關鍵詞：逆境生物|水稻耐熱機制|分子育種|MST

研究背景

全球變暖下的糧食安全挑戰(zhàn)

全球氣候變暖已成為威脅全球糧食安全的核心因素之一，持續(xù)性高溫通過傷害作物花粉活力、抑制授粉抑制授粉過程與阻礙籽粒灌漿，顯著降低產(chǎn)量及品質(zhì)，削弱主糧產(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，解析植物耐熱性的分子機制、挖掘關鍵耐熱基因，對培育適應未來氣候條件的新品種具有重要戰(zhàn)略意義。

植物如何感知高溫信號并啟動適應性應答，是植物逆境生物學領域長期關注的重大科學問題。高溫脅迫會引發(fā)細胞膜組分改變，觸發(fā)“膜脂重塑”過程。然而，這一變化如何被細胞識別、轉(zhuǎn)導并最終解讀為生物學指令，一直是領域內(nèi)長期未解之謎。

研究內(nèi)容

近期，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)威學術期刊《Cell》（IF:42.5）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，系統(tǒng)闡明了從細胞膜脂質(zhì)重塑到核內(nèi)基因表達調(diào)控協(xié)同串聯(lián)的完整熱信號解碼通路，在模擬高溫的田間試驗中實現(xiàn)產(chǎn)量顯著提升，進一步為創(chuàng)制梯度耐熱性的水稻新種質(zhì)提供了寶貴的基因資源，為應對全球氣候變暖帶來的糧食安全挑戰(zhàn)提供了全新的分子解決方案。

在前期發(fā)現(xiàn)耐熱負調(diào)控因子TT2（

Nature Plants, 2022

為解析PA信號的后續(xù)傳遞機制，研究團隊通過功能域篩選，鑒定到一個具有PA結(jié)合域和磷酸二酯酶催化域的雙功能蛋白MdPDE1。該蛋白能夠感知PA濃度變化，與PA結(jié)合并被激活，轉(zhuǎn)移到細胞核中，通過水解環(huán)磷酸腺苷（cAMP）降低核內(nèi)cAMP水平，完成脂質(zhì)信號向環(huán)核苷酸信號的第二步轉(zhuǎn)換。點突變實驗證實，MdPDE1的PA結(jié)合能力是其核定位與功能執(zhí)行的關鍵。最終，核內(nèi)cAMP水平的下降觸發(fā)轉(zhuǎn)錄重編程，上調(diào)小熱激蛋白和活性氧清除酶等相關基因的表達，從而在細胞層面建立起一套完整的耐熱響應機制，顯著增強水稻的高溫耐受能力（圖1）?！?strong>G蛋白–DGK7–PA–MdPDE1–cAMP”信號途徑的完整解析，系統(tǒng)闡明植物從細胞膜感知到核內(nèi)基因表達調(diào)控的熱信號全程解碼機制，為理解植物逆境響應機制提供了全新的分子框架。

圖1. 熱信號轉(zhuǎn)換的分步解碼機制模型

機制上的突破也為育種提供了精準靶點。研究團隊通過對DGK7與MdPDE1進行定向遺傳改良，在模擬高溫的田間試驗中取得了顯著成效：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)改良明顯，且正常條件下對產(chǎn)量性狀無負效應（圖2）。這些結(jié)果表明，基于該通路的精準育種設計可實現(xiàn)耐熱表型的梯度化調(diào)控，為水稻、小麥、玉米等主糧作物應對不同強度的高溫脅迫提供了靈活的定制化解決方案，從而為育種家培育“高產(chǎn)高抗”作物新品種提供重要的理論依據(jù)和基因資源。

圖2. 精準設計梯度耐熱水稻實現(xiàn)高溫穩(wěn)產(chǎn)

研究亮點

該研究首次建立了植物細胞通過G蛋白信號、脂質(zhì)信號和cAMP信號的精細協(xié)調(diào)來感知、解碼并響應環(huán)境熱信號的完整機制。這是一個環(huán)環(huán)相扣、層層解碼地將物理熱信號轉(zhuǎn)化為生物信號,并從細胞膜精準傳遞到細胞核的耐熱調(diào)控通路。該研究中鑒定到的MdPDE1是水稻中首例被報道的磷酸二酯酶,同樣也是植物中首例接收脂質(zhì)信號并實現(xiàn)空間位移的磷酸二酯酶。同時，該研究也進一步通過田間試驗證明了該機制在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中的應用潛力,為育種家提供了根據(jù)需要定制耐熱作物的關鍵基因資源。

MST技術提供關鍵互作定量“證據(jù)鏈”

在探究MdPDE1中與PA結(jié)合的特異性氨基酸殘基這一關鍵環(huán)節(jié)中，研究團隊面臨脂質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用檢測的技術挑戰(zhàn)。脂質(zhì)分子在水相中難以形成穩(wěn)定均一的體系，傳統(tǒng)方法難以獲得可靠的定量結(jié)合數(shù)據(jù)。

因此，團隊選擇利用德國NanoTemper公司的分子互作平臺Monolith進行的微量熱泳動（MST）實驗,成功實現(xiàn)了量化分析MdPDE1與PA結(jié)合強度的檢測，并證實了所發(fā)現(xiàn)的兩個結(jié)合結(jié)構(gòu)域的重要性（圖2E）。脂質(zhì)與蛋白質(zhì)結(jié)合的測定中，穩(wěn)定可靠的檢測體系是重要的難題，MST技術兼容性強，無需固定、充分兼容脂質(zhì)體、囊泡、膠束等模擬生物膜模型，并且兼容一定濃度的去垢劑體系，為脂質(zhì)分子形成穩(wěn)定均勻的液相體系提供了基礎，成為破解此類“難測互作”的理想工具，為該研究獲取MdPDE1與PA結(jié)合的詳實量化數(shù)據(jù)提供了助力。

圖2. PA結(jié)合是MdPDE1活性和核易位所必需的（原文Figure 6）

Monolith X分子互作平臺

產(chǎn)品咨詢

「 輕松、快速、精準檢測分子間相互作用 」

? 技術模塊：MST+TRIC+SpS，可靈活升級

? 無需固定樣品：可直接在溶液中定量檢測

? 無懼分子量：各種分子互作輕松駕馭

? 省時省樣：1.5min/Kd, 4-10μL樣本消耗

? 智能優(yōu)化：實時監(jiān)測并提供樣本優(yōu)化建議

? 無液流系統(tǒng)：無堵塞風險，免維護

來自研究團隊的評價

在本研究中，團隊利用MST技術順利實現(xiàn)了對PA與MdPDE1結(jié)合強度的定量分析，并驗證了其特定功能結(jié)構(gòu)域的關鍵作用。該技術能完全在溶液相中精確測量分子間的結(jié)合親和力（Kd值），無需固定樣本，最大程度還原了體內(nèi)真實的互作環(huán)境。其卓越的靈敏度（檢測范圍橫跨pM至mM并驗證了其特定功能結(jié)構(gòu)域的關鍵作用）使其能夠精準捕獲弱相互作用，并對脂質(zhì)體等復雜體系表現(xiàn)出優(yōu)異的兼容性，因而成為研究蛋白質(zhì)-脂質(zhì)互作的理想工具。配合該技術研發(fā)的MO.Affinity Analysis軟件則為數(shù)據(jù)解析提供了高效、可靠的解決方案。

值得一提的是，在實驗設計與優(yōu)化過程中，NanoTemper公司應用專家與本單位公共技術平臺負責人劉莉老師通力合作，為方案優(yōu)化提供了全面可行的建議，為作者得到準確詳實的實驗結(jié)果提供了充分支持。NanoTemper憑借專業(yè)、可靠且領先的技術和服務獲得了業(yè)內(nèi)許多科研人員的信賴。

研究團隊及課題組介紹

林鴻宣院士團隊主要從事水稻重要復雜性狀遺傳調(diào)控機制和功能基因組學研究。成功克隆了水稻耐鹽調(diào)控重要基因SKC1

、DS

T

闞義

闞義，中共黨員，博士后，主要研究方向為水稻耐熱QTL基因的定位克隆與分子機制的研究。以第一作者身份在Cell、Nature Plants、Molecular Plant等期刊發(fā)表論文4篇，申請發(fā)明專利4項，相關成果入選“2022年全國生命科學十大研究進展”。

穆曉瑞

穆曉瑞，中共黨員，博士研究生，主要研究方向為水稻耐熱基因挖掘及耐熱分子機制的研究。曾作為第一作者或主要作者在Cell、Nature Plants、Molecular Plant雜志上發(fā)表文章，申請發(fā)明專利3項。曾獲2021年中國科學院大學三好學生稱號及2025年博士生國家獎學金。