植物也能“發(fā)熱”？與恒溫動(dòng)物類似，部分植物在開(kāi)花期可通過(guò)能量代謝主動(dòng)升高花器官溫度，這一生理活動(dòng)被稱為開(kāi)花生熱（Floral thermogenesis）。開(kāi)花生熱不僅有助于吸引傳粉昆蟲(chóng)，還能促進(jìn)生殖發(fā)育，是植物適應(yīng)環(huán)境的重要進(jìn)化策略。然而，如何精準(zhǔn)定位植物復(fù)雜生熱組織并解析其調(diào)控機(jī)制一直是科學(xué)界的難題。

近日，北京林業(yè)大學(xué)王若涵教授團(tuán)隊(duì)在植物學(xué)權(quán)威期刊Plant Physiology在線發(fā)表題為Multiscale Imaging Locates Thermogenic Tissues and Reveals the Role of Ca2+in Floral Thermogenesis的研究論文。該研究首次整合紅外熱成像（IR）與微區(qū)X熒光射線（μ-XRF）技術(shù)，成功精準(zhǔn)定位荷花（Nelumbo nucifera）花托中的核心生熱組織，并發(fā)現(xiàn)鈣離子（Ca2+）通過(guò)調(diào)控線粒體呼吸鏈直接參與生熱過(guò)程。這一成果是繼本團(tuán)隊(duì)建立植物生熱能量代謝動(dòng)態(tài)追蹤技術(shù)后的又一重要進(jìn)展（Plant, Cell & Enviorment, doi.org/10.1111/pce.15185），為植物能量代謝研究領(lǐng)域提供了全新的多尺度成像技術(shù)范式，并揭示了植物生熱的精準(zhǔn)策略與進(jìn)化生物學(xué)意義。

多尺度成像精確定位生熱“熱點(diǎn)”

研究團(tuán)隊(duì)以荷花為材料，通過(guò)紅外熱成像初步確定花托的皮層和心皮上部為生熱區(qū)域。為進(jìn)一步提高分辨率，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入μ-XRF技術(shù)，發(fā)現(xiàn)生熱階段花托中鈣元素（Ca）的分布與熱信號(hào)高度重疊（圖1），且鈣離子在生熱階段的轉(zhuǎn)運(yùn)速率顯著提升。鈣信號(hào)成為定位生熱組織的關(guān)鍵指標(biāo)。

圖1 μ-XRF掃描揭示鈣元素在生熱組織中的特異性富集

鈣離子如何“點(diǎn)燃”線粒體生熱？

通過(guò)時(shí)序轉(zhuǎn)錄組分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)生熱啟動(dòng)階段（S1），線粒體鈣離子單向轉(zhuǎn)運(yùn)體（MCU）基因表達(dá)顯著上調(diào)，驅(qū)動(dòng)鈣離子進(jìn)入線粒體基質(zhì)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，增加胞內(nèi)鈣濃度可逆轉(zhuǎn)替代呼吸途徑（AOX）的抑制狀態(tài)，直接激活能量代謝（圖2）。該研究認(rèn)為鈣離子是連接環(huán)境信號(hào)與能量代謝的“分子開(kāi)關(guān)”，這一發(fā)現(xiàn)為理解植物如何高效利用能量提供了新視角。

圖2 鈣離子對(duì)線粒體呼吸抑制的逆轉(zhuǎn)

生熱組織的“精準(zhǔn)投放”策略

研究還揭示，荷花生熱組織集中分布于花托表皮和心皮上部，緊貼花瓣形成的密閉腔室（圖3）。這種空間布局可最小化熱量散失，為傳粉昆蟲(chóng)提供穩(wěn)定的“溫床”。團(tuán)隊(duì)推測(cè)，這是生熱植物與昆蟲(chóng)協(xié)同進(jìn)化過(guò)程中形成的能量高效利用策略。

圖3 荷花花托的生熱器官及其內(nèi)部的生熱組織分布

總而言之，該研究創(chuàng)新性地結(jié)合紅外熱成像與微區(qū)X熒光射線技術(shù)，首次在荷花花托中精確定位了生熱組織，并揭示了鈣離子通過(guò)調(diào)控線粒體呼吸鏈驅(qū)動(dòng)開(kāi)花生熱的關(guān)鍵機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)不僅為理解植物能量代謝調(diào)控及其適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制提供了新視角，也為研究植物與傳粉昆蟲(chóng)的協(xié)同進(jìn)化關(guān)系開(kāi)辟了新思路。未來(lái)研究可進(jìn)一步探索該體系在其他典型生熱植物（如木蘭科、天南星科等）中的普適性及新機(jī)制，為植物生理生態(tài)學(xué)研究提供重要參考。

北京林業(yè)大學(xué)博士研究生于淼、王思?xì)J為共同第一作者，王若涵教授為通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)支持。

https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf131

作者簡(jiǎn)介：

通訊作者：王若涵，博士，北京林業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，中央高校"林木種質(zhì)資源創(chuàng)新與良種選育"優(yōu)秀青年團(tuán)隊(duì)骨干。致力于植物生長(zhǎng)發(fā)育及能量代謝調(diào)控，林木種質(zhì)資源篩選保護(hù)及應(yīng)用等方面研究，主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，國(guó)家“十三五”及“十四五”重點(diǎn)研發(fā)子課題及國(guó)家林草局課題等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，撰寫(xiě)國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材及著作3部，獲批國(guó)家發(fā)明專利6項(xiàng)，近年來(lái)，以第一或通訊作者在《Plant Cell & Environment》、《Plant Physiology》、《Trees-Structure & function》、《Flora》及《中國(guó)科學(xué)-生命科學(xué)》、《科學(xué)通報(bào)》等國(guó)內(nèi)外權(quán)威期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇。創(chuàng)制木蘭科樹(shù)種種質(zhì)高效篩選及繁育技術(shù)，在北京、廣東、貴州、河北等省市數(shù)家企業(yè)推廣應(yīng)用，取得了顯著的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，研究成果獲北京市優(yōu)秀青年科技論文一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)稱號(hào)，入選北京高校“青年英才計(jì)劃”。