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北京林业大学林木遗传育种全国重点实验室

花匠小妙招
2025-07-30 10:27

植物也能“发热”？与恒温动物类似，部分植物在开花期可通过能量代谢主动升高花器官温度，这一生理活动被称为开花生热（Floral thermogenesis）。开花生热不仅有助于吸引传粉昆虫，还能促进生殖发育，是植物适应环境的重要进化策略。然而，如何精准定位植物复杂生热组织并解析其调控机制一直是科学界的难题。

近日，林木遗传育种全国重点实验室王若涵教授团队在植物学权威期刊Plant Physiology在线发表题为Multiscale Imaging Locates Thermogenic Tissues and Reveals the Role of Ca2+ in Floral Thermogenesis的研究论文。该研究首次整合红外热成像（IR）与微区X荧光射线（μ-XRF）技术，成功精准定位荷花（Nelumbo nucifera）花托中的核心生热组织，并发现钙离子（Ca2+）通过调控线粒体呼吸链直接参与生热过程。这一成果是继本团队建立植物生热能量代谢动态追踪技术后的又一重要进展（Plant, Cell & Enviorment, doi.org/10.1111/pce.15185），为植物能量代谢研究领域提供了全新的多尺度成像技术范式，并揭示了植物生热的精准策略与进化生物学意义。

多尺度成像精确定位生热“热点”研究团队以荷花为材料，通过红外热成像初步确定花托的皮层和心皮上部为生热区域。为进一步提高分辨率，团队创新性地引入μ-XRF技术，发现生热阶段花托中钙元素（Ca）的分布与热信号高度重叠（图1），且钙离子在生热阶段的转运速率显著提升。钙信号成为定位生热组织的关键指标。

图1 μ-XRF扫描揭示钙元素在生热组织中的特异性富集

钙离子如何“点燃”线粒体生热？通过时序转录组分析，团队发现生热启动阶段（S1），线粒体钙离子单向转运体（MCU）基因表达显著上调，驱动钙离子进入线粒体基质。实验证实，增加胞内钙浓度可逆转替代呼吸途径（AOX）的抑制状态，直接激活能量代谢（图2）。该研究认为钙离子是连接环境信号与能量代谢的“分子开关”，这一发现为理解植物如何高效利用能量提供了新视角。

图2 钙离子对线粒体呼吸抑制的逆转

生热组织的“精准投放”策略研究还揭示，荷花生热组织集中分布于花托表皮和心皮上部，紧贴花瓣形成的密闭腔室（图3）。这种空间布局可最小化热量散失，为传粉昆虫提供稳定的“温床”。团队推测，这是生热植物与昆虫协同进化过程中形成的能量高效利用策略。

图3 荷花花托的生热器官及其内部的生热组织分布

总而言之，该研究创新性地结合红外热成像与微区X荧光射线技术，首次在荷花花托中精确定位了生热组织，并揭示了钙离子通过调控线粒体呼吸链驱动开花生热的关键机制。这一发现不仅为理解植物能量代谢调控及其适应性进化机制提供了新视角，也为研究植物与传粉昆虫的协同进化关系开辟了新思路。未来研究可进一步探索该体系在其他典型生热植物（如木兰科、天南星科等）中的普适性及新机制，为植物生理生态学研究提供重要参考。