關(guān)鍵詞：逆境生物|水稻耐熱機(jī)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(guò)傷害作物花粉活力、抑制授粉抑制授粉過(guò)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(dāng)下最嚴(yán)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(jī)制、挖掘關(guān)鍵耐熱基因，對(duì)培育適應(yīng)未來(lái)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(hào)并啟動(dòng)適應(yīng)性應(yīng)答，是植物逆境生物學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期關(guān)注的重大科學(xué)問題。高溫脅迫會(huì)引發(fā)細(xì)胞膜組分改變，觸發(fā)“膜脂重塑”過(guò)程。然而，這一變化如何被細(xì)胞識(shí)別、轉(zhuǎn)導(dǎo)并最終解讀為生物學(xué)指令，一直是領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)期未解之謎。

研究?jī)?nèi)容

近期，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣院士團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)林尤舜研究員團(tuán)隊(duì)、廣州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室李亦學(xué)研究員團(tuán)隊(duì)合作在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)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(yīng)高溫的雙重密碼，系統(tǒng)闡明了從細(xì)胞膜脂質(zhì)重塑到核內(nèi)基因表達(dá)調(diào)控協(xié)同串聯(lián)的完整熱信號(hào)解碼通路，在模擬高溫的田間試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量顯著提升，進(jìn)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(yīng)對(duì)全球氣候變暖帶來(lái)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(fù)調(diào)控因子TT2（

Nature Plants, 2022

為解析PA信號(hào)的后續(xù)傳遞機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)功能域篩選，鑒定到一個(gè)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(xì)胞核中，通過(guò)水解環(huán)磷酸腺苷（cAMP）降低核內(nèi)cAMP水平，完成脂質(zhì)信號(hào)向環(huán)核苷酸信號(hào)的第二步轉(zhuǎn)換。點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)證實(shí)，MdPDE1的PA結(jié)合能力是其核定位與功能執(zhí)行的關(guān)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(guān)基因的表達(dá)，從而在細(xì)胞層面建立起一套完整的耐熱響應(yīng)機(jī)制，顯著增強(qiáng)水稻的高溫耐受能力（圖1）。“G蛋白–DGK7–PA–MdPDE1–cAMP”信號(hào)途徑的完整解析，系統(tǒng)闡明植物從細(xì)胞膜感知到核內(nèi)基因表達(dá)調(diào)控的熱信號(hào)全程解碼機(jī)制，為理解植物逆境響應(yīng)機(jī)制提供了全新的分子框架。

圖1. 熱信號(hào)轉(zhuǎn)換的分步解碼機(jī)制模型

機(jī)制上的突破也為育種提供了精準(zhǔn)靶點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)DGK7與MdPDE1進(jìn)行定向遺傳改良，在模擬高溫的田間試驗(yàn)中取得了顯著成效：?jiǎn)位蚋牧嫉乃局晗当葘?duì)照株系增產(chǎn)50%-60%；而TT2協(xié)同DGK7的雙基因改良株系比對(duì)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(duì)產(chǎn)量性狀無(wú)負(fù)效應(yīng)（圖2）。這些結(jié)果表明，基于該通路的精準(zhǔn)育種設(shè)計(jì)可實(shí)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(yīng)對(duì)不同強(qiáng)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(zhǔn)設(shè)計(jì)梯度耐熱水稻實(shí)現(xiàn)高溫穩(wěn)產(chǎn)

研究亮點(diǎn)

該研究首次建立了植物細(xì)胞通過(guò)G蛋白信號(hào)、脂質(zhì)信號(hào)和cAMP信號(hào)的精細(xì)協(xié)調(diào)來(lái)感知、解碼并響應(yīng)環(huán)境熱信號(hào)的完整機(jī)制。這是一個(gè)環(huán)環(huán)相扣、層層解碼地將物理熱信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物信號(hào),并從細(xì)胞膜精準(zhǔn)傳遞到細(xì)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(bào)道的磷酸二酯酶,同樣也是植物中首例接收脂質(zhì)信號(hào)并實(shí)現(xiàn)空間位移的磷酸二酯酶。同時(shí)，該研究也進(jìn)一步通過(guò)田間試驗(yàn)證明了該機(jī)制在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用潛力,為育種家提供了根據(jù)需要定制耐熱作物的關(guān)鍵基因資源。

MST技術(shù)提供關(guān)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(guān)鍵環(huán)節(jié)中，研究團(tuán)隊(duì)面臨脂質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用檢測(cè)的技術(shù)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(tuán)隊(duì)選擇利用德國(guó)NanoTemper公司的分子互作平臺(tái)Monolith進(jìn)行的微量熱泳動(dòng)（MST）實(shí)驗(yàn),成功實(shí)現(xiàn)了量化分析MdPDE1與PA結(jié)合強(qiáng)度的檢測(cè)，并證實(shí)了所發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)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(cè)定中，穩(wěn)定可靠的檢測(cè)體系是重要的難題，MST技術(shù)兼容性強(qiáng)，無(wú)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(chǔ)，成為破解此類“難測(cè)互作”的理想工具，為該研究獲取MdPDE1與PA結(jié)合的詳實(shí)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(tái)

產(chǎn)品咨詢

「 輕松、快速、精準(zhǔn)檢測(cè)分子間相互作用 」

? 技術(shù)模塊：MST+TRIC+SpS，可靈活升級(jí)

? 無(wú)需固定樣品：可直接在溶液中定量檢測(cè)

? 無(wú)懼分子量：各種分子互作輕松駕馭

? 省時(shí)省樣：1.5min/Kd, 4-10μL樣本消耗

? 智能優(yōu)化：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并提供樣本優(yōu)化建議

? 無(wú)液流系統(tǒng)：無(wú)堵塞風(fēng)險(xiǎn)，免維護(hù)

來(lái)自研究團(tuán)隊(duì)的評(píng)價(jià)

在本研究中，團(tuán)隊(duì)利用MST技術(shù)順利實(shí)現(xiàn)了對(duì)PA與MdPDE1結(jié)合強(qiáng)度的定量分析，并驗(yàn)證了其特定功能結(jié)構(gòu)域的關(guān)鍵作用。該技術(shù)能完全在溶液相中精確測(cè)量分子間的結(jié)合親和力（Kd值），無(wú)需固定樣本，最大程度還原了體內(nèi)真實(shí)的互作環(huán)境。其卓越的靈敏度（檢測(cè)范圍橫跨pM至mM并驗(yàn)證了其特定功能結(jié)構(gòu)域的關(guān)鍵作用）使其能夠精準(zhǔn)捕獲弱相互作用，并對(duì)脂質(zhì)體等復(fù)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(shù)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程中，NanoTemper公司應(yīng)用專家與本單位公共技術(shù)平臺(tái)負(fù)責(zé)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(zhǔn)確詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了充分支持。NanoTemper憑借專業(yè)、可靠且領(lǐng)先的技術(shù)和服務(wù)獲得了業(yè)內(nèi)許多科研人員的信賴。

研究團(tuán)隊(duì)及課題組介紹

林鴻宣院士團(tuán)隊(duì)主要從事水稻重要復(fù)雜性狀遺傳調(diào)控機(jī)制和功能基因組學(xué)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?yàn)樗灸蜔酫TL基因的定位克隆與分子機(jī)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(qǐng)發(fā)明專利4項(xiàng)，相關(guān)成果入選“2022年全國(guó)生命科學(xué)十大研究進(jìn)展”。

穆曉瑞

穆曉瑞，中共黨員，博士研究生，主要研究方向?yàn)樗灸蜔峄蛲诰蚣澳蜔岱肿訖C(jī)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(qǐng)發(fā)明專利3項(xiàng)。曾獲2021年中國(guó)科學(xué)院大學(xué)三好學(xué)生稱號(hào)及2025年博士生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金。