水是生命的最基本要素。對于植物而言，種子干燥，干旱、高鹽和高溫等逆境脅迫，最終都會歸結為同一個核心問題—細胞內“可利用水”變少。長期以來，人們已經認識到細胞能夠感知滲透壓變化，并通過一系列信號級聯通路啟動應答。然而，一個更基礎的問題始終缺乏答案：細胞究竟能否直接感知“水本身”的變化？

2026年5月27日，清華大學方曉峰團隊在Nature雜志在線發表了題為Cellular water potential sensing via biomolecular condensation的研究論文，首次揭示了植物細胞能夠通過一種“水勢依賴的生物大分子相分離”機制，直接感知細胞水狀態變化，并進一步重塑 RNA 轉運與翻譯過程，從而促進植物適應逆境環境。Nature雜志同期以Research Briefing的形式對該工作進行了題為“Troubled waters: a protein senses when cells are running dry”的報道。

細胞能否直接“感知水”？

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

方曉峰課題組專注于研究相分離形成的凝聚體在植物感知、應答和記憶環境脅迫中的作用機制，鑒定和解析了多種環境感知的相分離機制【1-5】。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，因此研究團隊提出一個大膽假設：細胞是否能夠通過“生物大分子凝聚” 這一物理過程直接感知水勢變化？

利用重水“解耦”水合效應

為了回答這一問題，研究人員設計了一個關鍵實驗策略。相比普通水（H?O），重水（D?O）中的氫鍵更強，會增強“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胞體積和分子擁擠程度的情況下，選擇性降低蛋白質的水合狀態。通過篩選，研究團隊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均勻分布于細胞核中；而僅經過數分鐘 D?O 處理后，SAM8 即迅速形成核內凝聚體（圖1）。進一步研究發現，模擬干旱、高鹽和高滲脅迫同樣能夠誘導SAM8 凝聚。值得注意的是，SAM8的凝聚并不依賴經典滲透脅迫信號通路，暗示了SAM8可能直接感知 “水勢變化”。

圖1. SAM8響應水勢變化發生相分離。（A）重水處理模擬水勢變化的模式圖。（B）SAM8蛋白在細胞內直接感知重水引起的水勢變化發生聚集。

一個依賴“水合層”的水勢感受器

進一步的生物物理分析表明，SAM8 具有異常強的親水性，其周圍包裹著大量水分子，從而形成較厚的水合層。研究發現，SAM8 中一段富含負電荷的無序區（IDR3）能夠形成局部電場（圖2A），并顯著增強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（圖2B）會阻止 SAM8 分子之間發生聚集，因此蛋白保持彌散狀態；而當細胞水勢下降時，水合層減弱，SAM8 分子間相互作用迅速增強，從而觸發凝聚。這一結果表明，蛋白質周圍的水合狀態本身可以成為一種可被細胞利用的“物理傳感層”。

圖2. SAM8蛋白具有較強水合層。（A）SAM8電性分布結構圖。（B）SAM8蛋白具有較大的水合半徑（Rh）和粒子半徑（Rg）差異。

從 RNA 轉運到翻譯重編程

SAM8 凝聚之后會進一步選擇性招募ALY家族與EIF4A3等關鍵RNA出核運輸因子，引起大量mRNA被滯留在細胞核中（圖3）。這一過程最終引發細胞翻譯程序的系統性重編程：與生長相關的 mRNA 翻譯被抑制，而與抗逆相關的 mRNA 翻譯被增強，使植物進入一種“降低生長、優先存活”的狀態。在缺失SAM8或者含有不能發生相分離的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，更是連接環境變化與基因表達重塑的重要節點。

圖3. SAM8相分離感知和響應溫水勢變化的工作模型。

環境感知或許不僅依賴“化學信號”

這項工作的意義不僅僅在于發現了一個新的植物抗逆蛋白，更重要的是，它為理解細胞如何感知環境提供了新的概念框架。過去數十年，環境感知研究主要遵循“刺激—受體—信號通路—基因表達”的經典模式。而該研究提出，細胞并不一定總是依賴復雜的信號級聯反應；在某些情況下，生物大分子本身的物理化學性質，就足以直接感知環境變化。換言之，生命不僅通過“化學信號”感知世界，也可能通過“物理狀態”理解環境。

重水可能成為研究“水合生物學”的新工具

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

清華大學生命學院副教授、清華-北大生命科學聯合中心研究員、綠色生物制造全國重點實驗室研究員方曉峰為該文通訊作者。清華大學生命學院博士后王云鶴為該文第一作者。西湖大學張鑫教授及其課題組朱龍琛博士、清華大學博士生楊蕓和中國科學院新疆生態與地理研究所李小雙研究員等人對該工作做了重要貢獻。該工作獲得了中國科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、清華大學篤實專項、浙江省重點實驗室建設項目和西湖實驗室等經費的支持。

參考文獻：

1Zhang, H. et al. Molecular Plant (2023) 16, 310-313.

2Wang, B. et al. Nature Chemical Biology (2022) 18, 1361-1369.

3Wang, Y. et al. Nature (2024) 634, 1204-1210.

4Geng, P. et al. Cell Research (2025) 35, 483-496.

5Wu, J. et al. Nature Communications (2025) 16.

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10591-8