近期，河南大學(xué)省部共建作物逆境適應(yīng)與改良國家重點實驗室宋純鵬教授團隊在植物抗逆及發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域取得多項重要研究進展，相關(guān)成果相繼發(fā)表在Nature Plants、Molecular Plant、The Plant Cell、Journal of Integrative Plant Biology等國際知名學(xué)術(shù)期刊上。團隊圍繞玉米氣孔發(fā)育與細胞壁力學(xué)特性、氧化還原信號特異性傳遞和葉片衰老的分子機制等關(guān)鍵科學(xué)問題，運用多學(xué)科交叉手段開展深入研究，相關(guān)成果為作物抗逆遺傳改良提供了重要理論支撐。

1、Nature Plants：解析果膠極性分布控制玉米氣孔打開的生物力學(xué)機制

提高作物水分利用效率是保障糧食安全的重大戰(zhàn)略需求。玉米等禾本科作物演化出獨特的啞鈴形氣孔復(fù)合體，與雙子葉植物的腎形氣孔相比，啞鈴形氣孔具有更精巧的形態(tài)和細胞壁結(jié)構(gòu)，能夠更迅速地響應(yīng)干旱等環(huán)境脅迫。長期以來，學(xué)界對氣孔運動力學(xué)的研究多局限于擬南芥等雙子葉植物，禾本科啞鈴形氣孔如何通過細胞壁及其微觀力學(xué)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效開閉的分子機制尚不明晰。

2026年1月，宋純鵬教授團隊在Nature Plants發(fā)表題為“Esterified-pectin-coupled polar stiffening controls grass stomatal opening”的研究論文，發(fā)現(xiàn)玉米保衛(wèi)細胞極性端特異性富集高甲酯化果膠，形成極性硬化結(jié)構(gòu)，進而限制氣孔開放。研究通過免疫熒光標(biāo)記、原子力顯微鏡分析及遺傳學(xué)實驗，證實果膠合成基因ZmGOLS2通過調(diào)控高甲酯化果膠含量影響氣孔孔徑，并基于實驗數(shù)據(jù)與已報道的力學(xué)參數(shù)，構(gòu)建了玉米氣孔的三維有限元模型。該結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析進一步揭示，玉米保衛(wèi)細胞頂端剛性物質(zhì)的大小與彈性模量起限制作用，防止氣孔的過度張開。

與腎形氣孔由低甲酯化果膠介導(dǎo)極性硬化，促進氣孔打開的機制不同，禾本科植物利用兩端的極性硬化來保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并限制氣孔過度開放，這一特性更有利于其適應(yīng)干旱環(huán)境。該研究揭示的“果膠極性分布-極性硬化-控制氣孔打開”的調(diào)控范式，為通過修飾細胞壁果膠來改良作物水分利用效率和抗旱性提供了新策略。

果膠相關(guān)的極性物質(zhì)限制玉米氣孔過度張開

2、The Plant Cell：揭示氣孔復(fù)合體結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的調(diào)控機制

多細胞生物通過精密的調(diào)控機制賦予自身發(fā)育可塑性，從而誘導(dǎo)分化的體細胞形成多樣且特異的細胞命運。轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的基因表達如何以時空特異性方式發(fā)揮作用，從而驅(qū)動前體細胞定向分化為特定細胞類型，是植物發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域的核心科學(xué)問題。

2026年2月，宋純鵬教授團隊在The Plant Cell發(fā)表題為“Nuclear condensates of BZU2/ZmMUTE modulate transcription to realize structural heterogeneity of the maize stomatal complex”的研究論文，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子ZmMUTE通過液–液相分離形成核內(nèi)動態(tài)凝聚體，進而調(diào)控玉米氣孔復(fù)合體發(fā)育。ZmMUTE蛋白C末端的內(nèi)在無序區(qū)IDR4是驅(qū)動相分離的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域，同時IDR4還賦予ZmMUTE細胞間的移動能力?；趩渭毎D(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析和分子互作實驗，構(gòu)建了ZmMUTE調(diào)控氣孔發(fā)育的分子作用模型：ZmMUTE通過IDR4招募轉(zhuǎn)錄因子ZmSCRM形成共相分離結(jié)構(gòu)，增強DNA結(jié)合能力和靶基因轉(zhuǎn)錄激活效率，從而精準(zhǔn)調(diào)控保衛(wèi)細胞對稱分裂和副衛(wèi)細胞命運決定。

該研究系統(tǒng)揭示了ZmMUTE通過相分離-協(xié)同因子招募-轉(zhuǎn)錄激活增強的級聯(lián)機制，精細調(diào)控玉米四細胞氣孔復(fù)合體發(fā)育，為作物氣孔結(jié)構(gòu)改良和抗逆分子設(shè)計提供了重要理論基礎(chǔ)。

ZmMUTE相分離通過增強DNA結(jié)合和靶基因激活調(diào)控氣孔細胞命運

3、Molecular Plant：揭示相分離轉(zhuǎn)換介導(dǎo)ROS信號特異性識別的時空調(diào)控機制

活性氧(ROS)長期以來被視為有害的代謝副產(chǎn)物，易造成細胞氧化損傷。宋純鵬教授率先提出ROS可作為信號分子廣泛參與植物生長發(fā)育與逆境響應(yīng)的學(xué)術(shù)觀點，并圍繞該方向開展了系統(tǒng)深入的研究。由于ROS化學(xué)活性高、擴散性強、缺乏靶標(biāo)特異性，且ROS的產(chǎn)生具有高度時空異質(zhì)性，局部濃度動態(tài)變化迅速，學(xué)界對其信號如何精準(zhǔn)傳遞與特異調(diào)控的分子機制仍缺乏深入研究。

2026年2月，宋純鵬教授團隊在Molecular Plant發(fā)表題為“Phase separation transitions of the redox sensor RCD1 mediate differential ROS signals to regulate plant growth and stress responses”的研究論文，發(fā)現(xiàn)RCD1作為氧化還原傳感器 (Redox sensor)，通過關(guān)鍵半胱氨酸感知ROS信號，并驅(qū)動相分離轉(zhuǎn)變。RCD1的相分離-非相分離狀態(tài)轉(zhuǎn)變作為“空間解碼器”，實現(xiàn)對不同類型轉(zhuǎn)錄因子的時空特異性招募，這種空間隔離的互作模式從根本上避免了發(fā)育與脅迫信號通路的串?dāng)_，破解了ROS信號傳遞的“特異性悖論”。該工作闡明了無序區(qū)結(jié)構(gòu)域、細胞氧化還原狀態(tài)、二硫鍵動態(tài)變化及轉(zhuǎn)錄因子選擇性招募等多層面協(xié)同調(diào)控相分離的分子機制，為作物生長-抗逆協(xié)同改良的分子設(shè)計提供了理論依據(jù)和精準(zhǔn)靶點。

RCD1相分離轉(zhuǎn)變分選ROS信號的工作模型

4、Journal of Integrative Plant Biology：揭示MAPK級聯(lián)信號調(diào)控ROS介導(dǎo)葉片衰老的分子機制

葉片作為光合作用的核心源器官，其衰老進程受到葉齡、內(nèi)源激素及環(huán)境脅迫等多重信號的精密調(diào)控。ROS積累與MAPK級聯(lián)信號是介導(dǎo)葉片衰老的關(guān)鍵通路，但二者如何協(xié)同響應(yīng)不同強度信號、實現(xiàn)衰老進程的精準(zhǔn)時空調(diào)控，相關(guān)分子機制仍有待系統(tǒng)闡明。

2026年2月，宋純鵬教授團隊在Journal of Integrative Plant Biology發(fā)表題為"Role of an Arabidopsis mitogen-activated protein kinase kinase kinase in ROS-mediated leaf senescence"的研究論文。研究從擬南芥中鑒定到隨葉片衰老進程顯著誘導(dǎo)表達的絲裂原活化蛋白激酶基因MKKK19，該基因表達隨葉片衰老進程顯著上調(diào)，表達水平與葉片衰老程度呈正相關(guān)。MKKK19通過磷酸化激活MKK3/5/9-MPK6模塊調(diào)控葉片衰老進程，氧化信號誘導(dǎo)激酶OXI1 (oxidative signal-inducible 1）能夠磷酸化激活MKKK19，而RBOHD/F可能位于MPK6下游，通過其活性反饋調(diào)節(jié)葉片中ROS水平。

該研究揭示了葉片衰老進程或逆境脅迫誘導(dǎo)ROS積累后，通過激活OXI1-MKKK19-MKK3/5/9-MPK6-RBOHD/F級聯(lián)，進而調(diào)控葉片衰老的分子途徑，豐富并完善了葉片衰老的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。為通過遺傳調(diào)控延緩作物衰老、提升作物產(chǎn)量與品質(zhì)提供了重要靶點。

OXI1-MKKK19-MKK3/5/9-MPK6-RBOHD/F模塊調(diào)控葉片衰老的模式圖

宋純鵬教授團隊長期致力于植物逆境生物學(xué)研究，在ROS信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和氣孔生物學(xué)等方向形成了鮮明的研究特色。團隊緊扣農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與國家糧食安全重大戰(zhàn)略需求，在植物逆境生物學(xué)前沿領(lǐng)域持續(xù)取得系統(tǒng)性、創(chuàng)新性研究成果，為作物抗逆遺傳改良提供了重要的理論與技術(shù)支撐。