Nature Plants | 一条进化保守的高温响应信号通路

植物必须精准调控气孔运动，以便在光合作用、水分散失与叶片降温之间达成动态平衡。高温环境下，气孔的主动开放可通过蒸发冷却帮助植物抵御热胁迫，但其背后的分子调控通路与进化起源有待深入解析。

近日，比利时根特大学的研究团队在Nature Plants发表了题为Evolutionary tuning of the molecular charge state of UBP24 shapes responses to high temperature的研究论文，揭示了一条进化保守的高温响应信号通路：通过磷酸化调控去泛素化酶 UBP24 的分子电荷状态，稳定质膜质子泵以促进高温下气孔开放。该发现不仅阐明了植物高温适应的全新分子路径，更揭示了真核生物中 “电荷调控去泛素化酶功能” 这一保守的进化逻辑。

为挖掘植物中保守的高温响应磷酸化调控元件，研究团队以拟南芥和小麦为材料，开展了高温处理下的比较磷酸化蛋白质组分析。通过比较两个物种中显著受高温调控的磷酸化事件，最终鉴定到8个磷酸化水平共同上调、15个共同下调的蛋白。其中，去泛素化酶UBP24的第360位丝氨酸（Ser360）磷酸化在高温下显著上调，且该位点在维管植物中高度保守。进一步进化分析显示，UBP24 Ser360可磷酸化位点的出现，恰好与维管植物主动气孔开放功能的演化时间相吻合。结合此前 UBP24 已被证实参与 ABA 介导的气孔关闭，研究团队推测该蛋白是气孔运动调控的关键节点，在高温响应中发挥着尚未被发现的功能。

研究团队综合运用遗传学验证、生化激酶实验、分子动力学结构模拟与细胞生物学成像等技术手段，逐层完整解析了这条高温响应信号通路的上下游调控机制：上游层面，B4 家族 RAF 激酶在高温下以不依赖脱落酸 ABA 的方式，通过磷酸化 OST1 的激活环激活其激酶活性，激活后的 OST1 能够直接结合去泛素化酶 UBP24，并特异性磷酸化其 Ser360 位点；核心层面，Ser360 磷酸化通过引入负电荷显著提升 UBP24 的蛋白结构稳定性、降低高温下的蛋白降解速率，使其在热胁迫下维持足够的功能蛋白量，这一过程是高温下气孔开放的必需条件 ——ubp24功能缺失突变体高温气孔开放能力显著受损，仅回补野生型或模拟持续磷酸化的 UBP24 (S360D) 可恢复表型，酶活失活突变体或磷酸化失活型 UBP24 (S360A) 均无法回补；下游层面，稳定后的 UBP24 靶向作用于质膜 H⁺-ATPase AHA1这一驱动气孔开放的核心执行因子，通过对 AHA1 进行去泛素化修饰，调控其C端调控域 Lys63 位的泛素化水平，阻止 AHA1 的内吞与降解，维持其在质膜上的蛋白丰度与质子泵活性，最终实现高温胁迫下的气孔开放。

在酿酒酵母中，UBP24的同源蛋白Ubp3在对应Ser360的位点上并非可磷酸化的丝氨酸，而是组成型带负电的谷氨酸（Glu691），实验证实将该谷氨酸突变为不带电的丙氨酸（E691A）后，酵母热激后的生长速率显著下降，亚适温下生长缺陷尤为明显，分子动力学模拟也验证了该位点负电荷对Ubp3蛋白结构稳定性的关键作用；对8种不同耐热性酵母菌及实验室定向进化菌株的分析进一步显示，该负电荷位点在演化中高度保守、未发生变异，印证了其对酵母热适应性的核心意义，基于此研究团队提出了演化层面的统一逻辑：维管植物中演化出可动态调控的磷酸化位点，通过激酶-磷酸酶系统灵活调节蛋白负电荷水平，实现对气孔运动的精准、可逆调控，而真菌与动物的同源蛋白在对应位置保留了组成型负电荷的酸性氨基酸，以此维持基础的细胞热适应功能。

综上所述，该研究鉴定了一条全新的、不依赖ABA的高温气孔开放信号通路，更改写了OST1仅作为ABA信号正调控因子介导气孔关闭的传统认知，证明其可在高温下独立介导气孔开放，发挥双重调控功能。此外，该研究还揭示了 “分子电荷状态调控去泛素化酶功能” 这一进化保守的细胞热适应机制，为理解真核生物的胁迫适应演化提供了新视角。在全球气候变暖的背景下，这一发现也为作物抗热遗传改良提供了全新分子靶点，通过精准调控UBP24的磷酸化状态或蛋白稳定性，有望提升作物高温环境下的蒸腾冷却效率与耐热性，为应对气候变化、保障作物产量提供新的育种策略。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-026-02345-1