【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】水是生命的最基本要素。對于植物而言，種子干燥以及干旱、高鹽、高溫等逆境脅迫，最終都會歸結(jié)為同一個核心問題——細(xì)胞內(nèi)可利用水變少。長期以來，人們已經(jīng)認(rèn)識到細(xì)胞能夠感知滲透壓變化，并通過一系列信號級聯(lián)通路啟動應(yīng)答。然而，一個更基礎(chǔ)的問題始終缺乏答案：細(xì)胞究竟能否直接感知“水本身”的變化？
 

　　5月27日，清華大學(xué)生命學(xué)院方曉峰團(tuán)隊(duì)在《自然》(Nature)雜志在線發(fā)表題為“通過生物大分子凝聚感受細(xì)胞內(nèi)水勢”(Cellular water potential sensing via biomolecular condensation)的研究論文，首次揭示植物細(xì)胞能夠通過一種“水勢依賴的生物大分子相分離”機(jī)制，直接感知細(xì)胞水狀態(tài)變化，并進(jìn)一步重塑RNA轉(zhuǎn)運(yùn)與翻譯過程，從而促進(jìn)植物適應(yīng)逆境環(huán)境?！蹲匀弧吠谝浴堆芯靠煊崱?Research Briefing)的形式對該工作以“波濤洶涌的水：一種蛋白質(zhì)能感知細(xì)胞何時缺水”(Troubled waters: a protein senses when cells are running dry)為題進(jìn)行報道。
 

　　傳統(tǒng)認(rèn)知中，水通常被視為細(xì)胞中的“背景溶劑”。但事實(shí)上，細(xì)胞中的水并不均一。一部分水緊密包圍在蛋白質(zhì)表面，形成水合層；另一部分則以自由水形式存在。環(huán)境脅迫導(dǎo)致水勢下降，會改變水與生物大分子的相互作用狀態(tài)，并伴隨細(xì)胞體積收縮、分子擁擠增強(qiáng)、離子濃度變化等一系列物理化學(xué)變化。由于難以直接追蹤蛋白周圍的水合狀態(tài)，細(xì)胞是否能夠直接感知“水合變化”長期以來并不清楚。
 

　　方曉峰團(tuán)隊(duì)專注于研究相分離形成的凝聚體在植物感知、應(yīng)答和記憶環(huán)境脅迫中的作用機(jī)制，鑒定和解析了多種環(huán)境感知的相分離機(jī)制。生物大分子與水的相互作用是影響相分離的一個重要因素，因此團(tuán)隊(duì)提出一個大膽假設(shè)：細(xì)胞是否能夠通過“生物大分子凝聚”這一物理過程直接感知水勢變化？
 

　　為了回答這一問題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)策略。相比普通水(H?O)，重水(D?O)中的氫鍵更強(qiáng)，會增強(qiáng)“水-水”相互作用，同時削弱“水-蛋白”相互作用。因此，重水能夠在不顯著改變細(xì)胞體積和分子擁擠程度的情況下，選擇性降低蛋白質(zhì)的水合狀態(tài)。通過篩選，研究團(tuán)隊(duì)鑒定到一個此前功能未知的核定位蛋白SAM8。在正常條件下，SAM8均勻分布于細(xì)胞核中；而僅經(jīng)過數(shù)分鐘D?O處理后，SAM8即迅速形成核內(nèi)凝聚體(圖1)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，模擬干旱、高鹽和高滲脅迫同樣能夠誘導(dǎo)SAM8凝聚。值得注意的是，SAM8的凝聚并不依賴經(jīng)典滲透脅迫信號通路，暗示了SAM8可能直接感知 “水勢變化”本身。

 

　　進(jìn)一步的生物物理分析表明，SAM8具有異常強(qiáng)的親水性，其周圍包裹著大量水分子，從而形成較厚的水合層。研究發(fā)現(xiàn)，SAM8中一段富含負(fù)電荷的無序區(qū)(IDR3)能夠形成局部電場，并顯著增強(qiáng)對水分子的吸引與束縛能力。在水分充足條件下，這種高度水合狀態(tài)會阻止SAM8分子之間發(fā)生聚集，因此蛋白保持彌散狀態(tài)；而當(dāng)細(xì)胞水勢下降時，水合層減弱，SAM8分子間相互作用迅速增強(qiáng)，從而觸發(fā)凝聚。這一結(jié)果表明，蛋白質(zhì)周圍的水合狀態(tài)本身可以成為一種可被細(xì)胞利用的“物理傳感層”。

 

　　SAM8凝聚之后會進(jìn)一步選擇性招募ALY家族與EIF4A3等關(guān)鍵RNA出核運(yùn)輸因子，引起大量mRNA被滯留在細(xì)胞核中。這一過程最終引發(fā)細(xì)胞翻譯程序的系統(tǒng)性重編程：與生長相關(guān)的mRNA翻譯被抑制，而與抗逆相關(guān)的mRNA翻譯被增強(qiáng)，使植物進(jìn)入一種“降低生長、優(yōu)先存活”的狀態(tài)。在缺失SAM8或者含有不能發(fā)生相分離的SAM8植物中，這種翻譯重編程能力顯著受損，植物對缺水脅迫也更加敏感。
 

　　因此，SAM8不僅是一個能夠感知水勢變化的分子，更是連接環(huán)境變化與基因表達(dá)重塑的重要節(jié)點(diǎn)。
 

　　該工作的意義不僅在于發(fā)現(xiàn)了一個新的植物抗逆蛋白，更重要的是，它為理解細(xì)胞如何感知環(huán)境提供了新的概念框架。過去數(shù)十年，環(huán)境感知研究主要遵循“刺激-受體-信號通路-基因表達(dá)”的經(jīng)典模式。而該研究提出，細(xì)胞并不一定總是依賴復(fù)雜的信號級聯(lián)反應(yīng)；在某些情況下，生物大分子本身的物理化學(xué)性質(zhì)，就足以直接感知環(huán)境變化。換言之，生命不僅通過“化學(xué)信號”感知世界，也可能通過“物理狀態(tài)”理解環(huán)境。
 

　　此外，研究中使用的重水(D?O)不僅是實(shí)驗(yàn)材料，更像一種全新的“生物物理探針”。這一策略為未來研究細(xì)胞水合作用、蛋白凝聚以及環(huán)境感知機(jī)制提供了新的實(shí)驗(yàn)工具，也提示“重水生物學(xué)(heavy water biology)”可能成為理解生命物理化學(xué)基礎(chǔ)的新方向。
 

　　清華大學(xué)生命學(xué)院副教授、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心研究員方曉峰為論文通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院博士后王云鶴為論文第一作者。
 

　　研究得到中國科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)篤實(shí)專項(xiàng)、浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目和西湖實(shí)驗(yàn)室等的支持。
 

　　引用： 生命學(xué)院方曉峰團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞水勢感受器 清華大學(xué)【引用時間：2026年05月28日】