树木开花也能“发热”？北京林业大学王若涵团队应用多尺度成像破解玉兰早春开花的御寒智慧

春寒料峭时，玉兰花竟能悄悄“发热”？这看似童话般的现象，实则蕴含着植物应对低温，保障繁殖的生存智慧。近日，北京林业大学王若涵教授团队在植物学权威期刊Plant, Cell & Environment在线发表题为Integrated Multiscale Imaging and Non-invasive Micro-sensing Decipher Spatiotemporal CalciumDynamics in Thermogenic Tissue of Magnolia Flower的研究成果，通过多尺度成像与非损伤微测技术的创新融合，首次精准定位玉兰花核心产热区，并揭示钙离子调控产热的关键机制，成功突破木本植物生热研究的长期瓶颈，为该领域奠定了关键方法与体系基础。

树木开花也能“发热”？

生热植物凭借自主调控花器官温度（floral thermogenesis）的独特能力在植物界繁殖竞争中占据优势：它们通过花朵产热维持适宜温度，促进花粉萌发、加速花香挥发以吸引昆虫访花，促进生殖成功。然而，木本植物的组织结构更复杂，其产热组织的具体位置、调控产热的关键信号分子等核心问题，一直是植物生理学领域的研究难点，制约着对木本植物繁殖适应与能量代谢机制的深入理解。

多尺度成像融合，给复杂产热区绘出“精准地图”

以木兰科玉兰Magnolia denudata为研究对象，创新整合高分辨红外热成像（IR）、多光谱成像（MSI）与微区 X 射线荧光光谱成像（μ-XRF）等多尺度成像技术。研究发现，玉兰产热高峰期，钙元素在其雌蕊柱外侧组织呈现显著富集状态，且钙元素的“分布区域”，与红外热成像标记的“产热热点区”、多光谱成像区分的“功能组织区”高度吻合。这一发现不仅首次明确了玉兰花的核心产热区域为雌蕊柱外侧组织，更提供了“元素分布 - 功能区域 - 产热信号” 联动的精准研究方法，为复杂木本植物产热组织定位提供了关键技术体系。

图1 μ-XRF揭示钙在玉兰雌蕊柱外侧组织的显著富集

钙离子启动线粒体呼吸“引擎”

在锁定产热区域后，团队进一步利用非损伤微测技术（NMT），深入探究产热调控的“分子密码”。结果显示：产热高峰期雌蕊柱细胞和线粒体的钙离子内流速率均显著增加。同时，转录组时序表达分析揭示，调控钙离子跨膜运输的通道蛋白基因与线粒体钙单向转运蛋白基因，在这一时期均呈现高表达状态。通过生热细胞呼吸测定证实，钙离子浓度变化直接控制线粒体的呼吸代谢效率：提高胞内钙离子浓度，能显著增强线粒体有氧呼吸速率，尤其能提升通过交替氧化酶（AOX）途径的能量耗散效率；反之，降低钙离子浓度则会明显抑制呼吸作用。这表明，线粒体中钙离子的增加，成为触发玉兰花产热的“能量开关”。

图2 钙离子促进线粒体呼吸并可实现呼吸抑制逆转

建立木本生热植物研究新范式

该研究通过多尺度成像技术与非损伤微测技术的联合应用，实现“产热位置”、“元素分布”、“离子流”联合分析，建立了完整的木本生热植物能量代谢研究技术体系；解析了钙离子调控线粒体呼吸参与产热的机制，不仅为理解木本植物如何通过产热适应早春低温环境、保障繁殖成功提供了关键线索，更为后续生热植物资源的产热能力研究及应用奠定了方法与体系基础。

图3生热细胞中的钙离子转运途径

北京林业大学在读博士研究生王思钦、于淼为共同第一作者，王若涵教授为通讯作者。本研究得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的支持。

作者简介：

通讯作者：王若涵，博士，北京林业大学教授，博士生导师。致力于植物生长发育及能量代谢调控，林木种质资源筛选保护及应用等方面研究，主持国家自然科学基金项目，国家“十三五”及“十四五”重点研发子课题及国家林草局课题等国家级项目，撰写国家级规划教材及著作3部，获批国家发明专利6项，近年来，在《Plant Physiology》、《Plant Journal》、《Plant Cell & Environment》及《中国科学-生命科学》、《科学通报》等国内外权威期刊发表学术论文30余篇。创制木兰科树种种质高效筛选及繁育技术，在北京、广东、贵州、河北等省市数家企业推广应用，取得了显著的生态、经济和社会效益，研究成果获北京市优秀青年科技论文一等奖等荣誉称号。

http://doi.org/10.1111/pce.70196