图 热信号转换的分步解码机制模型与梯度耐热水稻的精准设计
在国家自然科学基金项目（批准号：32388201、32525046）等资助下，中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣院士团队联合上海交通大学林尤舜研究员团队与广州国家实验室李亦学研究员团队，在水稻高温感知领域取得新进展。研究团队成功破解了水稻感知与响应高温的“双重密码锁”，系统阐明了一个从细胞膜到细胞核、循序激活且协同串联的热信号传导新机制。基于该机制的遗传改良，团队成功培育出具有梯度耐热性的水稻新种质，为应对全球变暖引发的粮食安全挑战提供了创新的分子育种策略与解决方案。该研究成果以“A stepwise decoding mechanism for heat sensing in plants connects lipid remodeling to a nuclear signaling cascade（植物高温感知阶梯解码机制串联脂质重塑与细胞核信号级联）”为题，于2025年12月3日在线发表于《细胞》（Cell）。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.11.003。
气候变暖与持续高温直接威胁全球粮食安全。发掘关键耐热基因、解析其调控机制、培育适应未来高温气候的作物新品种，是农业科学领域的紧迫任务。而植物细胞如何精确“感知”并“响应”高温信号，更是该领域长期未解的核心难题。合作团队经过长期攻关，成功在水稻中鉴定到两个关键调控基因—DGK7（二酰甘油激酶）和MdPDE1（磷酸二酯酶）。这两个基因像一套精密协作的“警报系统” ，能够将外界的高温物理信号逐级转化为细胞内部的生物学指令。具体机制为：高温胁迫信号首先激活细胞膜上的DGK7，该蛋白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“一级解码”；而G蛋白亚基TT2/RGB1可通过抑制DGK7的磷酸化修饰，负向调控该信号转换过程，起到“分子刹车”的调控作用。随后，胞内PA浓度的变化被MdPDE1感知并与之结合，激活后的MdPDE1转移至细胞核内，通过水解环磷酸腺苷（cAMP），完成从脂质信号到环核苷酸信号的“二级解码”。最终，核内cAMP水平的下降触发转录重编程，上调小热激蛋白、活性氧清除酶等相关基因的表达，从而增强水稻的高温耐受能力。该研究对“G蛋白–DGK7–MdPDE1”信号通路的完整解析，系统阐明了从细胞膜的高温信号感知到细胞核内基因表达调控的热信号全程转导解码机制（图）。
该基础理论的突破为作物分子设计育种提供了精准靶点。研究团队对上述通路关键基因开展遗传改良，在田间大棚高温环境下，DGK7或MdPDE1的单基因改良的水稻株系比对照增产50%-60%；TT2协同DGK7的双基因改良株系比对照增产约一倍，且稻米品质显著提升，在正常生产条件下产量无负效应。因此，基于该通路的精准育种设计可以培育“梯度耐热”作物品种，适应不同地区的气候需求，为水稻、小麦、玉米等粮食作物应对不同强度的高温天气提供了具有潜力的定制化解决方案，也为培育“高产高抗”作物新品种提供重要的理论依据和基因资源。