——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國(guó)科學(xué)院辦院方針
2025年9月30日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心楊衛(wèi)兵研究組在Developmental Cell雜志在線發(fā)表題為“Epidermal hydrodynamics controls water homeostasis of shoot meristems for plant adaptation to terrestrial environments”的研究論文。該研究系統(tǒng)揭示了植物莖尖分生組織通過(guò)表皮特異性ATML1-PIP2;5模塊感知和響應(yīng)環(huán)境濕度變化，進(jìn)而調(diào)控干細(xì)胞活性的分子機(jī)制。該工作闡明了水分穩(wěn)態(tài)在植物器官發(fā)生和環(huán)境適應(yīng)中的關(guān)鍵作用，為分生組織發(fā)育以及植物水分調(diào)控機(jī)制的演化規(guī)律提供了新視角。
莖尖分生組織主要由干細(xì)胞組成，是植物地上部分所有器官的來(lái)源，其活性維持對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)至關(guān)重要。位于分生組織最外層的表皮層（L1層）不僅是干細(xì)胞的物理屏障，更是感知外界環(huán)境信號(hào)的關(guān)鍵界面。本研究發(fā)現(xiàn)，植物莖尖分生組織處于局部高濕微環(huán)境中，能夠主動(dòng)感知濕度變化以維持其分裂能力。當(dāng)水分平衡被破壞時(shí)，干細(xì)胞活性受到顯著抑制，導(dǎo)致器官發(fā)育受阻，進(jìn)而影響整體植株生長(zhǎng)。為深入解析水分動(dòng)態(tài)過(guò)程，研究團(tuán)隊(duì)與復(fù)旦大學(xué)季敏標(biāo)課題組合作，首次將受激拉曼顯微技術(shù)（SRS）應(yīng)用于植物研究，實(shí)現(xiàn)了在細(xì)胞水平對(duì)植物組織中水分交換過(guò)程的無(wú)損實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
在分子機(jī)制層面，研究發(fā)現(xiàn)水通道蛋白PIP2;5在莖尖分生組織表皮層特異性高表達(dá)，并受表皮關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子ATML1直接調(diào)控。PIP2;5通過(guò)介導(dǎo)水分跨膜運(yùn)輸，動(dòng)態(tài)維持干細(xì)胞區(qū)的水分平衡，從而賦予植物對(duì)環(huán)境濕度變化的快速響應(yīng)能力。功能實(shí)驗(yàn)表明，PIP2;5活性喪失會(huì)顯著延緩分生組織對(duì)濕度變化的響應(yīng)。進(jìn)一步對(duì)全球1135份擬南芥種質(zhì)資源進(jìn)行單倍型分析發(fā)現(xiàn)，高水分轉(zhuǎn)運(yùn)活性的PIP2;5-Hap0單倍型主要分布于濕潤(rùn)氣候區(qū)，而低活性單倍型PIP2;5-Hap6則在干旱地區(qū)占主導(dǎo)地位，呈現(xiàn)出明顯的氣候適應(yīng)性分布模式，為水分感知通路受自然選擇塑造提供了有力證據(jù)。
值得注意的是，表皮介導(dǎo)的分生組織水分感知與響應(yīng)機(jī)制在植物演化中高度保守。研究團(tuán)隊(duì)在早期陸生植物地錢（Marchantia polymorpha）和單子葉作物水稻（Oryza sativa）中均發(fā)現(xiàn)了類似的表皮特異性水分通路。水稻同源基因OsPIP1;1不僅功能與擬南芥PIP2;5相似，其單倍型分布也與空氣濕度密切相關(guān)：高表達(dá)單倍型OsPIP1;1-SNPT多見于濕潤(rùn)地區(qū)，而低表達(dá)單倍型OsPIP1;1-SNPC則偏好干旱環(huán)境，表明OsPIP1;1介導(dǎo)的水稻穗原基水分感知，同樣受到氣候驅(qū)動(dòng)的自然選擇。這些發(fā)現(xiàn)為解析植物適應(yīng)陸生環(huán)境的演化機(jī)制提供了新線索，也為挖掘植物可塑性潛力、培育環(huán)境適應(yīng)性作物新品種提供了理論依據(jù)。
中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士研究生朱宜敏為論文第一作者，楊衛(wèi)兵研究員為通訊作者。復(fù)旦大學(xué)物理系季敏標(biāo)教授、博士研究生畢思敏，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士研究生朱先苗、助理研究員劉陽(yáng)軒，中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所鄭明月研究員、滕丹博士，以及四川大學(xué)劉喚喚教授等均參與了該項(xiàng)研究。普渡大學(xué)周云教授、江蘇省農(nóng)科院余向陽(yáng)研究員和安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)徐米琪博士為本研究提供了重要實(shí)驗(yàn)材料。感謝中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心公共技術(shù)服務(wù)中心蔡文娟老師對(duì)本工作的支持。本研究得到了中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)B專項(xiàng)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
圖1?植物莖尖分生組織表皮細(xì)胞感知和響應(yīng)環(huán)境濕度變化
圖2?分生組織水分穩(wěn)態(tài)調(diào)控干細(xì)胞活性
