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隨著全球氣候變暖加劇，持續的高溫直接威脅著全球糧食安全的根基。高溫會損害作物花粉活力、阻礙授粉與灌漿過程，明顯降低產量和品質，直接削弱主糧產區的生產潛能，已成為當下最嚴峻、最直接的糧食安全挑戰之一。當高溫來襲，植物如何“感知”高溫并“響應”，是科學界的未解之謎。因此，挖掘作物中的耐熱基因，解析耐熱機制、培育適應未來氣候的新品種，已成為農業科技領域的迫切任務。

12月3日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心林鴻宣院士團隊與上海交通大學林尤舜研究員團隊、廣州國家實驗室李亦學研究員團隊合作，在國際學術期刊《細胞》上發表研究論文，破解了水稻感知并響應高溫的雙重密碼鎖，揭示了植物中的一個循序激活、協同串聯的熱信號感知機制，通過對該機制的遺傳改良，成功培育出具有梯度耐熱性的水稻新株系。該成果不僅為耐高溫分子育種提供有力支持，更為應對全球變暖導致的糧食減產提供新的解決方案。

高溫會引發細胞膜的組分變化，觸發“膜脂重塑”，但這種變化如何被細胞“識別、轉換和解讀”？研究團隊經過多年努力，成功鑒定到水稻中兩個關鍵調控因子，二酰甘油激酶（DGK7）和磷酸二酯酶（MdPDE1）。該發現系統連接了從細胞膜脂質重塑到核內信號級聯的完整過程，解決了領域內長期存在的難題。

“DGK7像是細胞膜上的‘脂質解碼器’，MdPDE1則是細胞核內的‘環核苷酸解碼器’。它們共同構成了一條‘信號傳導鏈’，將高溫物理信號一步步解碼成細胞能‘聽懂’的‘生物指令’，完成一場從細胞膜到細胞核的‘傳訊’。”林鴻宣形象地比喻道。

當“高溫危機”抵達植物細胞“邊境的城墻”——細胞膜時，膜上的“哨兵”DGK7率先被激活，解碼并釋放出啟動第一重信號響應，大量生成名為“磷脂酸（PA）”的脂質信使。這一過程完成了信號的首次轉換與放大，將外界物理高溫轉化為細胞內的化學警報。這種警報開啟的同時，也掣肘于“監軍”G蛋白。因為G蛋白作為剎車，可確保細胞不會引發過度警報和響應，以維持整體內部的穩定與平衡。

隨后，PA作為信使進入細胞內部精準傳遞高溫信號，激活“中層指揮官”MdPDE1，并協助其順利進入“核心司令部”細胞核。MdPDE1通過降解另一種信使分子環核苷酸（cAMP），維持耐熱基因的表達程序，促使細胞合成熱激蛋白、活性氧清除酶等“耐熱武器”，使細胞從常態轉入“高溫應急狀態”，抵御高溫脅迫，產生耐熱表型。

該機制的破解為育種提供了精準靶點。據悉，全球平均氣溫每升高1攝氏度，作物將減產3%—8%，小麥、玉米、水稻和大豆四大作物減產合計達19.7%。研究團隊基于DGK7和MdPDE1開展遺傳設計，在模擬高溫的田間試驗中取得喜人的結果：單基因改良的水稻株系比對照株系增產50%—60%；而水稻耐高溫QTL基因TT2協同DGK7的雙基因改良株系比對照株系產量提升約一倍，米質比對照好，且不影響正常條件下的產量。

“這意味著，未來科學家不僅能增強作物的耐熱性，更能像調節音量一樣精準設計‘梯度耐熱’品種，以適應不同地區的氣候需求，維持作物在高溫環境下的產量穩定。”中國科學院院士、分子植物卓越中心主任韓斌說。

由于機制的保守性，這項研究為水稻、小麥、玉米等主糧作物的耐熱育種改良提供堅實的理論框架與寶貴的基因資源，為在全球變暖背景下保障糧食安全開辟了新的路徑。