禾本科響應(yīng)非生物脅迫研究進展

史夢夢，王玉泉，鄭興衛(wèi)

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西 太原 030006；2.河南科技學(xué)院小麥中心，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，山西 臨汾 041000）

干旱、高鹽、冷害和高溫等非生物脅迫嚴(yán)重制約了作物的正常生長和產(chǎn)量提高，是造成作物減產(chǎn)的主要因素之一[1]。非生物脅迫會誘發(fā)植物一系列分子、生化和生理的變化，包括滲透物質(zhì)積累、光合作用降低、氣孔關(guān)閉和脅迫應(yīng)答基因的表達[2]。干旱、高溫和鹽脅迫會引起植物脫水，導(dǎo)致細胞質(zhì)和液泡體積的減小[3]；還會產(chǎn)生活性氧（ROS），破壞生物膜、蛋白質(zhì)和DNA，甚至使光合速率和效率下降，萎蔫，進而引發(fā)細胞程序性死亡[4]。低溫脅迫除了會造成細胞活性氧含量增加及光合作用下降[5]外，還會引起低溫敏感植物的生殖器官結(jié)構(gòu)和功能異常，導(dǎo)致受精失敗[6]。

植物感知和應(yīng)答非生物脅迫是一個較復(fù)雜的過程，有多個基因、多信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及多基因表達產(chǎn)物參與其中[7]。發(fā)揮作用的因素主要包括ROS清除酶系統(tǒng)[8]、蛋白激酶、膜轉(zhuǎn)運蛋白[9]、ABA、轉(zhuǎn)錄因子、miRNA[1]等。

禾本科（Poaceae）包括許多重要的農(nóng)作物：水稻（Oryza sativa）是全球1/2以上人口的重要糧食來源[10]；玉米（Zea mays）是世界主要的糧食和飼料作物之一；小麥（Triticum aestivum）提供了全世界近55%的碳水化合物；C4作物高粱（Sorghum bicolor）具有抗旱、耐鹽堿等特性，是我國干旱、半干旱地區(qū)重要的糧食作物和能源作物[11]。1980—2008年間的氣候變化導(dǎo)致了不同作物，包括禾本科，顯著的產(chǎn)量損失：水稻在我國和其他發(fā)展中國家大幅度減產(chǎn)；全球玉米和小麥產(chǎn)量分別下降了3.8%和5.5%[12]。這些數(shù)據(jù)顯示了研究禾本科作物抗逆生理的重要性。在本研究中，山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所小麥細胞工程與分子育種課題組將針對禾本科作物在干旱、高鹽、低溫和熱脅迫下的應(yīng)答機制來概述禾本科脅迫生理學(xué)領(lǐng)域的最新進展。

1 抗氧化系統(tǒng)在禾本科作物抵抗逆境中的作用

非生物脅迫導(dǎo)致的活性氧（ROS）積累是引起糧食作物減產(chǎn)的主要原因之一[13]。植物體需要通過增強抗氧化系統(tǒng)來清除脅迫引起的ROS積累，抗氧化系統(tǒng)包括可能在植物ROS水平調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮作用的各種酶類和非酶類代謝物。LANDI等[14]概括了多種禾本科植物中參與非生物脅迫的相關(guān)基因。

在擬南芥中表達圓錐小麥超氧化物歧化酶基因TdMnSOD，促進了脯氨酸積累，降低了H2O2含量，使轉(zhuǎn)基因擬南芥提高了對多種非生物脅迫的耐受性[15]。小麥鈣網(wǎng)聯(lián)蛋白基因Ta CRT1在Ca2+信號傳導(dǎo)和蛋白質(zhì)折疊中起重要作用，在煙草中過量表達TaCRT1后，相對于野生型耐鹽性增強[16]。

RAVET等[17]研究發(fā)現(xiàn)，干旱、高鹽和其他脅迫誘導(dǎo)了擬南芥鐵蛋白基因（Ferritin）的表達。小麥鐵蛋白基因TaFER-5B轉(zhuǎn)化的擬南芥植株和過表達小麥植株均表現(xiàn)出較低的和H2O2積累，增強了植株的耐熱性和抗旱性[18]。這些結(jié)果同時表明，當(dāng)單子葉植物的抗逆基因在雙子葉植物中異源表達時，可以增強植株的抗逆性。

ROS清除系統(tǒng)在改善水稻非生物脅迫耐受性方面也發(fā)揮了重要作用。CUI等[19]研究發(fā)現(xiàn)，水稻OsSGL基因編碼一個DUF1645家族蛋白，將該基因轉(zhuǎn)化擬南芥，并在水稻中過表達，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株的耐旱性增強。RNA-Seq結(jié)果顯示，過表達OsSGL水稻中幾種ROS響應(yīng)基因的表達量上調(diào)，從而將OsSGL的抗旱功能與ROS清除系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。

在禾本科中，多種轉(zhuǎn)錄因子可以通過調(diào)控活性氧清除機制提高植株對非生物脅迫的抗性。YANG等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在水稻中超量表達R2R3型MYB轉(zhuǎn)錄因子，可以增強過氧化物酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等ROS清除相關(guān)基因的表達，能顯著增強植株對低溫脅迫的抗性。在干旱條件下，將短柄草BdWRKY36基因在煙草中過量表達，發(fā)現(xiàn)與野生型相比，ROS清除相關(guān)酶基因表達上調(diào)，表明WRKY轉(zhuǎn)錄因子在干旱脅迫下對抗氧化系統(tǒng)起調(diào)控作用[21]。

2 質(zhì)膜蛋白在禾本科作物逆境生理中的作用

從細胞水平來看，物質(zhì)跨膜運輸是植物細胞生長與代謝的基礎(chǔ)，質(zhì)膜與細胞壁一起成為細胞感知和應(yīng)答外界信號的屏障。質(zhì)膜蛋白（plasma membrane）構(gòu)成質(zhì)膜的基本結(jié)構(gòu)，是質(zhì)膜行使防御功能的基礎(chǔ)。關(guān)于植物非生物脅迫誘導(dǎo)質(zhì)膜蛋白質(zhì)組學(xué)，以及相關(guān)基因的克隆和功能分析已有大量報道。邱麗麗等[22]整合分析了植物質(zhì)膜響應(yīng)逆境的蛋白質(zhì)組學(xué)研究，揭示了質(zhì)膜蛋白在植物應(yīng)答逆境脅迫中的重要作用。

利用蛋白質(zhì)組學(xué)，在禾本科植物如水稻、小麥、玉米中已鑒定出一系列非生物脅迫響應(yīng)的質(zhì)膜相關(guān)蛋白。水稻中鑒定出8個鹽脅迫相關(guān)的質(zhì)膜蛋白，分別作用于以下幾方面：質(zhì)膜泵和通道，膜結(jié)構(gòu)，氧化脅迫防御，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，蛋白質(zhì)折疊和甲基循環(huán)[23]。冷脅迫下，從水稻根部鑒定出12個質(zhì)膜蛋白[24]。在玉米根部，鹽脅迫能夠使大部分水通道蛋白（aquaporins）的表達量在轉(zhuǎn)錄水平降低[25]。對逆境下根系的蛋白質(zhì)組研究表明，在干旱、高鹽和低溫脅迫條件下，跨膜的水或離子通道蛋白的豐度會更高，表明離子或滲透壓平衡發(fā)生了變化[26]。

在抗逆分子調(diào)控領(lǐng)域，越來越多的質(zhì)膜蛋白基因功能被驗證。小麥質(zhì)膜蛋白基因TaPM19-1在洛旱2號中受干旱、高鹽和高溫脅迫誘導(dǎo)，但在中國春中不響應(yīng)高鹽和高溫脅迫，預(yù)示著該基因在洛旱2號和中國春中可能存在不同的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機制[27]。鹽脅迫中，大麥（Hordeum vulgare L.）HvPIP2/1 基因在根中表達量下降，在莖中表達量上升[28]。

RLKs基因家族是絲/蘇氨酸蛋白激酶，是一類重要的質(zhì)膜蛋白，作為信號分子的受體，通過磷酸化和去磷酸化調(diào)控下游靶基因的表達[29]。RLK基因在作物中應(yīng)對多種非生物脅迫響應(yīng)過程也發(fā)揮了重要作用[7]。在水稻中過表達OsSIK1基因，在干旱和鹽脅迫下，植株體內(nèi)超氧化物歧化酶水平升高，從而增強轉(zhuǎn)基因植株抗逆性[30]。LRR型類受體蛋白激酶OsRPK1基因在根系皮質(zhì)細胞的質(zhì)膜上表達，且表達量受低溫、干旱和ABA等因素誘導(dǎo)[31]。李倩[32]克隆了玉米ZmRLK基因并轉(zhuǎn)化擬南芥，結(jié)果表明，過表達ZmRLK能提高植株對冷脅迫的耐受能力。

為控制質(zhì)膜蛋白在細胞膜上的豐度和活性，質(zhì)膜蛋白同樣受到轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。YOKOTANI等[33]研究結(jié)果表明，超量表達水稻OsWRKY76轉(zhuǎn)錄因子上調(diào)了抗氧化相關(guān)酶及脂質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白基因的表達，增強了對質(zhì)膜的保護，轉(zhuǎn)基因植株對凍害的耐受性提高。

3 miRNA在禾本科作物響應(yīng)逆境脅迫中的作用

MicroRNA（miRNA）是一類長度為 19～24 nt的小分子非編碼RNA，通過降解靶基因途徑，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控相關(guān)靶基因的表達，廣泛參與到植物生長、發(fā)育及逆境脅迫應(yīng)答等重要過程[34]。

構(gòu)建miRNA文庫、直接克隆深度測序、生物信息等研究植物逆境脅迫相關(guān)miRNA的主要方法[35]。繼擬南芥之后，禾本科作物如水稻、小麥和玉米中克隆得到了大量miRNA。KANTAR等[36]利用miRNA芯片從野生二粒小麥（Triticum dicoccoides）中篩選與干旱脅迫相關(guān)的miRNA，該研究得到了13個miRNAs，其中8個在脅迫后表達量上調(diào)，可能參與關(guān)閉某些正常的代謝通路以節(jié)水達到對細胞的保護。在這些上調(diào)的miRNA中，miR156已被證明參與擬南芥負(fù)調(diào)控植物生長和開花過程，并在干旱脅迫中發(fā)揮作用。同樣，在小麥?zhǔn)艿礁邷孛{迫時，miR156表達量表現(xiàn)上調(diào)[37]。miRNA474在擬南芥中不能被非生物脅迫誘導(dǎo)，然而在野生二粒小麥和玉米中，均表現(xiàn)為干旱脅迫下上調(diào)，靶向于脯氨酸脫氫酶（PDH），降低PDH活性從而積累脯氨酸維持滲透平衡[38]。

miRNA芯片可以對所有已知的miRNA進行不同逆境脅迫下的miRNA表達變化的研究，再通過生物信息學(xué)和高通量測序、免疫共沉淀等技術(shù)對靶基因進行預(yù)測，從而高通量、準(zhǔn)確地尋找與農(nóng)作物逆境脅迫有關(guān)的miRNA及其靶基因，為作物逆境脅迫開拓了新的研究方向。

4 結(jié)語

非生物脅迫嚴(yán)重制約禾本科作物的生長和產(chǎn)量，很有必要對作物的抗脅迫機制進行闡述[39]?？寡趸到y(tǒng)清除脅迫引起的ROS積累，質(zhì)膜蛋白通過感知和傳遞脅迫信號調(diào)節(jié)植物抵御脅迫，逆境下miRNA調(diào)控靶基因的表達，三者在參與植物逆境脅迫中發(fā)揮了重要作用，有助于進一步理解作物對脅迫響應(yīng)的生物學(xué)調(diào)控機制，同時也為作物耐逆、高產(chǎn)品種改良指明了新的方向。

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