Nature?Commun?|?華中農(nóng)業(yè)大學(xué)周道繡團隊揭示代謝與染色質(zhì)修飾協(xié)同調(diào)控水稻耐熱新機制

極端高溫天氣愈發(fā)頻繁，對全球糧食生產(chǎn)構(gòu)成了嚴重威脅。植物固著生長的特性使其對溫度變化極為敏感，極端高溫會直接損害作物的生理過程，最終導(dǎo)致產(chǎn)量與品質(zhì)下降，成為制約全球糧食安全的關(guān)鍵因素之一。相關(guān)研究表明，全球平均氣溫每升高1°C，主要糧食作物產(chǎn)量就會下降3%–8%。因此，提高作物耐熱性已成為維護國家糧食安全的必要舉措，系統(tǒng)闡明作物耐熱分子機制，對于培育耐熱性更強的水稻品種，具有重要的理論價值和實際指導(dǎo)意義。

近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)周道繡團隊在Nature Communications上發(fā)表了題為“

Reciprocal control of

metabolic and chromatin regulators improves rice tolerance to heat

植物在應(yīng)對熱脅迫時，會啟動多層次的分子調(diào)控機制，包括染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑、熱脅迫應(yīng)答基因的表達以及代謝網(wǎng)絡(luò)重編程等。該團隊在此前的研究發(fā)現(xiàn)，染色質(zhì)表觀修飾與細胞能量代謝的偶聯(lián)，在促進植物生長和增強植物抗逆過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。例如，染色質(zhì)修飾酶（如組蛋白乙酰酶）能感應(yīng)細胞能量水平變化，通過調(diào)控自身的乙酰酶活性，維持染色質(zhì)修飾的動態(tài)平衡，從而增強植物抗逆性。組蛋白乙酰酶與能量代謝酶在細胞核內(nèi)形成復(fù)合體甚至相分離顆粒，促進水稻生長點基因的表達、以及根尖和胚乳細胞分裂。此外，組蛋白乙酰酶和去乙酰酶還可以通過修飾非組蛋白（如代謝酶、核糖體蛋白、轉(zhuǎn)錄因子、RNA結(jié)合蛋白和染色質(zhì)因子等），參與調(diào)控植物逆境應(yīng)答。

植物糖酵解途徑在脅迫條件下會被顯著激活，它不僅能為細胞提供必需的能量，還能生成抗氧化底物，增強植物的抗性。部分糖酵解酶能夠進入細胞核，生成乙酰輔酶A等關(guān)鍵代謝物，為組蛋白乙酰化修飾提供供體。然而，代謝酶與組蛋白修飾酶如何響應(yīng)環(huán)境變化，協(xié)同合作，控制細胞能量代謝和染色質(zhì)修飾以增強抗逆性的機制，目前仍不明確。

該研究深入探究后發(fā)現(xiàn)， 水稻中的丙酮酸激酶（PK1）具有整合脅迫信號，參與水稻耐熱性的代謝和表觀遺傳調(diào)控的重要功能。PK1在細胞質(zhì)和細胞核中均有分布，除了在糖酵解中發(fā)揮功能外，它還是組蛋白H3蘇氨酸T11(H3T11p)的磷酸激酶。結(jié)果顯示，PK1的過表達能夠增強水稻的耐熱性，而其功能缺失則會降低水稻從熱脅迫中恢復(fù)的速度。在熱脅迫條件下，PK1的產(chǎn)生、核內(nèi)富集及其酶活會受到誘導(dǎo)；同時，核內(nèi)丙酮酸的積累、組蛋白H3T11的磷酸化和H3K9的乙酰化(H3K9ac)水平也會升高，并促進相關(guān)基因的表達。進一步研究發(fā)現(xiàn)，PK1能夠通過對組蛋白乙酰酶GCN5進行磷酸化并激活其活性，從而提高H3K9ac水平。而在熱脅迫下，GCN5也會對PK1進行賴氨酸乙酰化，增強PK1對組蛋白H3T11磷酸化和糖酵解中丙酮酸生成的活性。PK1和GCN5調(diào)控的H3T11p和H3K9ac是熱脅迫響應(yīng)基因表達所必需的。這些結(jié)果充分證實，PK1是連接代謝途徑和染色質(zhì)途徑的關(guān)鍵參與者，并揭示了水稻中代謝調(diào)節(jié)因子和染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子之間相互刺激、共同增強水稻抗逆性的機制。

綜上所述，本研究揭示了代謝與染色質(zhì)修飾相互作用協(xié)同調(diào)控水稻耐熱性的新機制，為理解植物高溫脅迫應(yīng)答過程中的表觀-代謝調(diào)控機制提供了全新視角。這一發(fā)現(xiàn)不僅為水稻耐熱性育種提供了具有潛在應(yīng)用價值的分子靶標(biāo)，同時所揭示的“代謝-表觀遺傳”對話機制，也為其他重要農(nóng)作物的抗逆性研究提供了新的范式，對于應(yīng)對全球氣候變化、保障糧食安全生產(chǎn)具有重要的應(yīng)用價值。

圖1. 丙酮酸激酶PK1和組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶GCN5協(xié)同調(diào)控水稻耐熱性的分子機制

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北省洪山實驗室博士后岳亞萍和博士研究生劉彪為文章共同第一作者，周道繡教授為通訊作者，趙毓教授為本研究提供了重要的指導(dǎo)和幫助。徐秋濤博士（現(xiàn)為廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院教授）、陳正庭博士（現(xiàn)為中國水稻研究所助理研究員）和博士研究生王靜也參與了該研究工作。本研究得到國家自然科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目、法國國家研究機構(gòu)項目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費項目、湖北省基礎(chǔ)研究計劃項目和中國農(nóng)業(yè)科研系統(tǒng)專項基金等的資助。

https://www.nature.com/articles/s41467-025-66406-3