水是生命的最基本要素。对于植物而言，种子干燥以及干旱、高盐、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？

5月27日，清华大学生命学院方晓峰团队在《自然》（Nature）杂志在线发表题为“通过生物大分子凝聚感受细胞内水势”（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。《自然》同期以《研究快讯》（Research Briefing）的形式对该工作以“波涛汹涌的水：一种蛋白质能感知细胞何时缺水”（Troubled waters: a protein senses when cells are running dry）为题进行报道。

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。

方晓峰团队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。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？

为了回答这一问题，研究团队设计了一个关键实验策略。相比普通水（H?O），重水（D?O）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D?O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

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

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相分离感知和响应水势变化的工作模型

该工作的意义不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。

此外，研究中使用的重水（D?O）不仅是实验材料，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方晓峰为论文通讯作者，清华大学生命学院博士后王云鹤为论文第一作者。

研究得到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的支持。