Cell新作精读|MST助力林鸿宣院士团队破解水稻高温解码新机制

研究背景    

研究内容    

近期，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》（IF:42.5）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，系统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，在模拟高温的田间试验中实现产量显著提升，进一步为创制梯度耐热性的水稻新种质提供了宝贵的基因资源，为应对全球气候变暖带来的粮食安全挑战提供了全新的分子解决方案。

在前期发现耐热负调控因子TT2（Nature Plants, 2022）的基础上，研究团队整合时间序列转录组与脂质代谢组分析，成功鉴定到一个快速响应高温的二酰甘油激酶（DGK7）。该酶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），实现物理信号向脂质信号的第一步转换。进一步研究显示，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。

为解析PA信号的后续传递机制，研究团队通过功能域筛选，鉴定到一个具有PA结合域和磷酸二酯酶催化域的双功能蛋白MdPDE1。该蛋白能够感知PA浓度变化，与PA结合并被激活，转移到细胞核中，通过水解环磷酸腺苷（cAMP）降低核内cAMP水平，完成脂质信号向环核苷酸信号的第二步转换。点突变实验证实，MdPDE1的PA结合能力是其核定位与功能执行的关键。最终，核内cAMP水平的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，从而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（图1）。“G蛋白–DGK7–PA–MdPDE1–cAMP”信号途径的完整解析，系统阐明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，为理解植物逆境响应机制提供了全新的分子框架。

图1.  热信号转换的分步解码机制模型

机制上的突破也为育种提供了精准靶点。研究团队通过对DGK7与MdPDE1进行定向遗传改良，在模拟高温的田间试验中取得了显著成效：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、米质改良明显，且正常条件下对产量性状无负效应（图2）。这些结果表明，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，从而为育种家培育“高产高抗”作物新品种提供重要的理论依据和基因资源。

图2 精准设计梯度耐热水稻实现高温稳产

研究亮点

该研究首次建立了植物细胞通过G蛋白信号、脂质信号和cAMP信号的精细协调来感知、解码并响应环境热信号的完整机制。这是一个环环相扣、层层解码地将物理热信号转化为生物信号,并从细胞膜精准传递到细胞核的耐热调控通路。该研究中鉴定到的MdPDE1是水稻中首例被报道的磷酸二酯酶,同样也是植物中首例接收脂质信号并实现空间位移的磷酸二酯酶。同时，该研究也进一步通过田间试验证明了该机制在农业生产实践中的应用潜力,为育种家提供了根据需要定制耐热作物的关键基因资源。

MST技术提供关键互作定量“证据链”   

在探究MdPDE1中与PA结合的特异性氨基酸残基这一关键环节中，研究团队面临脂质-蛋白质相互作用检测的技术挑战。脂质分子在水相中难以形成稳定均一的体系，传统方法难以获得可靠的定量结合数据。

因此，团队选择利用德国NanoTemper公司的分子互作平台Monolith进行的微量热泳动（MST）实验,成功实现了量化分析MdPDE1与PA结合强度的检测，并证实了所发现的两个结合结构域的重要性（图2 E）。脂质与蛋白质结合的测定中，稳定可靠的检测体系是重要的难题， MST技术兼容性强，无需固定、充分兼容脂质体、囊泡、胶束等模拟生物膜模型，并且兼容一定浓度的去垢剂体系，为脂质分子形成稳定均匀的液相体系提供了基础，成为破解此类“难测互作”的理想工具，为该研究获取MdPDE1与PA结合的详实量化数据提供了助力。

图2 PA结合是MdPDE1活性和核易位所必需的（原文Figure 6）

来自研究团队的评价

在本研究中，团队利用MST技术顺利实现了对PA与MdPDE1结合强度的定量分析，并验证了其特定功能结构域的关键作用。该技术能完全在溶液相中精确测量分子间的结合亲和力（K_d值），无需固定样本，最大程度还原了体内真实的互作环境。其卓越的灵敏度（检测范围横跨pM至mM并验证了其特定功能结构域的关键作用）使其能够精准捕获弱相互作用，并对脂质体等复杂体系表现出优异的兼容性，因而成为研究蛋白质-脂质互作的理想工具。配合该技术研发的MO.Affinity Analysis软件则为数据解析提供了高效、可靠的解决方案。

值得一提的是，在实验设计与优化过程中，NanoTemper公司应用专家与本单位公共技术平台负责人刘莉老师通力合作，为方案优化提供了全面可行的建议，为作者得到准确详实的实验结果提供了充分支持。NanoTemper凭借专业、可靠且领先的技术和服务获得了业内许多科研人员的信赖。

研究团队及课题组介绍

林鸿宣院士团队主要从事水稻重要复杂性状遗传调控机制和功能基因组学研究。成功克隆了水稻耐盐调控重要基因SKC1、DST等；水稻耐热调控重要基因TT1、TT2、TT3以及耐热耐碱基因ATT1/2等，相关成果发表在Cell、Nature、Science、Nature Genetics和Nature Plants等国际权威学术期刊上；获国家自然科学奖二等奖、上海市自然科学奖一等奖、何梁何利奖、谈家桢生命科学成就奖等。