干旱环境中的生命密码：解析脱水耐受性及转化应用的探索之路

《Nature Communications》：Life on the dry side: a roadmap to understanding desiccation tolerance and accelerating translational applications

为解决脱水耐受性研究缺乏标准化、数据整合困难及转化应用缓慢等问题，研究人员开展了对脱水耐受性（Desiccation Tolerance）的多尺度研究。结果表明其进化复杂且在多领域有应用潜力。这一研究为相关领域发展提供了方向，意义重大。

　　在自然界中，生物体为了在极端环境下生存，进化出了各种神奇的适应能力，其中脱水耐受性（Desiccation Tolerance）堪称一绝。想象一下，有些生物、组织和细胞竟然能在体内水分近乎完全丧失的情况下存活，这一现象长久以来吸引着科学家们不断探索。然而，目前脱水耐受性的研究面临诸多挑战。一方面，不同学科之间缺乏统一标准，研究方法、测量指标等各不相同，导致数据难以整合，就像一盘散沙，无法形成系统性的认知；另一方面，从基础研究到实际应用的转化过程缓慢，许多潜在的应用价值未能得到充分挖掘。在全球气候变化、物种多样性减少以及自然灾害频发的背景下，深入研究脱水耐受性变得尤为迫切，它对于解决粮食安全、健康医疗以及生物多样性保护等问题具有重要意义。

为了攻克这些难题，来自多个国外研究机构的研究人员携手合作，对脱水耐受性展开了全面而深入的研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域带来了新的曙光。

研究人员采用了多种技术方法来开展研究。在基因组学方面，对多种脱水耐受生物的基因组进行测序和分析，以探究其遗传基础；利用转录组学、蛋白质组学和代谢组学技术，研究在脱水和复水过程中基因表达、蛋白质和代谢物的变化；还通过生理学和细胞生物学实验，观察生物体在脱水和复水过程中的生理反应和细胞结构变化。

研究结果如下：

• 脱水耐受性的定义与进化：明确了脱水耐受性相关概念的定义，如脱水耐受性是指生物体干燥至静止状态并在复水后恢复正常细胞功能的能力，通常当生物体干燥至 -100MPa（~10% 干重）或更低时被认为具有脱水耐受性。脱水耐受性在生命进化树中多次独立进化且具有趋同性，它是早期生命从水生向陆生过渡的关键适应特征。不过，在进化过程中，许多生物也多次丧失了这种能力，这可能与维持该能力的成本以及与其他性状的权衡有关。例如，在维管植物中，营养组织的脱水耐受性被认为是次生进化的结果，是通过对孢子和种子中保留的祖先途径进行重新调控实现的123。
• 脱水耐受性的生态分布：脱水耐受生物的分布与环境因素密切相关，但并非简单地与干旱地区相关。许多此类生物存在于湿润气候中的低水分微生境中，如高盐湖泊、临时性水池等。不同分类群的分布模式差异很大，一些类群具有全球性分布，而另一些则具有地理和生态特异性。比如，具有营养组织脱水耐受性的被子植物在热带和季节性温和地区的多样性更高45。
• 脱水耐受性的生理和细胞机制：脱水会对细胞的大分子和细胞结构造成多种影响，如细胞内分子拥挤、活性氧（ROS）积累、蛋白质变性等。脱水耐受生物在干燥过程中会积累保护蛋白，如晚期胚胎丰富蛋白（LEA）、热休克蛋白（HSP）等，以及保护性代谢物，如海藻糖、蔗糖等。这些物质协同作用，保护细胞免受损伤，维持细胞的完整性和功能。此外，在低水分含量下，细胞质会发生玻璃化转变，形成非晶态的 “玻璃” 状态，减缓分子运动，有助于保护细胞，但玻璃化转变并非是脱水耐受性的唯一决定因素678。
• 脱水耐受性研究的挑战与方法：当前脱水耐受性研究存在诸多障碍，包括实验方法缺乏标准化、研究干燥状态生物的技术限制以及分类学采样不足等。为了确定一个样本是否具有脱水耐受性，需要综合考虑多种因素，如干燥和复水的速率、强度、持续时间等，并采用合适的测量方法，如测量水势、相对含水量等。同时，还需要整合多组学数据，以系统地理解脱水耐受性的机制，但目前组学研究存在方法不一致和元数据报告不完整的问题91011。
• 脱水耐受性的应用前景：脱水耐受性研究在多个领域具有广阔的应用前景。在医学领域，有助于开发新型药物和生物流体，改善细胞和生物制品的干燥保存技术；在农业方面，可通过基因工程培育更耐旱的作物，提高种子的保存和萌发能力；在材料科学领域，能够启发新型环境响应材料的设计。例如，从脱水耐受生物中提取的代谢物，如海藻糖等，具有抗氧化、抗肥胖等多种特性，可应用于化妆品、营养和食品储存等行业1213。

研究结论表明，脱水耐受性是一个复杂的生物学现象，涉及多个生物学层次和多种机制。通过对其进化、生态、生理和细胞机制的深入研究，为解决全球面临的一系列挑战提供了新的思路和方法。然而，目前仍有许多问题有待进一步研究，如脱水耐受性的遗传调控网络、不同生物之间脱水耐受性机制的差异等。未来，需要加强多学科合作，采用标准化的研究方法，深入挖掘脱水耐受性的奥秘，推动其在各个领域的广泛应用，为人类社会的可持续发展做出贡献。