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1、让藻类植物为民所用作者：张静怡来源：科学中国人下旬刊2020年第06期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
2、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沒办法停 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，
3、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
4、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
5、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C02和H20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
6、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
7、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。然而经大量研究发现：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
8、 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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、。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，但藻细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
14、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
15、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
16、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世紀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。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
