Nature Commun | 华中农业大学周道绣团队揭示代谢与染色质修饰协同调控水稻耐热新机制

极端高温天气愈发频繁，对全球粮食生产构成了严重威胁。植物固着生长的特性使其对温度变化极为敏感，极端高温会直接损害作物的生理过程，最终导致产量与品质下降，成为制约全球粮食安全的关键因素之一。相关研究表明，全球平均气温每升高1°C，主要粮食作物产量就会下降3%–8%。因此，提高作物耐热性已成为维护国家粮食安全的必要举措，系统阐明作物耐热分子机制，对于培育耐热性更强的水稻品种，具有重要的理论价值和实际指导意义。

近日，华中农业大学周道绣团队在Nature Communications上发表了题为“

Reciprocal control of

metabolic and chromatin regulators improves rice tolerance to heat

植物在应对热胁迫时，会启动多层次的分子调控机制，包括染色质结构重塑、热胁迫应答基因的表达以及代谢网络重编程等。该团队在此前的研究发现，染色质表观修饰与细胞能量代谢的偶联，在促进植物生长和增强植物抗逆过程中发挥着关键作用。例如，染色质修饰酶（如组蛋白乙酰酶）能感应细胞能量水平变化，通过调控自身的乙酰酶活性，维持染色质修饰的动态平衡，从而增强植物抗逆性。组蛋白乙酰酶与能量代谢酶在细胞核内形成复合体甚至相分离颗粒，促进水稻生长点基因的表达、以及根尖和胚乳细胞分裂。此外，组蛋白乙酰酶和去乙酰酶还可以通过修饰非组蛋白（如代谢酶、核糖体蛋白、转录因子、RNA结合蛋白和染色质因子等），参与调控植物逆境应答。

植物糖酵解途径在胁迫条件下会被显著激活，它不仅能为细胞提供必需的能量，还能生成抗氧化底物，增强植物的抗性。部分糖酵解酶能够进入细胞核，生成乙酰辅酶A等关键代谢物，为组蛋白乙酰化修饰提供供体。然而，代谢酶与组蛋白修饰酶如何响应环境变化，协同合作，控制细胞能量代谢和染色质修饰以增强抗逆性的机制，目前仍不明确。

该研究深入探究后发现， 水稻中的丙酮酸激酶（PK1）具有整合胁迫信号，参与水稻耐热性的代谢和表观遗传调控的重要功能。PK1在细胞质和细胞核中均有分布，除了在糖酵解中发挥功能外，它还是组蛋白H3苏氨酸T11(H3T11p)的磷酸激酶。结果显示，PK1的过表达能够增强水稻的耐热性，而其功能缺失则会降低水稻从热胁迫中恢复的速度。在热胁迫条件下，PK1的产生、核内富集及其酶活会受到诱导；同时，核内丙酮酸的积累、组蛋白H3T11的磷酸化和H3K9的乙酰化(H3K9ac)水平也会升高，并促进相关基因的表达。进一步研究发现，PK1能够通过对组蛋白乙酰酶GCN5进行磷酸化并激活其活性，从而提高H3K9ac水平。而在热胁迫下，GCN5也会对PK1进行赖氨酸乙酰化，增强PK1对组蛋白H3T11磷酸化和糖酵解中丙酮酸生成的活性。PK1和GCN5调控的H3T11p和H3K9ac是热胁迫响应基因表达所必需的。这些结果充分证实，PK1是连接代谢途径和染色质途径的关键参与者，并揭示了水稻中代谢调节因子和染色质调节因子之间相互刺激、共同增强水稻抗逆性的机制。

综上所述，本研究揭示了代谢与染色质修饰相互作用协同调控水稻耐热性的新机制，为理解植物高温胁迫应答过程中的表观-代谢调控机制提供了全新视角。这一发现不仅为水稻耐热性育种提供了具有潜在应用价值的分子靶标，同时所揭示的“代谢-表观遗传”对话机制，也为其他重要农作物的抗逆性研究提供了新的范式，对于应对全球气候变化、保障粮食安全生产具有重要的应用价值。

图1. 丙酮酸激酶PK1和组蛋白乙酰转移酶GCN5协同调控水稻耐热性的分子机制

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北省洪山实验室博士后岳亚萍和博士研究生刘彪为文章共同第一作者，周道绣教授为通讯作者，赵毓教授为本研究提供了重要的指导和帮助。徐秋涛博士（现为广西大学农学院教授）、陈正庭博士（现为中国水稻研究所助理研究员）和博士研究生王静也参与了该研究工作。本研究得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、法国国家研究机构项目、中央高校基本科研业务费项目、湖北省基础研究计划项目和中国农业科研系统专项基金等的资助。

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