大家好，我是张道远，来自新疆生态与地理研究所。今天我要跟大家一起探寻“复活植物”的基因密码，看一下沙漠里的植物在没有水的情况下是怎么适应环境的。
说起来，我和沙漠植物也有20多年的情缘了。比如像上图，这是塔克拉玛干沙漠边缘的一棵胡杨，它在没有水的情况下，靠着“扎深根”来吸收水分，非常顽强，我脑海中的沙漠植物就是这样的。直到有一天，我一位师兄拿着一块黑乎乎的东西，特别激动地跟我说，你别眨眼，我给你变个魔术。然后就变了这样一个魔术：像上图一样黑乎乎的一块东西，给它一滴水，它就变绿了。
我们再来近处看一下，仔细看一下时间的变化，2到3秒，它的叶片就完全地张开了。当然这是假叶，苔藓植物没有真的叶片。这种苔藓是齿肋赤藓，叫做复苏植物，也叫变水植物。它根据外界环境的水分的多少来调节体内的水分，响应地特别快。看到这个过程，就让我想起来刘慈欣写的《三体》。三体人在没水的时候，完全是一个纸片人，有水立马就复苏了，我觉得刘慈欣是很懂科学的。
那这样的植物，它生活在怎样的环境？
它体内到底有怎样的神奇基因？为了回答这些问题，我找到了它的家——新疆古尔班通古特沙漠。齿肋赤藓不是独个生长的，而是成片、成簇生长的，它像地毯一样覆盖在沙漠上面。这种现象叫生物土壤结皮。其实上图是古尔班通古特沙漠一个沙丘的丘底部，沙丘的顶部依旧是流动的沙丘。我们会觉得这看起来不像在沙漠，就是因为生物土壤结皮很好地覆盖住了沙漠。实际上，这个地方是我们国家最大的固定和半固定的沙漠。
我们放大了再看，这样的一块生物结皮拿在手里也就是二三十毫米，像地毯的厚度。上面一个一个的苔藓就是我们要研究的材料——齿肋赤藓。实际上齿肋赤藓只有2-8毫米，特别小，我们叫它“干而不死、死而复生”的植物。所谓“干而不死”，是指它在沙漠里可以长久耐干旱，我们看着它像死了，但它没有死，只是在一种休眠的状态。而“死而复生”，指的就是上面那样给它一滴水立马就复苏的过程。
怎样能够把它耐干的特性加以应用？这种耐干特性是怎么样的一种适应的过程。后来我们经过了很多研究发现这种材料具有极端耐失水的功能。这样的植物当然会引起我们的兴趣。比如说上图是在森林里经常会看到的苔藓，它比较耐湿，失水40%的时候就死亡了。大多数农作物，比如水稻、小麦等，失水到30%以上就死亡了，并且不能再复活。
但是看一下齿肋赤藓，当失水98%的时候一样存活得特别好。并且给它一滴水马上就复苏了。这种耐干是自然界抗旱的一种极端形式。那么，我们能不能利用它“干而不死、死而复生”的特性，尤其是它的一些基因资源，来培育一些智慧型的农作物呢？大家可以想象，当干燥、没水的时候，农作物集体休眠；但有水的时候，就能快速地光合作用。这种农作物有多酷呀。
为此我就在想，我们做一做它的基因吧。
在做基因研究的时候，只用野外的材料是不够的，因为野外的材料具有丰富的多样性。就像一母生九子，九子各不同。而我们在实验室内做遗传多样性研究的时候，必须要求纯系的、单克隆的、遗传背景完全一致的材料。所以，首先要攻克的难关就是要建立齿肋赤藓的组织培养体系，以便快速获得大量的纯系的材料。这有什么难呢？因为齿肋赤藓太小了，而且长期生活在野外的荒漠里，所以这种材料的“驯化”是很有难度的。
经过过去10多年的努力，我们成功建立了组织培养体系，这样就可以在很短的时间内获得大量纯系材料。接下来，我们就准备挖掘一些“干而不死”的基因。上图这位漂亮的小姐姐并不是我们请的模特，而是我们课题组的成员。她叫李小双，跟着我做硕士、做博士，现在也是我们团队的年轻科学家。
在过去的十几年里，她和我们其他的同学一起对齿肋赤藓开展了基因组、转录组、蛋白组等一系列的测序分析和网络构建分析，最后靶定到了60多个有潜在价值的基因资源。
接下来，我们就要对这些基因进行功能验证。在验证过程中，我们又遇到了新的难题：国际上没有成熟的齿肋赤藓遗传操作的平台。因为这样的一个材料，在它体内来原位进行基因功能的验证是很困难的，基本上是不能实现的。
所以我们要做遗传操作，在它自己的体内验证基因的功能。功能验证有两种方法：首先可以给它过表达，如果它对应的性状加强了，说明这个基因很强；还有一个策略就是可以把这个基因敲除掉，让它不发挥效应，这样我们也能反向证明这个基因的功能。
为此我们又进行了十多年的联合攻关，目前已经建立了世界上首套针对耐干植物的遗传操作平台。在此基础之上，我们又建立了一个抗逆基因功能快速筛选的平台，挖掘出系列的相关基因。在这里给大家介绍两类我们发现的基因。第一类是ScALDH21基因，这个基因是属于“只有我有，别人都没有”的基因，也就是说只有苔藓有，到了高等植物这个基因就丢失了。
大家看，我们在烟草里给它过表达的时候，野生型的烟草受到胁迫，它的叶片已经开始萎蔫了。可转了我们这个基因的烟草叶片很大、很健康。并且这种烟草还很耐盐。同时我们还发现，它不但能抗旱、耐盐碱，还有促生的作用。我们做了很多的基因，大多数在过表达的情况下都会造成损失，比如说植株变得很矮小等。但是ScALDH21这个基因具有促生的作用，同时它还有抗病的功能。显现这个基因是比较好的备选基因。
另外还有一类基因是所有的植物都有，但是“人有我优”，比如说A-5类的DREB的基因资源。这个基因大家都有，但我们证明了来自齿肋赤藓在面对旱、盐、热这些非生物胁迫时，它都有增强的抗性。并且我们也在棉花的体系内进行了验证，可以看到，转基因的棉花在抗性增强的同时，生物量也是增大的，比别的棉花要高一些。
所以，这样两种基因的抗逆功能都在实验室内得到验证，尤其是对棉花。中国棉花看新疆，全国90%以上的棉花都来自新疆。那在大田里是不是也能显现出这种抗性的提高呢？为此，我们又在新疆的北疆和南疆不同的地方、不同的生态环境下，开展了转基因棉花的试验工作。在此我要强调一下，我们所有的研究都是在规范的范围之内，在有转基因资质证书的土地上进行的，目前没有释放也没有应用，还仅限于研究。
我们发现，在大田里它一样表现得很好。相比于非转基因的棉花，转基因棉花长得高、长得壮。另外我们也监测了它的产量情况。它在正常浇水的情况下可以增产10%左右，在干旱年份增产的就更多了。这张图显示的是我们有一年在大田研究棉花时，野外台站的站长给我打电话说：“张老师，你们这是个什么基因呀，特别神奇。抗逆性强也就算了，今年大田黄萎病爆发，别的棉花都不再结铃了，但我们这个转基因棉花长得非常壮实，结铃率也很高。
”我们赶紧赶到大田里拍下了这样的一张照片，的确让人很欣喜。
在抗逆的同时，它居然还有抗黄萎病的功能，而黄萎病是棉花一直攻而不破的癌症，这为未来的棉花育种提供了很好的基因良方。在过去20年，我们团队主要集中在苔藓植物“干而不死”的特性。经历了上千次的失败，目前终于找到了些比较有潜力的、增加抗性、并且不影响它生长的抗逆基因资源。但事实上，我们依旧有好多东西没有解析清楚。
比如我们基本上关注的是“干而不死”的过程。现在大家再仔细看一下它的“死而复生”。这么快速的恢复过程，它有很多的秘密在里面，到现在我们都还在研究。
这个材料快速的、秒级的响应过程，跟我们生物学里平常的转录、翻译这种调控过程的速度是不匹配的，这个开关到底是什么？近5年有一个新的发展，叫蛋白质相分离过程。大家可以在上图看到蛋白质的聚合和解聚过程，聚合了以后它就会发布一些新的指令，让一系列下游的基因或者蛋白发挥作用。那么在齿肋赤藓里到底有没有这样的开关，到底是什么样的蛋白质在发挥开关的作用？我们现在还在研究。
接下来就是细胞的快速变化过程：从完全干燥到完全舒展开，细胞壁有一个特别快的超弹性的变化。这种从细胞壁到细胞骨架的超弹性变化是很有意义的，它到底怎样进行快速响应是很有趣的科学问题。另外，它也有非常大的仿生学的意义。我们或许能通过这个材料找到特别抗压的或者特别能变形的材料，来用在日后的生活当中。
还有一点实际上是最值得研究的，就是我们看到这个材料在秒级水平上就变绿了。变绿象征着光合作用的开始。它怎么能那么快地启动？怎么能这么高效？其实所有从事农业生产的人，从农民到科学家，我们都有一个孜孜以求的目标：就是让光合作用更高效。那齿肋赤藓这个材料里一定有特殊的光合过程，这就能给未来光合的研究提供启示，并有可能用到普通农作物上，提高农作物的光合效率，这是非常有前景的工作。
我们在研究的过程中也发现，齿肋赤藓它不但耐干、抗病，同时还特别的抗冷。像北京最冷可能也就－20℃，自然界中有可能会到－40℃，而我们把这个材料放在人工所创造的液氮的环境也就是－196℃的时候，放置一天拿出来，它一样可以慢慢地复苏。另外它长期生活在沙漠里，特别地抗紫外辐射。那么我们的苔藓有这么多的抗性，大家可以想象，它还能生活在哪，是不是可能成为地外星球的第一个定居者呢？
地外星球比如月球、火星，它们是一个极端低温或者极端变化的环境，而且没有气，没有水分。但我们能把这个环境稍加改造，可能我们的苔藓就能生存。这和它几亿年前最早从海洋走向陆地是一样的。如果当我们的航天员降落在月球上或者火星上的时候，有绿色的苔藓遍布的话，他们也就不会那么孤独了，就会体会到希望了。当然，这张图片是我们合成的，现在到了月球也好，火星也好，都是黑黢黢的一片、没有生命的。
所以这是一个非常雄心勃勃的、也特别有希望的研究方向。感兴趣的朋友们尤其是小朋友们，我们未来可以一起做这个事情，这是非常值得期待的。
除了耐干的植物，我想给大家再多介绍一些荒漠植物。我们研究所有一个吐鲁番沙漠植物园。吐鲁番就已经很神奇了，极端高温又是火洲，那沙漠也很神奇。吐鲁番加沙漠，大家可以想象一下是怎么样的一个场景。这个植物园已经建了50年了，我们在这个植物园中收集了500多种的荒漠植物。
并且大家可以看到，这些荒漠植物非常漂亮，非常有生机。所以这个植物园也是荒漠植物的“诺亚方舟”，希望大家都能来看看它，荒漠植物在等你们！谢谢大家！