就是想知道十万个植物的为什麽!解开植物生长之谜的骇客兼翻译——蔡宜芳专访

本文由 台湾莱雅L’Oréal Taiwan 为庆祝「台湾杰出女科学家奖」15周年而规划,泛科学企划执行。

2018 年「台湾杰出女科学家奖」杰出奖第十一届杰出奖得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究员蔡宜芳,毕业自台湾大学植物系,在美国卡内基美隆大学(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大学圣地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)进行博士後研究,研究专长为植物分子生物学。主要从事细胞膜蛋白的功能研究,在硝酸盐转运蛋白研究领域有卓越贡献。2021 年蔡宜芳特聘研究员荣获美国国家科学院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果你捡到蔡宜芳掉的手机,可能很难立即知道失主是谁,甚至有点摸不着头绪:因为她手机里超过 80% 的照片,都是植物。为何会选择植物作为研究领域?身为中研院分子生物研究所特聘研究员,在植物分子生物学领域贡献卓着的她却说,这个决定其实「不太科学」,因为起心动念是自己「真的很喜欢植物」。

因为喜欢所以好奇,因为好奇而想要知道更多:许多 love story 都是这样开始的,而研究领域的开展又何尝不是一场超浪漫故事呢?也因为一般人都不够认识植物,听不懂植物的细语呢喃,更需要蔡宜芳这般热爱植物的科学家,担任植物骇客兼翻译,让不辨菽麦者也能偷听花开的声音。

故事,从一株异变的阿拉伯芥开始说起。

分子生物学突破:发现植物吸收硝酸盐的关键蛋白 CHL1

上世纪 50 年代起的「绿色革命」,大幅提升了粮食生产量,喂饱了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可没。它对植物开花结果至关重要,然而植物透过什麽机制摄取氮肥?如何调控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子机制。

氮,是生物存活的重要元素;从推动光合作用的叶绿素、各种代谢反应的酵素,到与遗传相关的核酸中,都有氮的存在。但对植物来说,要取得氮元素却出乎意料地困难;大气的组成中近五分之四为氮气,但是除了藉由少数有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型态有「氨盐」与「硝酸盐」,其中又以硝酸盐为主。

但是,硝酸盐是带电离子,无法自行通过脂质构成的细胞膜,那到底植物如何利用硝酸盐呢?为了解开这个长年来的谜题,蔡宜芳将目光投向一棵无法正常吸收硝酸盐的阿拉伯芥突变株,并利用当时最新发展出来的分子生物技术,试图找到出关键基因。蔡宜芳表示,这个无法正常吸收硝酸盐的突变株,在她约 10 岁时就被荷兰研究者发现,这麽多年来在传统技术底下被研究得相当透彻;却直到她开始进行博士後研究,伴随植物分子生物相关技术发展,才有方法找到关键的转运蛋白。

这样的研究自然充满了挑战,因为新技术还不稳固,就连实验室老板都曾劝她放弃。不愿投降的她,决定一边持续研究氮代谢,一边到其他研究室学细胞膜研究的新技术,1994 年,蔡宜芳从美国回到台湾,持续研究进一步发现, 位在植物细胞膜上的 CHL1 硝酸盐转运蛋白,除了作为硝酸盐的「搬运工」,还有其他异想不到的功能。在你我的印象当中,植物是被动的吸收养分:但其实当土壤中的的硝酸盐变化时,植物会主动改变硝酸盐的运作模式,这就是蔡宜芳团队在 2003 年的重大发现。运作模式的改变正来自於 CHL1 蛋白的磷酸化转换,因此 CHL1 蛋白也具备作为「传令兵」的功能。透过 CHL1,植物便能感应周围的硝酸盐浓度,帮助植物调控基因表现,以便能更有效率地利用硝酸盐。

掌握硝酸盐吸收的调控,在农业领域十分有发展潜力,蔡宜芳的研究进一步转向,对接实际应用,期盼为农业的永续未来提供新解方。除了 CHL1硝酸盐转运蛋白的机制外,她也针对阿拉伯芥如何吸收与输送硝酸盐到不同组织的分子机制展开探索。近期更研究探讨是否能以育种或基因调控的方式,增进植物吸收硝酸盐的效率。由於硝酸盐非常容易在环境中流失,因此多数的氮肥施放到田间後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能减少施肥的浪费,连带减少制造氮肥耗用的能源,也让农作物长得更好。

好消息是,透过基因调控,蔡宜芳团队已经在阿拉伯芥、菸草及水稻上实验成功,并取得相关专利,期待未来将授权给生物科技公司进行下一步。

培养科学研究必备品:好奇心、科学思辩与毅力

蔡宜芳从事研究的初衷是因为对植物的喜爱与好奇心,对她来说和植物有关的十万个为什麽,犹如始终永远拼不完的大型拼图,从小时候就在蔡宜芳的心中占据了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意义),想靠自己解开植物现象背後的秘密。

人们对自己不了解又无法回嘴的植物充满了误解,往往觉得植物跟动物一点也不同,然而在蔡宜芳看来绝非如此,她表示,已经有研究发现,当我们这些动物咬下蔬菜的瞬间,植物里头负责传导的的钙离子就会产生变化。「大家都觉得植物不会动不会叫,但其实植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其实都知道,只是用我们不懂的方式在表达,要靠研究才能一句一句地破解植物的密语。

当然研究也不能自己埋头苦干,交流非常重要。蔡宜芳担任植物学期刊 《Plant Physiology》 编辑多年,但回忆起刚建立独立实验室的阶段,面对那麽多来自审稿人的刁钻问题,当时的自己也难免生气。一旦转换身份成为审稿人,被审的经验也让她更明白审查论文时该注意的重点,一来一往的思辨与答辩,反而让她觉得很好玩。

「我自己有个突破,是因为被质疑的时候很生气,可是不能光气,也要想办法解决。就在生气的时候,想出来的方法,最後变成我们实验室很新的工具。」而她也认为自己在替《Nature》等重要期刊审稿时,认真地给出言之有物的评论,帮她累积了领域内的信誉,才让期刊编辑的位置找到了她。

像投稿审稿这般来回思辨的训练,对科学家的养成非常重要,然而蔡宜芳观察,科学思辨在台湾教育里比较缺乏。她举例,在美国课堂上,老师会要学生先读一篇论文,接下来整堂课则要学生批评论文有什麽问题。「我们在台湾被训练的人,都会把 paper 当作传世经书在读,读懂它就觉得很开心了——要去批评它,我们真的没有习惯。」蔡宜芳坦言那过程对她来说曾经非常痛苦,但会痛就代表该变。

她就此改变了思路:面对知识,蔡宜芳要求自己不仅要读懂,还要有余力批评它,说出对、错在哪里。蔡宜芳认为,科学就是得永远抱持着质疑的态度,在不疑处有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的实验室里面,我也一直在逼学生要去思考」。

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳认为「毅力」也是科学家在科学界持续前进的重要特质。经验告诉她,在科学研究中遇见失败比遇见成功的次数多太多了,革命十次稀松平常,如何二十次甚至三十次之後还能继续往前走?那绝对需要强大的毅力来抗压才行。

说到压力,身为科学界的女性,蔡宜芳认为,自己的成长环境中,性别造成的影响并不大,以她所在的中研院分生所为例,研究人员性别比例很平均。但若深入细究,「无意识偏见」(unconscious bias)仍难以避免。她以自己带过的学生为例,生科领域在大学时期男女比例大约是各半,但随着硕士、博士一路往上,男性的比例逐渐多於女性。因为许多女学生在面临职涯选择的时候,往往会被迫以家庭或是男性伴侣的事业为优先,这种状况回过头来又让部分老师觉得「教育女生有时会是浪费」,成为恶性循环。

荣获过许多科学成就奖项的她,时常是唯一获奖的女性,而就在接受采访不久前,她又获颁一个奖项,直到颁奖当天的照片寄回到所上,「一片黑西装里面,就我穿黄色!」她笑道。所上第五届台湾女科学家杰出奖得主锺邦柱老师看到照片时,也对她苦笑说:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想会有这个东西,做该做的事情。真正不平的时候,不要安静不讲。」尽管环境仍待改变,蔡宜芳建议女科学人自己先跨出一步,就如同她自己一路走来的态度。

一株莫名异变的阿拉伯芥,遇上一位不放弃的科学家兼植物迷,造就了改变农业、甚至是整体生态未来的契机。如果你的手机也跟蔡宜芳一样,装的几乎全是自己感兴趣、想研究的东西的照片,请别质疑自己是不是怪怪的,或许你也将靠着研究,改变世界,这是我能想到最浪漫的事了。

台湾杰出女科学家奖迈入第 15 年,台湾莱雅鼓励女性追求科学梦想,让科学领域能两性均衡参与和贡献。想成为科学家吗?你绝对可以!杰出学姊们在这里跟你说:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

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