破译“热警报”密码，中国科学家培育出具有梯度耐热性的水稻新株系

北京时间2025年12月3日，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《细胞》（Cell）上发表题为“A stepwise decoding mechanism for heat sensing in plants connects lipid remodeling to a nuclear signaling cascade”的研究论文。

该成果破解了水稻感知并响应高温的双重密码锁，揭示了植物中的一个循序激活、协同串联的热信号感知机制，并通过对该机制的遗传改良，成功培育出具有梯度耐热性的水稻新株系，助力耐高温分子育种，为应对全球变暖导致的粮食减产提供了新的解决方案。

TT2-DGK7-MdPDE1热信号传递网络。本文图片均为 中国科学院分子植物科学卓越创新中心 供图

破解“双重密码锁”：从细胞膜到细胞核的传讯

当高温来袭，植物细胞如何“感知”并“响应”？高温会引发细胞膜的组分变化，触发“膜脂重塑”。然而，这种变化如何被细胞“识别、转换和解读”，一直是未解之谜。

研究团队经过多年努力，成功鉴定到水稻中两个关键调控因子——DGK7（二酰甘油激酶）和MdPDE1（磷酸二酯酶）。它们像一套精密协作的“警报系统” ，将高温物理信号一步步转化为细胞能够理解的“生物指令”，完成一场从细胞边界到细胞核的“传讯”。该发现系统连接了从细胞膜脂质重塑到核内信号级联的完整过程，解决了领域内长期存在的难题。

第一重密码是细胞膜上的“脂质密码”。当“高温危机”抵达植物细胞的细胞膜时，膜上的“哨兵”DGK7率先被激活，解码并释放出启动第一重信号响应，生成大量名为“磷脂酸（PA）”的脂质信使。这一过程完成了信号的首次转换与放大，将外界物理高温转化为细胞内的化学警报。这种警报（DGK7的磷酸化）开启的同时也掣肘于“监军”G蛋白，其作为强力刹车，确保细胞不会引发过度警报和响应，以维持整体内部的稳定与平衡。

第二重则是细胞核内的“环核苷酸密码”。作为信使的PA进入细胞内部，将高温信号精准传递并激活“中层指挥官”MdPDE1，并协助其顺利进入核心司令部（细胞核），MdPDE1通过降解另一种信使分子cAMP（环核苷酸），维持耐热基因的表达程序，促使细胞合成热激蛋白、活性氧清除酶等“耐热武器”，使细胞从常态转入“高温应急状态”，抵御高温胁迫，产生耐热表型。

DGK7和MdPDE1高温下保护水稻产量。

从理论到田间：设计“梯度耐热”新品种

随着全球气候变暖，持续高温或直接威胁全球粮食安全的根基。高温会损害作物花粉活力、阻碍授粉与灌浆过程，明显降低产量和品质，这直接削弱了主粮产区的生产潜能，已成为当下最严峻、最直接的粮食安全挑战之一。因此，挖掘作物中的耐热基因，解析耐热机制、培育适应未来气候的新品种，已成为农业科技领域的迫切任务。

机制的破解为育种提供了精准靶点。研究团队基于DGK7和MdPDE1开展遗传设计，在模拟高温的田间试验中取得喜人的结果：单基因改良的水稻株系比对照株系增产50%-60%；而TT2协同DGK7的双基因改良株系比对照株系产量提升约一倍，米质比对照好，且不影响正常条件下的产量。

在松江水稻试验田培育出具有梯度耐热性的水稻新株系。

这意味着，科学家不仅能增强作物的耐热性，更能像调节音量一样精准设计“梯度耐热”品种，以适应不同地区的气候需求，维持作物在高温环境下的产量稳定。由于机制的保守性，这项研究为水稻、小麦、玉米等主粮作物的耐热育种改良提供坚实的理论框架与宝贵的基因资源，为在全球变暖背景下保障粮食安全开辟了新的路径。