起猛了！植物感温的底层逻辑竟和动物一样
起猛了！植物感温的底层逻辑竟和动物一样
作为动物的一员，人类很容易理解动物如何感受外界温度。而对于不能动也不能发声的植物，人类以为它们有着完全不同的感温系统。
5月22日，《科学》杂志在线发表了中国科学家完成的一项研究，颠覆了这一认知。中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室教授丁杨林、杨淑华团队发现，植物细胞膜上的受体激酶FERONIA（FER）在高温下能动态组装成温度敏感的“纳米开关”，其感知温度的核心逻辑竟与动物依赖细胞膜微域感知温度的TRP离子通道机制异曲同工。
质膜上 FER 纳米簇组装介导热信号转导模型。受访者供图
这项研究不仅首次揭示了植物感知高温的全新分子机制，更将细胞膜的组织架构提升为温度感知的核心枢纽，为培育耐热作物应对全球变暖提供了全新靶点。
跨领域碰撞的思想火花
在全球气候变暖的背景下，高温胁迫已成为威胁作物产量和粮食安全的关键限制因素。与动物可通过行为调节体温不同，植物作为固着生物，只能依赖内在机制感知并响应温度变化。
“细胞膜是一个对温度非常敏感的界面，动物与微生物中，细胞膜的生物物理性质变化是TRP等温度感受器激活的结构基础。动物就是通过TRP离子通道的激活，产生冷觉或者热觉，从而触发取暖或者降温的行为。”论文共同通讯作者杨淑华告诉《中国科学报》。
科学界已知细胞膜是植物感知温度变化的最前沿界面。“植物没有TRP离子通道，更没有神经系统。但植物也很‘聪明’。”论文共同通讯作者丁杨林说，它依赖不同类型的热敏感蛋白或者核酸，通过液—液相分离、RNA变构等多种方式感知并激活高温响应，从而调整生长株型或者产生热保护性物质，使植物很好地适应不断波动的环境温度。
在这项研究之前，科学界已经报道了几个热感受器，它们在不同温度范围、不同信号调控中起到了关键作用。然而，人们并不清楚植物细胞膜是否以及如何参与温度感知？另一个重要谜团是，面对温和高温和极端高温，植物产生的信号激活与生理响应完全不同，植物如何做到快速切换“感温指令”？
“我们最初的好奇心很简单：植物到底是如何‘感觉’到温度升高的？这个最初的信号是什么？”丁杨林说，此前，他们的团队主要从事分子生物学和遗传学研究，并在植物低温应答领域已有深厚积累，而将目光转向高温感知，源于对植物环境适应机制完整图景的追求。
近年的研究表明，细胞膜不仅是高度流动的脂双层，更是一个由功能性纳米域动态拼接而成的信号网络平台。这些由特定脂质与信号蛋白富集形成的纳米级结构，赋予了细胞膜高度的空间异质性，为精准的信号转导奠定了物理基础。
“我们很早就发现植物细胞膜上的一个叫做FER的蛋白对植物耐热性具有重要的调控作用，虽然做了大量工作，然而并没有想到它如何与温度感知有关。在不断尝试和讨论的过程种，我们觉得FER是不是会直接影响膜上的一些高温事件。”论文第一作者、中国农大博士研究生王坤从2020年底开始，将整个博士阶段的六年时间都投入了这项工作。
有一次，王坤与同届博士生郭鑫交流各自所做的工作。郭鑫来自论文作者之一、中国农业大学教授傅缨团队，其研究方向为细胞生物学。当时，郭鑫正利用一种新技术观察细胞膜上的点状结构。
这意外碰撞出了跨领域的思想火花，王坤开始思考：他们关注的膜蛋白FER，是否也会在膜上形成某种结构来响应温度？这一设问将研究引向了细胞膜上的纳米尺度世界，从此开启了FER纳米簇的发现之旅。生物化学与细胞生物学研究的相互印证，最终一步步地解析了FER介导的温度感知机制。
穿越“看不见”的迷宫
“FER蛋白是植物细胞膜上的一种特殊结构，它平常并不存在。”丁杨林说。
最大的挑战在于如何“看见”并解析细胞膜上蛋白质纳米尺度的动态组装，这是一个“看不见、摸不着”的过程。FER蛋白在膜上的聚集尺寸仅在数百纳米到微米之间，且高度动态、可逆，传统的生物化学和遗传学手段难以捕捉其全貌。
“我们遇到了一个典型的死胡同：知道它很重要，但不知道它如何工作，更难以直接观测。”丁杨林说。为了突破瓶颈，团队展开了广泛的跨学科合作。
他们整合了超分辨率显微成像、单粒子追踪、生物化学、遗传学以及生物物理学等多学科技术，最终得以直观地捕捉到FER蛋白在高温诱导下于细胞膜上形成离散纳米簇的动态过程。
研究过程中遇到了大量的“负结果”，“经常不向我们预想的方向发展，令人十分抓狂。”王坤说。然而正是这些结果，让研究能抽丝剥茧，一步步引导他们向正确的方向发展。“死胡同”反而成了“生路”。
“印象最深的是，我们一度猜想FER是通过调节甾醇糖苷转移酶的活性，改变质膜甾醇组成从而调控纳米簇组装的。”王坤回忆说，然而，通过质谱检测发现FER突变并不影响甾醇变化。这与前期其他结果看起来很矛盾，课题一度走到“死胡同”。
后来，他们仔细对比所有相关结果，反过来提出新的假设：甾醇糖苷化是FER调控热信号的必要前提。后来他们不仅证明了这一假设的真实性，而且合理解释了后续发现的更多矛盾点，让整个研究豁然开朗。
杨淑华说，他们最终发现FER蛋白的确是植物感温的“纳米开关”。当温度升高到中度热胁迫（如37°C）时，FER蛋白被激活，它“招募”多种信号蛋白组成临时“统战指挥部”，在甾醇、细胞骨架等“后勤部队”的共同协作下，快速形成纳米级尺寸的、离散分布的膜结构，并遍布整个植株，从而激活热应激反应。
丁杨林解释说，这里的“开关”有两层含义：第一是该结构在高温环境下组装，高温解除后解聚；第二是该结构只在中度热胁迫下形成，低温、常温、温和高温或者极端高温下均无法形成。
“这让植物不仅知道什么时候激活热响应，更知道如何区分不同的温度强度、做出精准的反应。”杨淑华说，这项研究最具价值的，正是植物历经亿万年积淀的生存智慧。植物无法移动避险，便进化出精准的温度感知体系，形成分级响应的生存策略。
植物可清晰区分28℃的温和高温与37℃的热胁迫。温度稍微高一些，它就调节生长“支棱起来”，帮助散热；温度继续升到热胁迫阈值则迅速抑制生长，全面启动热驯化机制，优先保障机体存活，实现生长与抗逆的高效权衡。