上海交大林尤舜团队合作破解水稻热感知“双重解码”机制，有望精准设计耐高温作物品种

北京时间2025年12月3日凌晨，上海交通大学农业与生物学院林尤舜研究团队与中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究团队、广州国家实验室李亦学研究团队合作在国际顶级学术期刊《细胞》(Cell)上发表题为“A stepwise decoding mechanism for heat sensing in plants connects lipid remodeling to a nuclear signaling cascade”的研究论文。该成果破解了水稻感知并响应高温的双重密码，系统阐明了从细胞膜脂质重塑到核内基因表达调控协同串联的完整热信号解码通路，并基于此成功创制出具有梯度耐热性的水稻新种质，为应对全球变暖导致的粮食安全问题提供了新的解决方案，助力作物耐高温分子育种。

全球气候变暖已成为威胁全球粮食安全的核心因素之一，持续性高温通过伤害作物花粉活力、抑制授粉过程与阻碍籽粒灌浆，显著降低产量及品质，削弱主粮产区的生产潜能，已成为当下最严峻、最直接的粮食安全挑战之一。因此，解析植物耐热性的分子机制、挖掘关键耐热基因，对培育适应未来气候条件的新品种具有重要战略意义。

植物如何感知高温信号并启动适应性应答，是植物逆境生物学领域长期关注的重大科学问题。高温胁迫会引发细胞膜组分改变，触发“膜脂重塑”过程。然而，这一变化如何被细胞识别、转导并最终解读为生物学指令，一直是领域内长期未解之谜。在前期发现耐热负调控因子TT2（Nature Plants, 2022）的基础上，合作团队整合时间序列转录组与脂质代谢组分析，成功鉴定到一个快速响应高温的二酰甘油激酶（DGK7）。该酶在高温诱导下被特异性激活，催化生成第二信使分子磷脂酸（PA），实现物理信号向脂质信号的第一步转换。进一步研究显示，G蛋白亚基TT2/RGB1通过直接相互作用，抑制DGK7第477位丝氨酸的磷酸化修饰，负向调控该信号转换过程。

为解析PA信号的后续传递机制，合作团队通过功能域筛选，鉴定到一个具有PA结合域和磷酸二酯酶催化域的双功能蛋白MdPDE1。该蛋白能够感知PA浓度变化，与PA结合并被激活，转移到细胞核中，通过水解环磷酸腺苷（cAMP）降低核内cAMP水平，完成脂质信号向cAMP信号的第二步转换。最终，细胞核内cAMP水平的下降触发转录重编程，上调小热激蛋白和活性氧清除酶等相关基因的表达，从而在细胞层面建立起一套完整的耐热响应机制，显著增强水稻的高温耐受能力（图1）。“G蛋白–DGK7–PA–MdPDE1–cAMP”信号途径的完整解析，系统阐明植物从细胞膜感知到核内基因表达调控的热信号全程解码机制，为理解植物逆境响应机制提供了新的分子框架。

图1. 热信号转换的分步解码机制模型

机制上的突破也为育种提供了精准靶点。合作研究团队通过定向遗传改良，在模拟高温的田间试验中取得了显著成效：DGK7或MdPDE1的单基因改良的水稻株系比对照株系增产50%-60%；而TT2协同DGK7的双基因改良株系比对照株系产量提升约一倍、米质改良明显，且正常条件下对产量性状无负效应（图2）。这些结果表明，基于该通路的精准育种设计可实现耐热表型的梯度化调控，为水稻、小麦、玉米等主粮作物应对不同强度的高温胁迫提供了灵活的定制化解决方案，从而为育种家培育“高产高抗”作物新品种提供重要的理论依据和基因资源。这是该合作研究团队继TT3耐热分子遗传模块（Science，2022）和耐碱-热ATT1/2基因的挖掘（Nature，2025）之后，在作物抵抗非生物胁迫研究领域取得的又一项重要进展。

图2. 精准设计梯度耐热水稻实现高温稳产

中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士后阚义、博士研究生穆晓瑞、广州国家实验室瞿芳芳副研究员为本文第一作者，上海交通大学林尤舜研究员、分子植物中心林鸿宣院士、广州国家实验室李亦学研究员为本文通讯作者。该中心的研究生戴智安、高进以及单军祥正高级工程师、叶汪薇高级实验师和董乃乾副研究员、上海交通大学杨怡冰和郭双琴博士后等参与该项研究工作。华东师范大学刘宁菁副教授在脂质研究方面给予支持。该工作得到国家基金委、农业生物育种国家科技重大专项、国家重点研发项目、上海交通大学“2030”项目、上海市现代种业协同创新中心、广州实验室、广东省基础与应用基础研究基金等的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.11.003

作者： 农业与生物学院 供稿单位： 农业与生物学院