随着全球气候变暖加剧，持续的高温直接威胁着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，直接削弱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。当高温来袭，植物如何“感知”高温并“响应”，是科学界的未解之谜。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。
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，在国际学术期刊《细胞》上发表研究论文，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，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。该成果不仅为耐高温分子育种提供有力支持，更为应对全球变暖导致的粮食减产提供新的解决方案。
高温会引发细胞膜的组分变化，触发“膜脂重塑”，但这种变化如何被细胞“识别、转换和解读”？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，二酰甘油激酶（DGK7）和磷酸二酯酶（MdPDE1）。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。
“DGK7像是细胞膜上的‘脂质解码器’，MdPDE1则是细胞核内的‘环核苷酸解码器’。它们共同构成了一条‘信号传导链’，将高温物理信号一步步解码成细胞能‘听懂’的‘生物指令’，完成一场从细胞膜到细胞核的‘传讯’。”林鸿宣形象地比喻道。
当“高温危机”抵达植物细胞“边境的城墙”——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，大量生成名为“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。这种警报开启的同时，也掣肘于“监军”G蛋白。因为G蛋白作为刹车，可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。
随后，PA作为信使进入细胞内部精准传递高温信号，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环核苷酸（cAMP），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。
该机制的破解为育种提供了精准靶点。据悉，全球平均气温每升高1摄氏度，作物将减产3%—8%，小麦、玉米、水稻和大豆四大作物减产合计达19.7%。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%；而水稻耐高温QTL基因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。
“这意味着，未来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。”中国科学院院士、分子植物卓越中心主任韩斌说。
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。
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