全球气候变暖正成为粮食安全的重大威胁 —— 持续性高温会伤害作物花粉活力、抑制授粉过程、阻碍籽粒灌浆，最终导致水稻等主粮的产量和品质下降，削弱主粮产区的生产潜能。如何让水稻在高温环境下依然稳产高产？这是全球农业科研领域的关键难题。
2025 年 12 月 3 日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心联合上海交通大学、广州国家实验室的研究团队，在《细胞》（Cell）杂志上发表重磅研究成果：成功破解了水稻感知并响应高温的 “双重密码”，阐明了从细胞膜脂质重塑到核内基因表达调控协同串联的完整热信号解码通路，还成功创制出具有梯度耐热性的水稻新种质，为耐高温分子育种提供了全新的解决方案。
植物如何感知高温信号并启动适应性应答，一直是植物逆境生物学领域的核心科学问题。此前研究发现，高温胁迫会引发细胞膜组分改变，触发 “膜脂重塑” 过程，但这一变化如何被细胞识别、转导并最终解读为生物学指令，始终是领域内的未解之谜。
研究团队在前期发现耐热负调控因子 TT2 的基础上，整合时间序列转录组与脂质代谢组分析，成功鉴定到快速响应高温的二酰甘油激酶（DGK7）。在这一分析过程中，研究团队使用了基于 Orbitrap Fusion 的代谢组学分析系统（配备两套独立的高效色谱仪），实现了水稻生物材料的脂质组学分析和非靶标代谢组学分析，精准捕捉到高温诱导下水稻细胞内脂质组分的变化，成功定位到 DGK7 这一关键的 “脂质解码器”。
研究发现，DGK7 在高温诱导下被特异性激活，催化生成第二信使分子磷脂酸（PA），完成了物理信号向脂质信号的第一步转换。进一步研究表明，G 蛋白亚基 TT2/RGB1 通过直接相互作用，抑制 DGK7 第 477 位丝氨酸的磷酸化修饰，负向调控该信号转换过程，形成了一套精密的信号调控机制。
为解析 PA 信号的后续传递机制，团队通过功能域筛选，鉴定到具有 PA 结合域和磷酸二酯酶催化域的双功能蛋白 MdPDE1。为验证 MdPDE1 的功能，研究团队开展了点突变实验，使用Fragment Analyzer 全自动突变检测系统、PCR 仪和凝胶电泳仪，精准验证了 MdPDE1 的 PA 结合能力是其核定位与功能执行的关键 —— 当 MdPDE1 无法结合 PA 时，便无法进入细胞核完成信号传递。
研究证实，MdPDE1 能够感知 PA 浓度变化，与 PA 结合并被激活后转移到细胞核中，通过水解环磷酸腺苷（cAMP）降低核内 cAMP 水平，完成脂质信号向 cAMP 信号的第二步转换。最终，核内 cAMP 水平下降触发转录重编程，上调小热激蛋白和活性氧清除酶等相关基因的表达，在细胞层面建立起一套完整的耐热响应机制，显著增强水稻的高温耐受能力。
为验证这一信号通路的实际应用价值，研究团队开展了定向遗传改良，使用CRISPR/Cas9 基因编辑系统、超声仪和农杆菌介导的转化体系，对水稻的 DGK7、MdPDE1 和 TT2 基因进行精准编辑，创制出不同的水稻新种质。
在人工气候箱模拟的高温环境中，研究团队对新种质进行了严格的耐热性测试，精准模拟了田间的高温胁迫环境，验证不同种质的耐热表现。随后的田间试验结果显示：DGK7 或 MdPDE1 的单基因改良水稻株系比对照株系增产 50% 至 60%；TT2 协同 DGK7 的双基因改良株系比对照株系产量提升约 1 倍，且米质改良明显，在正常条件下对产量性状无负效应。
这一成果表明，基于该通路的精准育种设计可实现耐热表型的梯度化调控，为水稻、小麦、玉米等主粮作物应对不同强度的高温胁迫提供了灵活的定制化解决方案，为育种家培育 “高产高抗” 作物新品种提供了重要的理论依据和基因资源。
该研究完整解析了 G 蛋白 —DGK7—PA—MdPDE1—cAMP 信号途径，首次阐明了植物从细胞膜感知到核内基因表达调控的热信号全程解码机制，为剖析植物逆境响应机制提供了新的分子框架。相关研究成果得到了国家自然科学基金、农业生物育种国家科技重大专项、国家重点研发计划等的支持，发表在国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）上。
未来，这一研究成果将进一步应用于主粮作物的耐高温育种，帮助全球农业应对气候变暖带来的挑战，为保障全球粮食安全贡献中国智慧与中国方案。
