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隨著全球氣候變暖加劇，持續(xù)的高溫直接威脅著全球糧食安全的根基。高溫會(huì)損害作物花粉活力、阻礙授粉與灌漿過程，明顯降低產(chǎn)量和品質(zhì)，直接削弱主糧產(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。當(dāng)高溫來襲，植物如何“感知”高溫并“響應(yīng)”，是科學(xué)界的未解之謎。因此，挖掘作物中的耐熱基因，解析耐熱機(jī)制、培育適應(yīng)未來氣候的新品種，已成為農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域的迫切任務(wù)。

12月3日，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)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上發(fā)表研究論文，破解了水稻感知并響應(yīng)高溫的雙重密碼鎖，揭示了植物中的一個(gè)循序激活、協(xié)同串聯(lián)的熱信號(hào)感知機(jī)制，通過對(duì)該機(jī)制的遺傳改良，成功培育出具有梯度耐熱性的水稻新株系。該成果不僅為耐高溫分子育種提供有力支持，更為應(yīng)對(duì)全球變暖導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)提供新的解決方案。

高溫會(huì)引發(fā)細(xì)胞膜的組分變化，觸發(fā)“膜脂重塑”，但這種變化如何被細(xì)胞“識(shí)別、轉(zhuǎn)換和解讀”？研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年努力，成功鑒定到水稻中兩個(gè)關(guān)鍵調(diào)控因子，二酰甘油激酶（DGK7）和磷酸二酯酶（MdPDE1）。該發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)連接了從細(xì)胞膜脂質(zhì)重塑到核內(nèi)信號(hào)級(jí)聯(lián)的完整過程，解決了領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)期存在的難題。

“DGK7像是細(xì)胞膜上的‘脂質(zhì)解碼器’，MdPDE1則是細(xì)胞核內(nèi)的‘環(huán)核苷酸解碼器’。它們共同構(gòu)成了一條‘信號(hào)傳導(dǎo)鏈’，將高溫物理信號(hào)一步步解碼成細(xì)胞能‘聽懂’的‘生物指令’，完成一場(chǎng)從細(xì)胞膜到細(xì)胞核的‘傳訊’?！绷著櫺蜗蟮乇扔鞯馈?/p>

當(dāng)“高溫危機(jī)”抵達(dá)植物細(xì)胞“邊境的城墻”——細(xì)胞膜時(shí)，膜上的“哨兵”DGK7率先被激活，解碼并釋放出啟動(dòng)第一重信號(hào)響應(yīng)，大量生成名為“磷脂酸（PA）”的脂質(zhì)信使。這一過程完成了信號(hào)的首次轉(zhuǎn)換與放大，將外界物理高溫轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)警報(bào)。這種警報(bào)開啟的同時(shí)，也掣肘于“監(jiān)軍”G蛋白。因?yàn)镚蛋白作為剎車，可確保細(xì)胞不會(huì)引發(fā)過度警報(bào)和響應(yīng)，以維持整體內(nèi)部的穩(wěn)定與平衡。

隨后，PA作為信使進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部精準(zhǔn)傳遞高溫信號(hào)，激活“中層指揮官”MdPDE1，并協(xié)助其順利進(jìn)入“核心司令部”細(xì)胞核。MdPDE1通過降解另一種信使分子環(huán)核苷酸（cAMP），維持耐熱基因的表達(dá)程序，促使細(xì)胞合成熱激蛋白、活性氧清除酶等“耐熱武器”，使細(xì)胞從常態(tài)轉(zhuǎn)入“高溫應(yīng)急狀態(tài)”，抵御高溫脅迫，產(chǎn)生耐熱表型。

該機(jī)制的破解為育種提供了精準(zhǔn)靶點(diǎn)。據(jù)悉，全球平均氣溫每升高1攝氏度，作物將減產(chǎn)3%—8%，小麥、玉米、水稻和大豆四大作物減產(chǎn)合計(jì)達(dá)19.7%。研究團(tuán)隊(duì)基于DGK7和MdPDE1開展遺傳設(shè)計(jì)，在模擬高溫的田間試驗(yàn)中取得喜人的結(jié)果：?jiǎn)位蚋牧嫉乃局晗当葘?duì)照株系增產(chǎn)50%—60%；而水稻耐高溫QTL基因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)比對(duì)照好，且不影響正常條件下的產(chǎn)量。

“這意味著，未來科學(xué)家不僅能增強(qiáng)作物的耐熱性，更能像調(diào)節(jié)音量一樣精準(zhǔn)設(shè)計(jì)‘梯度耐熱’品種，以適應(yīng)不同地區(qū)的氣候需求，維持作物在高溫環(huán)境下的產(chǎn)量穩(wěn)定?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、分子植物卓越中心主任韓斌說。

由于機(jī)制的保守性，這項(xiàng)研究為水稻、小麥、玉米等主糧作物的耐熱育種改良提供堅(jiān)實(shí)的理論框架與寶貴的基因資源，為在全球變暖背景下保障糧食安全開辟了新的路徑。