近期，河南大學(xué)省部共建作物逆境適應(yīng)與改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋純鵬教授團(tuán)隊(duì)在植物抗逆及發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域取得多項(xiàng)重要研究進(jìn)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(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊上。團(tuán)隊(duì)圍繞玉米氣孔發(fā)育與細(xì)胞壁力學(xué)特性、氧化還原信號(hào)特異性傳遞和葉片衰老的分子機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，運(yùn)用多學(xué)科交叉手段開(kāi)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(kāi)的生物力學(xué)機(jī)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(dú)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(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，能夠更迅速地響應(yīng)干旱等環(huán)境脅迫。長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)界對(duì)氣孔運(yùn)動(dòng)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(guò)細(xì)胞壁及其微觀力學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)閉的分子機(jī)制尚不明晰。

2026年1月，宋純鵬教授團(tuán)隊(duì)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(xì)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(jìn)而限制氣孔開(kāi)放。研究通過(guò)免疫熒光標(biāo)記、原子力顯微鏡分析及遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)果膠合成基因ZmGOLS2通過(guò)調(diào)控高甲酯化果膠含量影響氣孔孔徑，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與已報(bào)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(jìn)一步揭示，玉米保衛(wèi)細(xì)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(guò)度張開(kāi)。

與腎形氣孔由低甲酯化果膠介導(dǎo)極性硬化，促進(jìn)氣孔打開(kāi)的機(jī)制不同，禾本科植物利用兩端的極性硬化來(lái)保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并限制氣孔過(guò)度開(kāi)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(kāi)”的調(diào)控范式，為通過(guò)修飾細(xì)胞壁果膠來(lái)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(guò)度張開(kāi)

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(jī)制

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

2026年2月，宋純鵬教授團(tuán)隊(duì)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(guò)液–液相分離形成核內(nèi)動(dòng)態(tài)凝聚體，進(jìn)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(wú)序區(qū)IDR4是驅(qū)動(dòng)相分離的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域，同時(shí)IDR4還賦予ZmMUTE細(xì)胞間的移動(dòng)能力?；趩渭?xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析和分子互作實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了ZmMUTE調(diào)控氣孔發(fā)育的分子作用模型：ZmMUTE通過(guò)IDR4招募轉(zhuǎn)錄因子ZmSCRM形成共相分離結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)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(xì)胞對(duì)稱(chēng)分裂和副衛(wèi)細(xì)胞命運(yùn)決定。

該研究系統(tǒng)揭示了ZmMUTE通過(guò)相分離-協(xié)同因子招募-轉(zhuǎn)錄激活增強(qiáng)的級(jí)聯(lián)機(jī)制，精細(xì)調(diào)控玉米四細(xì)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(jì)提供了重要理論基礎(chǔ)。

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

3、Molecular Plant：揭示相分離轉(zhuǎn)換介導(dǎo)ROS信號(hào)特異性識(shí)別的時(shí)空調(diào)控機(jī)制

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

2026年2月，宋純鵬教授團(tuán)隊(duì)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(guò)關(guān)鍵半胱氨酸感知ROS信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)不同類(lèi)型轉(zhuǎn)錄因子的時(shí)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(hào)通路的串?dāng)_，破解了ROS信號(hào)傳遞的“特異性悖論”。該工作闡明了無(wú)序區(qū)結(jié)構(gòu)域、細(xì)胞氧化還原狀態(tài)、二硫鍵動(dòng)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(jī)制，為作物生長(zhǎng)-抗逆協(xié)同改良的分子設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和精準(zhǔn)靶點(diǎn)。

RCD1相分離轉(zhuǎn)變分選ROS信號(hào)的工作模型

4、Journal of Integrative Plant Biology：揭示MAPK級(jí)聯(lián)信號(hào)調(diào)控ROS介導(dǎo)葉片衰老的分子機(jī)制

葉片作為光合作用的核心源器官，其衰老進(jìn)程受到葉齡、內(nèi)源激素及環(huán)境脅迫等多重信號(hào)的精密調(diào)控。ROS積累與MAPK級(jí)聯(lián)信號(hào)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(qiáng)度信號(hào)、實(shí)現(xiàn)衰老進(jìn)程的精準(zhǔn)時(shí)空調(diào)控，相關(guān)分子機(jī)制仍有待系統(tǒng)闡明。

2026年2月，宋純鵬教授團(tuán)隊(duì)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(jìn)程顯著誘導(dǎo)表達(dá)的絲裂原活化蛋白激酶基因MKKK19，該基因表達(dá)隨葉片衰老進(jìn)程顯著上調(diào)，表達(dá)水平與葉片衰老程度呈正相關(guān)。MKKK19通過(guò)磷酸化激活MKK3/5/9-MPK6模塊調(diào)控葉片衰老進(jìn)程，氧化信號(hào)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(guò)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(jìn)程或逆境脅迫誘導(dǎo)ROS積累后，通過(guò)激活OXI1-MKKK19-MKK3/5/9-MPK6-RBOHD/F級(jí)聯(lián)，進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。為通過(guò)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(diǎn)。

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(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于植物逆境生物學(xué)研究，在ROS信號(hào)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(tuán)隊(duì)緊扣農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與國(guó)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。