和北大公共平台工作人员的支持。”陈浩东说。

这条发现之路是漫长的，也是不易的，但在陈浩东看来，“兴趣可抵岁月漫长”。