極端高溫天氣愈發(fā)頻繁，對(duì)全球糧食生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。植物固著生長(zhǎng)的特性使其對(duì)溫度變化極為敏感，極端高溫會(huì)直接損害作物的生理過程，最終導(dǎo)致產(chǎn)量與品質(zhì)下降，成為制約全球糧食安全的關(guān)鍵因素之一。相關(guān)研究表明，全球平均氣溫每升高1°C，主要糧食作物產(chǎn)量就會(huì)下降3%–8%。因此，提高作物耐熱性已成為維護(hù)國(guó)家糧食安全的必要舉措，系統(tǒng)闡明作物耐熱分子機(jī)制，對(duì)于培育耐熱性更強(qiáng)的水稻品種，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際指導(dǎo)意義。

近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)周道繡團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表了題為“

Reciprocal control of

metabolic and chromatin regulators improves rice tolerance to heat

植物在應(yīng)對(duì)熱脅迫時(shí)，會(huì)啟動(dòng)多層次的分子調(diào)控機(jī)制，包括染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑、熱脅迫應(yīng)答基因的表達(dá)以及代謝網(wǎng)絡(luò)重編程等。該團(tuán)隊(duì)在此前的研究發(fā)現(xiàn)，染色質(zhì)表觀修飾與細(xì)胞能量代謝的偶聯(lián)，在促進(jìn)植物生長(zhǎng)和增強(qiáng)植物抗逆過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。例如，染色質(zhì)修飾酶（如組蛋白乙酰酶）能感應(yīng)細(xì)胞能量水平變化，通過調(diào)控自身的乙酰酶活性，維持染色質(zhì)修飾的動(dòng)態(tài)平衡，從而增強(qiáng)植物抗逆性。組蛋白乙酰酶與能量代謝酶在細(xì)胞核內(nèi)形成復(fù)合體甚至相分離顆粒，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)點(diǎn)基因的表達(dá)、以及根尖和胚乳細(xì)胞分裂。此外，組蛋白乙酰酶和去乙酰酶還可以通過修飾非組蛋白（如代謝酶、核糖體蛋白、轉(zhuǎn)錄因子、RNA結(jié)合蛋白和染色質(zhì)因子等），參與調(diào)控植物逆境應(yīng)答。

植物糖酵解途徑在脅迫條件下會(huì)被顯著激活，它不僅能為細(xì)胞提供必需的能量，還能生成抗氧化底物，增強(qiáng)植物的抗性。部分糖酵解酶能夠進(jìn)入細(xì)胞核，生成乙酰輔酶A等關(guān)鍵代謝物，為組蛋白乙?；揎椞峁┕w。然而，代謝酶與組蛋白修飾酶如何響應(yīng)環(huán)境變化，協(xié)同合作，控制細(xì)胞能量代謝和染色質(zhì)修飾以增強(qiáng)抗逆性的機(jī)制，目前仍不明確。

該研究深入探究后發(fā)現(xiàn)， 水稻中的丙酮酸激酶（PK1）具有整合脅迫信號(hào)，參與水稻耐熱性的代謝和表觀遺傳調(diào)控的重要功能。PK1在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中均有分布，除了在糖酵解中發(fā)揮功能外，它還是組蛋白H3蘇氨酸T11(H3T11p)的磷酸激酶。結(jié)果顯示，PK1的過表達(dá)能夠增強(qiáng)水稻的耐熱性，而其功能缺失則會(huì)降低水稻從熱脅迫中恢復(fù)的速度。在熱脅迫條件下，PK1的產(chǎn)生、核內(nèi)富集及其酶活會(huì)受到誘導(dǎo)；同時(shí)，核內(nèi)丙酮酸的積累、組蛋白H3T11的磷酸化和H3K9的乙?；?H3K9ac)水平也會(huì)升高，并促進(jìn)相關(guān)基因的表達(dá)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PK1能夠通過對(duì)組蛋白乙酰酶GCN5進(jìn)行磷酸化并激活其活性，從而提高H3K9ac水平。而在熱脅迫下，GCN5也會(huì)對(duì)PK1進(jìn)行賴氨酸乙?；?，增強(qiáng)PK1對(duì)組蛋白H3T11磷酸化和糖酵解中丙酮酸生成的活性。PK1和GCN5調(diào)控的H3T11p和H3K9ac是熱脅迫響應(yīng)基因表達(dá)所必需的。這些結(jié)果充分證實(shí)，PK1是連接代謝途徑和染色質(zhì)途徑的關(guān)鍵參與者，并揭示了水稻中代謝調(diào)節(jié)因子和染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子之間相互刺激、共同增強(qiáng)水稻抗逆性的機(jī)制。

綜上所述，本研究揭示了代謝與染色質(zhì)修飾相互作用協(xié)同調(diào)控水稻耐熱性的新機(jī)制，為理解植物高溫脅迫應(yīng)答過程中的表觀-代謝調(diào)控機(jī)制提供了全新視角。這一發(fā)現(xiàn)不僅為水稻耐熱性育種提供了具有潛在應(yīng)用價(jià)值的分子靶標(biāo)，同時(shí)所揭示的“代謝-表觀遺傳”對(duì)話機(jī)制，也為其他重要農(nóng)作物的抗逆性研究提供了新的范式，對(duì)于應(yīng)對(duì)全球氣候變化、保障糧食安全生產(chǎn)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

圖1. 丙酮酸激酶PK1和組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶GCN5協(xié)同調(diào)控水稻耐熱性的分子機(jī)制

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北省洪山實(shí)驗(yàn)室博士后岳亞萍和博士研究生劉彪為文章共同第一作者，周道繡教授為通訊作者，趙毓教授為本研究提供了重要的指導(dǎo)和幫助。徐秋濤博士（現(xiàn)為廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院教授）、陳正庭博士（現(xiàn)為中國(guó)水稻研究所助理研究員）和博士研究生王靜也參與了該研究工作。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、法國(guó)國(guó)家研究機(jī)構(gòu)項(xiàng)目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目、湖北省基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目和中國(guó)農(nóng)業(yè)科研系統(tǒng)專項(xiàng)基金等的資助。

https://www.nature.com/articles/s41467-025-66406-3