探索神奇的生物世界——记合肥工业大学生物科学系教授曹树青

本刊记者　宋 洁

探索神奇的生物世界
——记合肥工业大学生物科学系教授曹树青

本刊记者宋 洁

专家简介：

曹树青，2001年7月获南京农业大学博士学位。2001年8月至2003年7月在复旦大学生命科学学院从事博士后研究。2011年9月至12月在美国普渡大学从事访学研究。现任合肥工业大学生物与食品工程学院生物科学系主任、教授、博士生导师。先后主持包括国家自然科学基金面上项目、国家重大科技专项子课题等在内的国家级和省部级以及企业委托等课题20余项，指导国家大学生创新性实验计划项目2项和校级大学生创新项目7项，主持校级精品课程及研究生教改项目各1项，参与省部级教改项目3项。

作为课题组的负责人，曹树青在本领域研究较深。他先后在国内外权威和核心刊物上发表学术论文80余篇，其中在国际知名学术期刊New Phytologist、 Nature Communications、Planta、PLOS ONE、Molecular Genetics and Genomics、Pant and Soil、Plant Physiology and Biochemistry、Physiologia Plantarum等上发表SCI收录的论文30余篇。除了这些重要论文，曹树青还获授权或申请国家发明专利14项，参与撰写“973”专著1部。

土壤重金属污染是全球面临的重要环境问题之一，因为土壤污染的重金属可通过农作物而进入食物，严重影响食品安全和人类健康。为解决这一问题，科学家采取了很多措施，植物修复基因工程便是解决土壤重金属污染的重要途径之一。

其原理是利用绿色植物来转移、容纳或转化污染物使其对环境无害。研究表明，通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用，可以净化土壤或水体中的污染物，达到净化环境的目的。而在其中，植物修复的对象是重金属、有机物或放射性元素污染的土壤及水体。因而，植物修复基因工程是一种很有潜力、正在发展的清除环境污染的绿色技术。

经过长年不懈的努力，合肥工业大学生物与食品工程学院生物科学系主任、曹树青教授，带领科研团队首次揭示了植物响应重金属镉胁迫信号转导的分子调控机制，为土壤重金属污染植物修复基因工程提供了新的技术途径和基因资源。2014年10月20日，这一成果在线发表在国际植物学知名学术期刊《新植物学家》上，并获得第十三届全国农业生物化学与分子生物学学术研讨会优秀论文奖。

从源头保障农产品安全

寻找和发掘耐受重金属毒害且调控重金属超量积累的关键基因并阐明其作用机理却不容易，但这却是植物修复基因工程获得成功并从源头上控制农产品食品安全的关键所在。

我国有近20%的耕地存在镉、砷、汞、铅、镍、铜等重金属超标，而土壤中重金属可通过农作物吸收进入食物链，严重影响食品安全并危及人类健康。曹树青介绍说，通过物理和化学手段治理土壤重金属污染非常困难，也容易造成二次污染。

曹树青课题组的此次研究正是瞄准于此，主要通过正向和反向遗传学途径，筛选和克隆涉及植物重金属超量积累（或降低重金属吸收）的关键基因，并阐明其作用机理。该研究不仅有助于揭示植物耐受重金属毒害的分子机理，而且可以为从源头上控制农产品安全提供新的技术途径。

在得到了转基因重大专项以及国家自然科学基金等项目资助下，曹树青课题组利用正向遗传学途径筛选和鉴定了一个拟南芥耐镉突变体xcd1-D，并克隆了其相应的基因MAN3，该基因编码一个1，4-糖苷水解酶。过量表达MAN3基因导致镉的耐受和积累，而MAN3基因功能缺失则该突变体表现出对镉敏感。镉胁迫诱导MAN3基因表达、增加甘露聚糖水解酶活性及甘露糖水平，从而激活谷胱甘肽依赖的植物螯合素合成途径上的相关基因协调表达，进而增加植物对镉积累和耐受。大量实验表明，过量表达MAN3基因的拟南芥植株，在重金属镉污染的土壤中仍然保持正常生长状态。

随着研究的不断深入，他们发现了MAN3及其介导的甘露糖的新功能，首次揭示了其在植物响应重金属镉胁迫过程中新的信号转导通路，这为土壤重金属污染植物修复基因工程提供了新的技术途径和基因资源。成果自从在线发表在国际植物学知名学术期刊《新植物学家》后，获得了业界广泛瞩目。

科研活动是一个连贯的对自然、社会规律的探索过程，因而一项科研需要坚持以保证其延续性。曹树青表示，下一步，他打算深入挖掘植物响应重金属镉信号转导的分子调控机制，对植物响应其他重金属包括砷及铅等的分子调控机制进一步研究，争取将已获得的研究成果产业化。

拓展科研的广度

创新路上，中国科技正不断向各种高度、深度和广度延伸。“精度”既是科技创新的目标，也是丈量科技创新质量的标尺，“广度”则涵盖了科学研究领域的方方面面。严格意义上，曹树青的视野在生物科学，除了从事植物修复基因工程、植物抗逆分子生物学及食品生物技术等方面研究，他的科研视野也落在利用正向和反向遗传学途径上，他筛选鉴定多个与非生物胁迫相关的功能基因，初步阐明这些基因参与非生物胁迫响应调节的可能机理。

为什么会选择这方面的研究？缘于他对粮食安全的担忧。粮食安全是国家安全的物资基础，始终是关系到国计民生和国家安危的重要问题。在他看来，如何增强作物品种的抗逆性，还依然是目前我国农业生产上亟待解决的关键问题之一。在解决这个问题方面，利用转基因育种提高作物的耐寒和抗旱能力无疑具有重要的理论与经济意义。这项工作的关键在于对植物抗逆分子机理的认识及关键基因的发掘。

通过长期的钻研，曹树青探索出了一条比较有效的科研方法。他以模式植物拟南芥为材料，通过正向和反向遗传学途径，利用现代分子生物学技术和基因工程手段，筛选和克隆抗逆关键基因，阐明其功能，并用于作物抗逆分子遗传改良。这一研究可获得具有自主知识产权的新基因，不仅可以为作物抗逆遗传改良提供新的基因资源，而且对于揭示植物抗逆分子机理具有重要的理论意义。

科研育人，并行不悖

曹树青是一个忙碌的人，平时除了做科研，还在合肥工业大学作为教授、博士生导师带学生。在他的指导下，先后培养硕士和博士生30余人，一些学生已先后在国内外知名大学从事博士后研究和攻读博士学位。他指导过的优秀学生和研究团队更是不计其数。

除此，他还承担了多项兼职：担任国家科学技术奖评审专家、国家自然科学基金委员会同行评议专家、教育部科技奖评审专家、教育部博士点及霍英东青年教师基金评审专家、《环境科学与技术》编委、《合肥工业大学学报》（自然科学版）编委、安徽省食品安全标准委员会委及合肥工业大学学术委员会委员等。

科研领域的探索是一条新奇与艰辛交织的道路。20多年来，他关注过水稻叶片衰老的机理及其与光合功能衰退的关系、水稻超高产的生理遗传基础、水稻高光效生理育种研究、植物修复基因工程、植物抗逆关键基因克隆及其在农业上应用、水稻功能基因安全利用与技术平台研究，也曾带领团队克隆和发掘了多个新的涉及重金属信号转导的功能基因。如今，这些领域已取得一些重要进展，但曹树青的科研，正沿着深度、广度两条路径，不断深入，而他的梦想——“为最终实现产业化利用提供新的技术途径和基因资源”，也在步步实现。科