春寒料峭時，玉蘭花竟能悄悄“發(fā)熱”？這看似童話般的現(xiàn)象，實則蘊含著植物應(yīng)對低溫，保障繁殖的生存智慧。近日，北京林業(yè)大學(xué)王若涵教授團(tuán)隊在植物學(xué)權(quán)威期刊Plant, Cell & Environment在線發(fā)表題為Integrated Multiscale Imaging and Non-invasive Micro-sensing Decipher Spatiotemporal CalciumDynamics in Thermogenic Tissue of Magnolia Flower的研究成果，通過多尺度成像與非損傷微測技術(shù)的創(chuàng)新融合，首次精準(zhǔn)定位玉蘭花核心產(chǎn)熱區(qū)，并揭示鈣離子調(diào)控產(chǎn)熱的關(guān)鍵機制，成功突破木本植物生熱研究的長期瓶頸，為該領(lǐng)域奠定了關(guān)鍵方法與體系基礎(chǔ)。

樹木開花也能“發(fā)熱”？

生熱植物憑借自主調(diào)控花器官溫度（floral thermogenesis）的獨特能力在植物界繁殖競爭中占據(jù)優(yōu)勢：它們通過花朵產(chǎn)熱維持適宜溫度，促進(jìn)花粉萌發(fā)、加速花香揮發(fā)以吸引昆蟲訪花，促進(jìn)生殖成功。然而，木本植物的組織結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，其產(chǎn)熱組織的具體位置、調(diào)控產(chǎn)熱的關(guān)鍵信號分子等核心問題，一直是植物生理學(xué)領(lǐng)域的研究難點，制約著對木本植物繁殖適應(yīng)與能量代謝機制的深入理解。

多尺度成像融合，給復(fù)雜產(chǎn)熱區(qū)繪出“精準(zhǔn)地圖”

以木蘭科玉蘭Magnolia denudata為研究對象，創(chuàng)新整合高分辨紅外熱成像（IR）、多光譜成像（MSI）與微區(qū) X 射線熒光光譜成像（μ-XRF）等多尺度成像技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，玉蘭產(chǎn)熱高峰期，鈣元素在其雌蕊柱外側(cè)組織呈現(xiàn)顯著富集狀態(tài)，且鈣元素的“分布區(qū)域”，與紅外熱成像標(biāo)記的“產(chǎn)熱熱點區(qū)”、多光譜成像區(qū)分的“功能組織區(qū)”高度吻合。這一發(fā)現(xiàn)不僅首次明確了玉蘭花的核心產(chǎn)熱區(qū)域為雌蕊柱外側(cè)組織，更提供了“元素分布 - 功能區(qū)域 - 產(chǎn)熱信號” 聯(lián)動的精準(zhǔn)研究方法，為復(fù)雜木本植物產(chǎn)熱組織定位提供了關(guān)鍵技術(shù)體系。

圖1 μ-XRF揭示鈣在玉蘭雌蕊柱外側(cè)組織的顯著富集

鈣離子啟動線粒體呼吸“引擎”

在鎖定產(chǎn)熱區(qū)域后，團(tuán)隊進(jìn)一步利用非損傷微測技術(shù)（NMT），深入探究產(chǎn)熱調(diào)控的“分子密碼”。結(jié)果顯示：產(chǎn)熱高峰期雌蕊柱細(xì)胞和線粒體的鈣離子內(nèi)流速率均顯著增加。同時，轉(zhuǎn)錄組時序表達(dá)分析揭示，調(diào)控鈣離子跨膜運輸?shù)耐ǖ赖鞍谆蚺c線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運蛋白基因，在這一時期均呈現(xiàn)高表達(dá)狀態(tài)。通過生熱細(xì)胞呼吸測定證實，鈣離子濃度變化直接控制線粒體的呼吸代謝效率：提高胞內(nèi)鈣離子濃度，能顯著增強線粒體有氧呼吸速率，尤其能提升通過交替氧化酶（AOX）途徑的能量耗散效率；反之，降低鈣離子濃度則會明顯抑制呼吸作用。這表明，線粒體中鈣離子的增加，成為觸發(fā)玉蘭花產(chǎn)熱的“能量開關(guān)”。

圖2 鈣離子促進(jìn)線粒體呼吸并可實現(xiàn)呼吸抑制逆轉(zhuǎn)

建立木本生熱植物研究新范式

該研究通過多尺度成像技術(shù)與非損傷微測技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，實現(xiàn)“產(chǎn)熱位置”、“元素分布”、“離子流”聯(lián)合分析，建立了完整的木本生熱植物能量代謝研究技術(shù)體系；解析了鈣離子調(diào)控線粒體呼吸參與產(chǎn)熱的機制，不僅為理解木本植物如何通過產(chǎn)熱適應(yīng)早春低溫環(huán)境、保障繁殖成功提供了關(guān)鍵線索，更為后續(xù)生熱植物資源的產(chǎn)熱能力研究及應(yīng)用奠定了方法與體系基礎(chǔ)。

圖3生熱細(xì)胞中的鈣離子轉(zhuǎn)運途徑

北京林業(yè)大學(xué)在讀博士研究生王思?xì)J、于淼為共同第一作者，王若涵教授為通訊作者。本研究得到國家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費的支持。

作者簡介：

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。致力于植物生長發(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，主持國家自然科學(xué)基金項目，國家“十三五”及“十四五”重點研發(fā)子課題及國家林草局課題等國家級項目，撰寫國家級規(guī)劃教材及著作3部，獲批國家發(fā)明專利6項，近年來，在《Plant Physiology》、《Plant Journal》、《Plant Cell & Environment》及《中國科學(xué)-生命科學(xué)》、《科學(xué)通報》等國內(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)和社會效益，研究成果獲北京市優(yōu)秀青年科技論文一等獎等榮譽稱號。

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