植物没有神经系统，它们如何感知环境温度的变化并启动生存应答？2025年12月中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣院士团队与上海交通大学林尤舜研究员团队、广州国家实验室李亦学研究员团队合作在国际权威学术期刊《Cell》上发表题为“A stepwise decoding mechanism for heat sensing in plants connects lipid remodeling to a nuclear signaling cascade”的研究揭开了这个谜底的一角。首次完整解析了植物感知高温信号的 “三步解码机制” ，将细胞膜的物理变化与核内基因表达调控完美连接。
热胁迫会迅速破坏细胞膜结构，改变脂质双分子层的物理性质和组成。其中，磷脂酸（PA） 的快速积累被认为是热应激的早期标志之一。
然而，一个根本问题长期悬而未决：植物如何将膜脂质变化这一物理信号转化为细胞能够理解的生物信号？ 这些信号又是如何一步步传递至细胞核，最终调控基因表达的？
研究团队从两种水稻基因型入手：热敏感型HJX和耐热型NIL-TT2HPS32。通过整合时间序列转录组与脂质代谢组分析，他们筛选出在热胁迫下迅速响应且表达模式符合“传感器”特征的候选基因。
DGK7（二酰甘油激酶7）从众多候选者中脱颖而出。它在热胁迫下表达快速上调，且与已知的耐热性负调控因子TT2（G蛋白γ亚基）密切相关。
关键实验：确定DGK7的细胞定位
如果DGK7确实是热信号的“第一响应者”，它理应位于热信号最初发生的场所——细胞膜。为此，研究团队使用专门的植物膜蛋白分离试剂盒进行了精确定位实验。
通过 Invent Biotechnologies公司的Minute™植物质膜蛋白分离试剂盒（Cat SM-005-P），研究人员高效分离了水稻的细胞膜蛋白组分。Western Blot检测结果清晰显示：DGK7-GFP融合蛋白在膜蛋白组分中特异性富集，而在胞质组分中几乎检测不到。
(I) Immunoblotting assay showing that DGK7-GFP existed in the PM protein fraction. GFP antibody was used to detect exogenous DGK7.
这一结果看似简单却至关重要，它从空间上确立了DGK7作为膜定位激酶的地位，为整个热信号传导通路设定了起点。在进行信号传导研究时，明确关键蛋白的亚细胞定位是不可或缺的一环。”
有趣的是，研究人员发现G蛋白γ亚基TT2和β亚基RGB1均与DGK7互作，且这一互作同样发生在细胞膜上。
进一步研究发现，TT2的作用机制十分巧妙：它通过促进DGK7第477位丝氨酸的去磷酸化，抑制DGK7的激酶活性。
DGK7的主要功能是将二酰甘油（DAG）磷酸化为磷脂酸（PA）。在正常条件下，DGK7的Ser477位点会被磷酸化，处于激活状态。当TT2与其结合后，DGK7被去磷酸化，活性降低，从而减少PA的产生。
这相当于在热信号通路的上游设置了一个“分子刹车”：当不需要过度响应时，G蛋白系统会抑制DGK7，防止不必要的能量消耗和潜在伤害。
PA作为脂质第二信使已有大量研究支持，但这项研究揭示了它的一个新角色：酶活调节剂和核定位引导者。
研究团队发现一个名为MdPDE1的金属依赖性磷酸二酯酶，它能够水解环磷酸腺苷（cAMP）。令人惊讶的是，MdPDE1的酶活性和核定位完全依赖于与PA的结合。
MdPDE1蛋白表面有两个关键的PA结合区域：KK-K结构域（Lys112, Lys113, Lys166）和KR-KR结构域（Lys200, Arg201, Lys204, Arg205）。当热胁迫导致PA积累时，PA会与这两个区域结合，不仅激活MdPDE1的酶活性，还引导它进入细胞核。
这一发现突破了PA作为简单第二信使的传统观念，展现了它作为信号复合物组装者和空间定位导航员的多重功能。
进入细胞核的MdPDE1开始发挥其核心功能：降解cAMP。在植物中，cAMP水平与应激响应密切相关，但具体机制尚不明确。
研究人员发现，核内cAMP水平的下降会促进热休克蛋白（sHSPs）、抗氧化酶（如GSTs）等基因的表达。这些蛋白共同作用，维持细胞内活性氧（ROS）稳态，减少膜脂过氧化损伤，从而增强细胞的整体耐热性。
为了验证cAMP调控的具体作用，研究团队还设计了巧妙的“cAMP海绵”实验：在细胞核中表达cAMP结合蛋白，特异性降低核内cAMP水平。结果显示，即使在MdPDE1缺失的情况下，降低核内cAMP也能部分恢复植物的耐热性。
理论研究能否转化为实际应用？研究团队在试验田进行了为期两年的田间验证。他们构建了多种转基因水稻品系：DGK7过表达、MdPDE1过表达、TT2敲除背景下的DGK7过表达等。在人工模拟的高温条件下（塑料薄膜覆盖增温），这些转基因植株表现出显著优势：
最重要的是，这些遗传改良不影响正常温度下的农艺性状，真正实现了“耐热不减产”的育种目标。
回顾整个研究，蛋白亚细胞定位的精准确定贯穿始终，是建立可信信号通路模型的基础。
在早期筛选阶段，研究团队就意识到，如果DGK7不在细胞膜上，整个“膜到核”的信号传递模型就无法成立。因此，他们选择了专业的膜蛋白分离方法进行验证。现代植物信号传导研究越来越注重细胞空间维度，蛋白在膜、质、核等不同组分间的动态分布往往决定其功能。而准确、高效的亚细胞分离技术成为这类研究的关键支撑。
Invent柱式法植物膜蛋白提取试剂盒可在1小时内，将植物细胞分为细胞核（粗提）、细胞浆、细胞器、细胞膜四个组分，无需超高速离心机和匀浆仪器，快速从植物组织中分离天然的四个组分蛋白，下游可应用于 SDS-PAGE，immunoblottings，ELISA，IP，膜蛋白质结构分析，2-D，酶活性测定及其他应用。
Minute™ 植物膜蛋白提取试剂盒 SM-005-P（点击图片查看详情）
Minute™ Plasma Membrane Protein Isolation Kit for Plants
综合所有发现，植物感知高温并作出响应的完整信号通路逐渐清晰：（点击图片查看原文）
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膜上感知：高温引起膜脂重塑，DAG积累
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信号转换：DGK7将DAG转化为PA（受TT2调控）
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信号传递：PA结合并激活MdPDE1，引导其入核
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核内解码：MdPDE1降解cAMP，促进热响应基因表达
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生理响应：HSPs和抗氧化酶维持细胞稳态，增强耐热性
这一 “物理信号→脂质信号→第二信使→基因表达” 的层级解码机制，不仅揭示了植物温度感知的精细调控网络，也为应对气候变化下的作物改良提供了全新思路。
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