水是生命的最基本要素。对于植物而言，种子干燥，干旱、高盐和高温等逆境胁迫，最终都会归结为同一个核心问题 — 细胞内「可利用水」变少。长期以来，人们已经认识到细胞能够感知渗透压变化，并通过一系列信号级联通路启动应答。然而，一个更基础的问题始终缺乏答案：细胞究竟能否直接感知「水本身」的变化？ 2026 年 5 月 28 日，清华大学方晓峰团队在 Nature 杂志在线发表了题为 Cellular water potential sensing via biomolecular condensation 的研究论文，首次揭示植物细胞能够通过一种「水势依赖的生物大分子相分离」机制，直接感知细胞水状态变化，并进一步重塑 RNA 转运与翻译过程，从而促进植物适应逆境环境。 Nature杂志同期以 Research Briefing 的形式对该工作进行了题为「Troubled waters: a protein senses when cells are running dry」的报道。 细胞能否直接「感知水」？ 传统认知中，水通常被视为细胞中的「背景溶剂」。但事实上，细胞中的水并不均一：一部分水紧密包围在蛋白质表面，形成「水合层」；另一部分则以自由水形式存在。环境胁迫导致水势下降，会改变水与生物大分子的相互作用状态，并伴随细胞体积收缩、分子拥挤增强、离子浓度变化等一系列物理化学变化。由于难以直接追踪蛋白周围的水合状态，细胞是否能够直接感知「水合变化」长期以来并不清楚。 方晓峰课题组专注于研究相分离形成的凝聚体在植物感知、应答和记忆环境胁迫中的作用机制，鉴定和解析了多种环境感知的相分离机制 [1-5]。生物大分子与水的相互作用是影响相分离的一个重要因素，因此研究团队提出一个大胆假设：细胞是否能够通过「生物大分子凝聚」这一物理过程直接感知水势变化？ 利用重水「解耦」水合效应 为了回答这一问题，研究人员设计了一个关键实验策略。相比普通水（H₂O），重水（D₂O）中的氢键更强，会增强「水 — 水」相互作用，同时削弱「水 — 蛋白」相互作用。因此，重水能够在不显著改变细胞体积和分子拥挤程度的情况下，选择性降低蛋白质的水合状态。通过筛选，研究团队鉴定到一个此前功能未知的核定位蛋白 SAM8。在正常条件下，SAM8 均匀分布于细胞核中；而仅经过数分钟 D₂O 处理后，SAM8 即迅速形成核内凝聚体（图 1）。进一步研究发现，模拟干旱、高盐和高渗胁迫同样能够诱导 SAM8 凝聚。值得注意的是，SAM8 的凝聚并不依赖经典渗透胁迫信号通路，暗示了 SAM8 可能直接感知「水势变化」本身。 图 1. SAM8 响应水势变化发生相分离。（A）重水处理模拟水势变化的模式图。（B）SAM8 蛋白在细胞内直接感知重水引起的水势变化发生聚集。 一个依赖「水合层」的水势感受器 进一步的生物物理分析表明，SAM8 具有异常强的亲水性，其周围包裹着大量水分子，从而形成较厚的水合层。研究发现，SAM8 中一段富含负电荷的无序区（IDR3）能够形成局部电场（图 2A），并显著增强对水分子的吸引与束缚能力。在水分充足条件下，这种高度水合状态（图 2B）会阻止 SAM8 分子之间发生聚集，因此蛋白保持弥散状态；而当细胞水势下降时，水合层减弱，SAM8 分子间相互作用迅速增强，从而触发凝聚。这一结果表明，蛋白质周围的水合状态本身可以成为一种可被细胞利用的「物理传感层」。 图 2. SAM8 蛋白具有较强水合层。（A）SAM8 电性分布结构图。（B）SAM8 蛋白具有较大的水合半径（Rh）和粒子半径（Rg）差异。 从 RNA 转运到翻译重编程 SAM8 凝聚之后会进一步选择性招募 ALY 家族与 EIF4A3 等关键 RNA 出核运输因子，引起大量 mRNA 被滞留在细胞核中（图 3）。这一过程最终引发细胞翻译程序的系统性重编程：与生长相关的 mRNA 翻译被抑制，而与抗逆相关的 mRNA 翻译被增强，使植物进入一种「降低生长、优先存活」的状态。在缺失 SAM8 或者含有不能发生相分离的 SAM8 植物中，这种翻译重编程能力显著受损，植物对缺水胁迫也更加敏感。 因此，SAM8 不仅是一个能够感知水势变化的分子，更是连接环境变化与基因表达重塑的重要节点。 图 3. SAM8 相分离感知和响应温水势变化的工作模型。 环境感知或许不仅依赖「化学信号」 这项工作的意义不仅仅在于发现了一个新的植物抗逆蛋白，更重要的是，它为理解细胞如何感知环境提供了新的概念框架。过去数十年，环境感知研究主要遵循「刺激 — 受体 — 信号通路 — 基因表达」的经典模式。而该研究提出，细胞并不一定总是依赖复杂的信号级联反应；在某些情况下，生物大分子本身的物理化学性质，就足以直接感知环境变化。换言之，生命不仅通过「化学信号」感知世界，也可能通过「物理状态」理解环境。 重水可能成为研究「水合生物学」的新工具 此外，研究中使用的重水（D₂O）并不仅仅是实验材料，它更像一种全新的「生物物理探针」。这一策略为未来研究细胞水合作用、蛋白凝聚以及环境感知机制提供了新的实验工具，也提示「重水生物学（heavy water biology）」可能成为理解生命物理化学基础的新方向。 清华大学生命学院副教授、清华-北大生命科学联合中心研究员、绿色生物制造全国重点实验室研究员方晓峰为该文通讯作者。清华大学生命学院博士后王云鹤为该文第一作者。西湖大学张鑫教授及其课题组朱龙琛博士、清华大学博士生杨芸和中国科学院新疆生态与地理研究所李小双研究员等人对该工作做了重要贡献。该工作获得了中国科技部重点研发计划、国家自然科学基金、清华大学笃实专项、浙江省重点实验室建设项目和西湖实验室等经费的支持。 论文链接： https://doi.org/10.1038/s41586-026-10591-8 参考文献： 1 Zhang, H. et al. Molecular Plant (2023) 16, 310-313. 2 Wang, B. et al. Nature Chemical Biology (2022) 18, 1361-1369. 3 Wang, Y. et al. Nature (2024) 634, 1204-1210. 4 Geng, P. et al. Cell Research (2025) 35, 483-496. 5 Wu, J. et al. Nature Communications (2025) 16.
