■本报记者 李晨
作为动物的一员，人类很容易理解动物如何感受外界温度。对于不能动也不能发声的植物，我们却以为它们有着完全不同的感温系统。而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离子通道机制高度一致。相关研究近日在线发表于《科学》。
该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，为培育应对全球变暖的耐热作物提供了全新靶点。
跨领域碰撞的思想火花
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。动物就是通过激活TRP离子通道，产生冷觉或者热觉，从而触发取暖或者降温行为的。”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，但植物很‘聪明’。”论文共同通讯作者丁杨林说，它们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。
科学界之前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参与温度感知；如果参与，方式如何。此外，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，人们不清楚植物是如何做到快速切换“感温指令”的。
丁杨林说，此前团队主要从事分子生物学和遗传学研究，在植物低温应答领域有深厚积累，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FER蛋白对植物耐热性具有重要调控作用。虽然做了大量工作，但并没有弄清它们到底如何实现温度感知。在不断尝试和讨论的过程中，我们觉得FER可能直接影响膜上的一些高温事件。”论文第一作者、中国农业大学博士研究生王坤从2020年底开始，6年时间都在从事这项研究工作。
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、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。
这次交流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，从而实现温度响应。这一设想将研究引向了细胞膜上的纳米尺度世界，开启了FER纳米簇的发现之旅。生物化学与细胞生物学研究相互印证，最终揭示了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“看见”并解析细胞膜上蛋白质纳米尺度的动态组装。FER蛋白在膜上的聚集尺寸仅在数百纳米到微米级之间，且高度动态、可逆，传统的生物化学和遗传学手段难以捕捉全貌。“我们好像进了一条死胡同。”丁杨林说。
为了突破瓶颈，团队展开了广泛的跨学科合作，整合多学科技术，最终直观捕捉到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”。“结果经常不向预想的方向发展，令人十分抓狂。”王坤说，“我们一度猜想FER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。”
然而，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。他们仔细对比所有相关结果，提出了新假设：甾醇糖苷化是FER调控热信号的必要前提。后来他们不仅证实了这一假设，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℃）时，FER蛋白被激活，并“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：一是该结构在高温环境下组装，高温解除后解聚；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并精准作出反应。”杨淑华说。
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。
王坤解释说，双相响应模型使植物能精准区分“温暖的生长信号”和“需要防御的高温警报”。
“这套双模式、双相温度响应机制，并非被动应激，而是自然选择塑造的最优生存法则。既能利用适宜环境蓬勃生长，又可从容抵御高温灾害，尽显植物顽强的演化智慧。”杨淑华说，这是首次清晰证明，在温度感知这个关乎所有生命生存的关键能力上，动植物共享了一套进化上高度保守的底层逻辑。
颠覆认知后的无限未来
“长期以来，我们认为动植物感知温度的机制完全不同，但实际上两者的核心逻辑高度一致。”丁杨林说，它们没有采用单一的“受体-配体”线性模式，而是以细胞膜的物理状态（流动性、脂质组成变化）作为初级温度传感器，再通过膜蛋白的动态空间组装解码不同强度的温度信号。动物的TRP通道和植物的FER激酶，本质上都是将连续的温度物理量转化为蛋白不同的功能状态。
《科学》同期撰写的专题评述高度评价了该工作，指出该研究揭示了FERONIA并非仅为简单的上游受体发挥作用，而是热响应过程中膜状态的核心组织者；清晰界定了植物从热适应到热损伤转变的早期膜层级边界，为解析叶绿体类囊体膜等热敏系统的热损伤级联反应构建了关键理论框架。
“这项研究也刷新了我们对生命智能的认知。”杨淑华说，它打破了“智能必须依赖神经系统”的刻板印象，证明分布式的细胞膜感知网络本身就是一种原始而高效的生命智能；它重新定义了信号转导，细胞膜的空间组织本身就是信号编码的核心部分；它揭示了细胞膜功能上的进化趋同性，动植物分化了十几亿年却选择了相同的解决方案，在薄薄的一层生物膜上，通过组装不同纳米域的方式解码多种环境信号。
这项研究表明，FER蛋白不仅在全高温范围内均起到正向作用，而且能够进行灵活的信号模式切换。“假如未来研究能够搞清楚信号转换的核心机制，就可以有针对性地改造FER相关模块，使植物提早激活热胁迫响应，或者延长热形态建成信号。”丁杨林说，更重要的是，FER还调控着植物生殖、生长以及免疫反应，适度地过表达该基因不会产生负面作用。上述基础研究的阐明，最终有望在全球气候变化的背景下，大大提升植物的逆境韧性。
尽管如此，这项研究距离产业化还有很长的路要走。杨淑华认为，在完成上述基础研究后，还需要与育种产业深度协同，使其转化为应对全球气候变暖的农业解决方案。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1126/science.aeb1752