植物固着生长，时刻面对环境变化，如何以静制动、生生不息，是获得生存优势的关键，也是作物逆境稳产的基础。4月2日，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究员带领的环境智能高产稳产设计育种攻关团队在Developmental Cell上发表了题为“ROS Burst Prolongs Transcriptional Condensation to Slow Shoot Apical Meristem Maturation and Achieve Heat-Stress Resilience in Tomato”的研究论文，该研究揭示了番茄利用高温诱导的活性氧延长转录凝聚体的相分离状态，实现茎尖干细胞发育重编程，“以静制动、借力打力”的避害稳产机制。
全球气候变化导致农业灾害频发，尤其是高温热浪造成农作物大幅减产，进一步加剧了粮食安全风险。国家统计数据显示，2024年我国农作物受灾面积约1.51亿亩，直接经济损失4011.1亿元。据测算，平均气温比工业革命前每上升1℃，粮食产量平均下降6%至8%。
茎尖分生组织干细胞是植物地上部形态建成的核心，其发育过程直接决定作物产量。高温胁迫可能导致茎尖干细胞分化异常或死亡，进而造成地上部发育异常或植株死亡，导致作物减产甚至绝产。因此，解析茎尖干细胞适应高温逆境的分子机制，对指导作物栽培管理和培育逆境稳产品种具有重要意义。然而，当前对该机制仍缺乏了解。茎尖分生组织干细胞发育具有显著的时空特异性，包括营养生长期、转换期和生殖生长期等在内的不同时期对温度变化的适应机制不同，且表型观察需要大量的显微操作，因此长期缺乏系统可靠的研究体系，导致其逆境响应机制的研究难以突破。为此，许操团队以番茄为研究模式，建立了包括高温处理、茎尖分生组织成像、显微切割与组织染色，蛋白相分离与转录活性分析等一系列方法在内的研究体系。
研究团队利用上述研究方法对不同发育时期的番茄幼苗进行高温处理和恢复生长，建立了不同时期茎尖分生组织干细胞响应高温的发育形态图谱和产量损失图谱。发现处于营养生长早期的番茄茎尖分生组织遭遇高温时，会暂时停止干细胞成熟程序，进入“待机模式”，延长营养生长阶段“躲避高温”，待高温解除后恢复正常发育实现稳产。而处于转换期和生殖生长期的番茄茎尖分生组织遭遇高温胁迫则无法启动“待机模式”，导致花序结构异常和败育，造成第一穗果实产量损失34%-63%。处于茎尖分生组织转换期和生殖生长期的番茄幼苗仅有3~4片真叶，在育苗实践中常被误认为幼苗而忽视温度控制，导致生产实践中第一穗果的产量损失。这些结果表明，植物茎尖干细胞存在“以静制动”温度适应性发育重编程机制以实现稳产。
进一步研究揭示了植物环境智能适应机制。高温胁迫导致植物细胞产量大量的活性氧，它们不仅会攻击作物细胞膜造成氧化损伤，也能导致蛋白质、核酸等生物大分子结构和功能破坏，长期被认为是危险信号。植物进化了活性氧清除机制以缓解氧化损伤。而许操团队的研究则揭示了植物“借力打力”“智能”应对逆境的能力。番茄茎尖干细胞利用高温诱导产生的活性氧，促进开花抑制因子TMF的相分离，使之保持更长时间的转录凝聚体状态以维持对成花基因抑制，延长营养生长阶段，适应性重编程茎尖分生组织发育，避免过早进入生殖发育而遭遇高温胁迫，等待逆境危机解除后启动生殖生长，实现稳产。这种“借力打力”“韬光养晦”的生存策略，可能是固着生长的植物为应对不断变化的环境而演化出的一种保守适应性机制，这一发现为设计环境智能高产稳产作物品种提供新的理论。
中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究组副研究员黄小珍和已毕业博士研究生肖楠为该论文的共同第一作者，许操研究员为论文的通讯作者。许操研究组博士研究生谢跃对该工作做出了重要贡献。该研究得到自然基金委项目和中国科学院青年创新促进会资金支持。
图：番茄通过茎尖干细胞发育重编程获得高温适应性保持稳产的分子机制。
