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走进朱盼实验室——植物开花前的魔法时刻
2025年04月03日
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植物无法移动,发芽的地方,就是这一生。但在这看似被动的旅程中,却处处充满了主动。

开花,就是这样一件小事。

去年冬天,朱盼和实验室小伙伴在西湖畔的茶园里团建,她留意到有些茶树已经开了小花。她很敏感,怀疑是升温导致的过早开花。回去后,检索资料,才知道是这个品种特有的习性。

朱盼所带领的,叫植物开花与适应性实验室。这是一个听起来浪漫的实验室,每次面对鲜花,他们的脑海里,一定会比其他人想得更多。

朱盼在花房 

2017年,朱盼从北京大学邓兴旺实验室朱丹萌课题组博士毕业,旋即前往英国约翰英纳斯中心(John Innes Center)进行博士后研究,这是全球顶尖的植物研究机构。在近7年的博士后研究中,她和合作者一步步解读花语,惊叹于大自然居然是如此设计这场花事。

去年,朱盼回国加入西湖大学。他们的研究,或将帮助人类更好地利用植物开花机制提高农作物的产量。但了解开花也是在了解生命。

身为动物,我们与植物如此不同,它们的世界堪称魔法世界。但又是,身为生命,我们拥有共同的法则。“了解的越多,就越敬畏自然。”朱盼说。

植物开花是一个复杂的过程,本文将聚焦在植物如何自知冷暖,并经历温度周期后“决定”开花。

让我们随着科学研究,重温春之梦。


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魔法世界的封印


很少有人知道,植物开花前,设置了重重机制,防止自己过早开花。特别是对于越冬植物而言,必须经历寒冷,才允许自己绽放。

钱钟书说过,早熟的代价是早衰。大自然深谙此道,但大自然是如何设计这套复杂机制的?

这一切,需要从FLC 说起,是朱盼研究的一个重点。FLCFlowering Locus C),这个基因在植物开花过程中扮演着“刹车”的角色。FLC 表达量高时,植物的开花时间就会推迟;而当FLC 表达量低时,植物则会更早地开花。

这无异于,魔法世界的封印。

如何才能解除封印?答案正是经历低温严寒的考验。这个过程也叫春化,在大自然的词典里,春化的题中之意,正是寒冷。中国人的老话,梅花香自苦寒来。

春化过程前,植物专心在营养生长阶段,如同一个孩子在长身体,为春天做准备。而开花,这已经是生殖生长阶段,所谓的花事,其实是生命进入了延续下一代的准备阶段。

问题是,植物怎么能感受到温度呢?


英国约翰英纳斯中心的试验田











无形的温度计


FLC 有一个上游的激活因子——FRIGIDA蛋白,FRIGIDA蛋白可以激活FLC 发挥作用,这相当于一把启动钥匙,是FLC 想要抑制植物开花的某种“前提条件”。

在朱盼研究之前,学界认为低温会导致FRIGIDA蛋白降解,但朱盼的研究推翻了这个结论。自然比我们想象的更复杂,也更聪明。

经过层层实验研究发现,FRIGIDA 蛋白在低温下没有降解,他们凝聚在了一起,不再靠近FLC,等温度回升,他们又释放出来,继续激活FLC

这就很灵活,可以适应秋冬季节的温度波动变化,想想杭州过山车般的天气吧。而之前学界为什么有不同结论,是因为过量表达FRIGIDA蛋白,会导致低温时FRIGIDA蛋白总量“看起来”比常温时下降了。你看,研究基因功能还得遵循它在植物中的天然状态。

换句话说,面对自然,你得小心翼翼。

植物有着多重机制来感知温度,而目前我们只了解了其中一点点。再比如COOLAIR,它的身世更为传奇,它和FLC 如同“孪生兄弟”。

最早,COOLAIR 是朱盼在英国的导师Caroline Dean发现的,是FLC 位点会产生一种反义转录本。

这个不难理解,因为DNA是双螺旋,碱基两两配对,可以有两种转录方向。COOLAIR 就是FLC “对面”转录出来的长链RNA,而这个RNA也不会进一步翻译成蛋白质,所以叫长链非编码RNA

无需翻译成蛋白质,长链非编码RNA自己就可以“整活”。而且,你知道吗,这种非编码的方式,占据了我们基因中的绝大多数。

朱盼与合作者发现,秋天第一次大降温来临时,COOLAIR 就会高表达,一方面,COOLAIR 高表达,就会降低FLC表达,因为双螺旋在转录时“非此即彼”,往往只能二选一。但另一方面,也更为神奇的是,COOLAIR 转过来会去进一步抑制FLC

经过进一步的实验发现,COOLAIR 可以在不同温度下产生不同构象。在低温条件下,COOLAIR 的结构变得较为松散,这使得它能够更有效地结合到FLC 的DNA 上,从而抑制FLC 的表达。 

本是同根生,相煎何太急。

大自然在设计这段“文本”的时候,让“正义”和“反义”拼合成一段,最终发挥作用的时候,需要两者相互“补充”才能完成。这像极了我们汉语诗词中的互文修辞,“东市买骏马,西市买鞍鞯,南市买辔头,北市买长鞭”,意思是在东南西北市,买了各种东西。

如同诗歌的语言,简洁不简单,诗意又深意。

西湖大学云谷校区的鸢尾 photo by 朱丹阳










植物的身体


加入西湖后,朱盼和团队抓紧建设自己的“花房”。在她的研究计划里,会进一步探索在植物的身体里,如何传递着这些生命的信号。


无法移动,不会说话,没有大脑,但植物是用自己的身体和世界在互动。它们也会“看”,感受光线,并且以光为食物。它们也会“嗅”,察觉气味分子。它们也会“听”,相互传递信号。


它们,也会“想”——比如,决定何时开花。


身为动物,我们可以在时空中移动,但由此也带来更深层的焦虑,有时需要苦苦寻找自己的位置。我们不知道,在植物固守的一生中,是否有过类似的想法。


朱盼在博士后期间,有一个研究最早开始,最晚结束。这个研究,阐释了复杂和简单的微妙关系。


往往,在非编码区的单个核苷酸的差异最后导致性状差别,甚至疾病,专业上称之为,单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism, SNP)


例如,我们知道的头发颜色,部分糖尿病,就是因为SNP造成的。这就好比你用英文写了一篇小说,只是因为改了一个字母,结局大相径庭。


经过长达数年的调查,朱盼和合作者鉴定到了引起FLC 表达水平定量变化的非编码SNP位点。通俗地讲,SNP引起转录起始位点选择的改变,进而引起开花时间的变异。


你可以想象,在植物的身体里,FLC 像是一本交响乐乐谱,一个音符的差异,可以让演奏家决定,从哪里开始演奏它,从而产生完全不同的音乐。更惊奇的是,近年来的研究发现,FLC 不仅仅关乎抑制开花,还关乎到种子萌发、植物抗病等等方面。大自然不是单向街,它有一种反对绝对阐释的本领。


终究,大自然读它千遍也不厌倦,如同阅读春天里的一朵花。


朱盼实验室的拟南芥,是经典的模式植物,被称为植物界的小白鼠



明星植物拟南芥
 彩蛋 

脱口秀专场



在此,不得不感谢模式植物拟南芥
如果拟南芥也会讲脱口秀
有请脱口秀界最绿选手——小南
请他来把故事讲完



谢谢!虽然我绿,但怎么说我也是校草啊(鞠躬)。

今天让我讲讲开花,行,来实验室上班之前,我祖上就是那种你不能采的路边野花。经过1000多万年的世代努力,我家族从亚欧大陆腹地,扩散到了各大洲,除了南极洲没有,和你们人类差不多。


你看,这么卷,适合搞科研。

我个子小,不占地方——帮导师节约经费。开花周期短——帮导师节约时间。你们去研究铁树看看,20年开一次花,你是能等,但tenure——长聘考核——等不了啊。


小时候呢,我妈就经常给我说,小南啊,我们中国草,有句老话,梅花香自苦寒来。我说,麻麻我不是梅花嘛(装可爱)。我妈说,我们有花,小花也是花。我妈没错,后来,我发现梅花香自苦寒来,刻在我的基因里。

有的草,生在罗马,有的草,生来就只能喂给牛马。身为植物,我生来就背负了一个封印——FLC ,你知道的,这就是阻止我过早开花。这一点,很像我妈,学生时代,拼命不让我谈恋爱,等工作了,就急着给我相亲了。

为了解除开花前的“封印”,我如同经历了一个神秘的魔法世界。我听人说过西班牙诗人费德里科·加西亚·洛尔迦说过的一句话:“神秘让我们活下去。”我被这句话深深触动,但我翻遍了他的诗集,没有能找到这句话。

这句话,就像这句话本身一样神秘。

而我,经历了寒冷,经历了抑制FLC 的漫长博弈,经历了何时延续生命的决策,反复确认,小心翼翼,生怕开早一天,也深怕开晚一天,终于,在春日的一个刹那——

我,想开了。


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