北京時間2025年12月3日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心林鴻宣院士團隊與上海交通大學林尤舜研究員團隊、廣州國家實驗室李亦學研究員團隊合作在國際權(quán)威學術(shù)期刊《細胞》（Cell）上發(fā)表題為“A stepwise decoding mechanism for heat sensing in plants connects lipid remodeling to a nuclear signaling cascade”的研究論文。

該成果破解了水稻感知并響應高溫的雙重密碼鎖，揭示了植物中的一個循序激活、協(xié)同串聯(lián)的熱信號感知機制，并通過對該機制的遺傳改良，成功培育出具有梯度耐熱性的水稻新株系，助力耐高溫分子育種，為應對全球變暖導致的糧食減產(chǎn)提供了新的解決方案。

TT2-DGK7-MdPDE1熱信號傳遞網(wǎng)絡。本文圖片均為 中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心 供圖

破解“雙重密碼鎖”：從細胞膜到細胞核的傳訊

當高溫來襲，植物細胞如何“感知”并“響應”？高溫會引發(fā)細胞膜的組分變化，觸發(fā)“膜脂重塑”。然而，這種變化如何被細胞“識別、轉(zhuǎn)換和解讀”，一直是未解之謎。

研究團隊經(jīng)過多年努力，成功鑒定到水稻中兩個關鍵調(diào)控因子——DGK7（二酰甘油激酶）和MdPDE1（磷酸二酯酶）。它們像一套精密協(xié)作的“警報系統(tǒng)” ，將高溫物理信號一步步轉(zhuǎn)化為細胞能夠理解的“生物指令”，完成一場從細胞邊界到細胞核的“傳訊”。該發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)連接了從細胞膜脂質(zhì)重塑到核內(nèi)信號級聯(lián)的完整過程，解決了領域內(nèi)長期存在的難題。

第一重密碼是細胞膜上的“脂質(zhì)密碼”。當“高溫危機”抵達植物細胞的細胞膜時，膜上的“哨兵”DGK7率先被激活，解碼并釋放出啟動第一重信號響應，生成大量名為“磷脂酸（PA）”的脂質(zhì)信使。這一過程完成了信號的首次轉(zhuǎn)換與放大，將外界物理高溫轉(zhuǎn)化為細胞內(nèi)的化學警報。這種警報（DGK7的磷酸化）開啟的同時也掣肘于“監(jiān)軍”G蛋白，其作為強力剎車，確保細胞不會引發(fā)過度警報和響應，以維持整體內(nèi)部的穩(wěn)定與平衡。

第二重則是細胞核內(nèi)的“環(huán)核苷酸密碼”。作為信使的PA進入細胞內(nèi)部，將高溫信號精準傳遞并激活“中層指揮官”MdPDE1，并協(xié)助其順利進入核心司令部（細胞核），MdPDE1通過降解另一種信使分子cAMP（環(huán)核苷酸），維持耐熱基因的表達程序，促使細胞合成熱激蛋白、活性氧清除酶等“耐熱武器”，使細胞從常態(tài)轉(zhuǎn)入“高溫應急狀態(tài)”，抵御高溫脅迫，產(chǎn)生耐熱表型。

DGK7和MdPDE1高溫下保護水稻產(chǎn)量。

從理論到田間：設計“梯度耐熱”新品種

隨著全球氣候變暖，持續(xù)高溫或直接威脅全球糧食安全的根基。高溫會損害作物花粉活力、阻礙授粉與灌漿過程，明顯降低產(chǎn)量和品質(zhì)，這直接削弱了主糧產(chǎn)區(qū)的生產(chǎn)潛能，已成為當下最嚴峻、最直接的糧食安全挑戰(zhàn)之一。因此，挖掘作物中的耐熱基因，解析耐熱機制、培育適應未來氣候的新品種，已成為農(nóng)業(yè)科技領域的迫切任務。

機制的破解為育種提供了精準靶點。研究團隊基于DGK7和MdPDE1開展遺傳設計，在模擬高溫的田間試驗中取得喜人的結(jié)果：單基因改良的水稻株系比對照株系增產(chǎn)50%-60%；而TT2協(xié)同DGK7的雙基因改良株系比對照株系產(chǎn)量提升約一倍，米質(zhì)比對照好，且不影響正常條件下的產(chǎn)量。

在松江水稻試驗田培育出具有梯度耐熱性的水稻新株系。

這意味著，科學家不僅能增強作物的耐熱性，更能像調(diào)節(jié)音量一樣精準設計“梯度耐熱”品種，以適應不同地區(qū)的氣候需求，維持作物在高溫環(huán)境下的產(chǎn)量穩(wěn)定。由于機制的保守性，這項研究為水稻、小麥、玉米等主糧作物的耐熱育種改良提供堅實的理論框架與寶貴的基因資源，為在全球變暖背景下保障糧食安全開辟了新的路徑。