低溫脅迫對植物ROS通路及去飽和酶的研究

袁銘遠(yuǎn) 葉琛

摘 要：在自然界中植物的生存環(huán)境并非恒定，我國的南北地區(qū)水熱條件不一，即便同一地區(qū)，在不同的時間段上仍然有冷熱旱澇等。對植物產(chǎn)生傷害的環(huán)境稱為逆境，又叫脅迫，其中包括生物脅迫與非生物脅迫。脅迫會引起植物發(fā)生一系列反應(yīng)，從影響逆境基因表達(dá)、細(xì)胞代謝到生長發(fā)育。植物對這種不良環(huán)境的適應(yīng)性和抵抗力稱為植物的抗逆性，簡稱抗性。其分為兩種形式：一是避逆性，即整個生育期不與逆境相遇;二是耐逆性，即通過滋生的形態(tài)和代謝寫來忍耐逆境。本文將著重通過對植物應(yīng)對寒冷逆境時植物ROS通路及去飽和酶的研究進(jìn)展來進(jìn)行具體闡述。

關(guān)鍵詞：植物抗性生理;生物脅迫;非生物脅迫;避逆性;耐逆性

對植物在逆境下的生理變化以及相應(yīng)的生理反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)系統(tǒng)的研究，不僅有助于我們更好地了解植物這個體系的奧秘，更有助于我們采取有效的措施去提高植物的抗逆性或者保護(hù)植物免受逆境傷害，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。植物有各種各樣抵抗或適應(yīng)逆境的本領(lǐng)。在形態(tài)上，有以根系發(fā)達(dá)、宵夜以適應(yīng)干旱條件;有擴(kuò)大根部通氣組織以適應(yīng)淹水條件;有生長停止，進(jìn)入休眠，以迎接冬季低溫來臨;等等。在生理上，植物就發(fā)生各種生理變化，以適應(yīng)（抵抗）逆境條件。在大致上，植物在脅迫下其特定細(xì)胞會依次發(fā)生下列變化：逆境感受，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，基因表達(dá)，蛋白質(zhì)合成，酶活性增加?？倸w簡述脅迫后變化有以下幾個方面：1.脅迫蛋白的表達(dá)與啟動2.滲透調(diào)節(jié)的作用3.脫落酸的合成運(yùn)輸及作用4.活性氧的機(jī)理調(diào)節(jié)參與。

低溫脅迫（low-temperature stress）對植物的危害，按低溫程度和受害情況，可分為冷害（零上低溫）和凍害（零下低溫）兩種。零上溫度時，雖無結(jié)冰現(xiàn)象產(chǎn)生，但能引起喜溫植物的生理障礙，使物種受傷甚至死亡，這種現(xiàn)象稱為冷害（chilling injury）。原產(chǎn)于熱帶或亞熱帶的植物，在生長過程中遇到零上低溫，則發(fā)生冷害，農(nóng)作物的水稻、玉米、木瓜、香蕉、甘蔗、甘薯、黃瓜等屬于冷敏感植物。當(dāng)溫度下降到0℃以下時，植物體內(nèi)發(fā)生冰凍，因而受傷甚至死亡，這種現(xiàn)象稱為凍害（freezing injury）。我國北方晚及早春時，寒潮入侵，氣溫驟然下降，造成過目和冬季作物嚴(yán)重凍害。

一、冷害與凍害對植物的影響

1.冷害對植物的影響：（1）水分平衡失調(diào)：冷害引起冷敏感植物最明顯的生理變化是水分的丟失和植物的萎蔫，因?yàn)檫@些植物在低溫的脅迫下，ABA的合成和運(yùn)輸受到抑制，頁面氣孔關(guān)閉能力減弱，造成水分丟失;另一方面，低溫使根細(xì)胞吸水能力急劇降低，因而導(dǎo)致植物萎蔫。（2）呼吸速率反常：因零上低溫條件下，氧化磷酸化解偶聯(lián)，其隨著低溫時間的加劇和延長，呼吸速率大大下降。（3）光合速率減弱：引起淀粉水解以及葉綠素的光氧化，導(dǎo)致光合速率減弱，同時糖分運(yùn)輸變慢。（4）酶活性改變，如蛋白質(zhì)合成酶，核算合成酶等。

2.凍害對植物的影響（1）植物含水量下降（2）呼吸減弱（3）ABA含量增多。其具體表現(xiàn)如下圖：

二、抗冷性及抗凍性生理與分子調(diào)節(jié)機(jī)制

1.抗冷性：（1）去飽和酶應(yīng)對膜的相變。根據(jù)生物膜的流動鑲嵌模型，膜的雙分子層脂質(zhì)的物理狀態(tài)與溫度有關(guān)。溫度高時為液晶相，溫度低時為凝膠相。當(dāng)溫度下降達(dá)一定程度時，膜相從液晶相變?yōu)槟z相，膜出現(xiàn)裂縫，透性增大，水溶液外滲，離子平衡破壞，而此時去飽和酶的活性增強(qiáng)，不飽和脂肪酸增多，使膜在較低溫度時仍保留液態(tài)，所以脂肪酸去飽和作用能起到抗冷性。

（2）ROS信號途徑的作用。近年來，研究表明，低溫脅迫反應(yīng)的信號途徑通常直接與活性氧（ROS）信號途徑發(fā)生相互作用，通過激活相關(guān)基因表達(dá)TIR-NB-LRR類型的抗性蛋白應(yīng)對冷脅迫。

2.抗凍性：（1）ABA增多降低代謝進(jìn)入休眠。實(shí)驗(yàn)表明，對脫落酸不敏感的擬南芥突變體（abil）或缺乏脫落酸的擬南芥突變體（abal）在低溫中都不能馴化適應(yīng)冰凍。而在自然條件下，冬季來臨時，植物呼吸減弱，ABA含量增多，頂端分生組織的有絲分裂活動減弱，生長速率變慢，節(jié)間縮短。具體機(jī)制為，細(xì)胞核膜都具有相當(dāng)大的孔，當(dāng)寒冬時，核膜開口逐漸關(guān)閉，細(xì)胞分裂和生長活動受到抑制，植物進(jìn)入休眠期。

3.抗凍基因和抗凍蛋白。大量研究已經(jīng)證實(shí)，低溫鍛煉可誘發(fā)100種以上抗凍基因（antifreezing gene）的表達(dá)。擬南芥的COR（cold regulated）基因，油菜的BN28、BN15等基因。這些基因表達(dá)會迅速產(chǎn)生新多肽，在低溫鍛煉過程中一直維持著高水平。想這些新和成的蛋白質(zhì)組進(jìn)入膜內(nèi)或附著于膜表面，對膜起保護(hù)和穩(wěn)定作用，從而防止冰凍損傷。所有的COR基因啟動子都帶有CRT/DRE調(diào)節(jié)元件（c-repeat/drought response element），這個調(diào)節(jié)元件如轉(zhuǎn)錄活化反應(yīng)元件（transcript activator response element）結(jié)合，就能刺激COR基因的表達(dá)。與此調(diào)節(jié)元件結(jié)合的激活蛋白叫做CBF1（c-repeat binding factor 1）。這個冷調(diào)節(jié)原件由9bp組成，其順序?yàn)門ACCGACAT，其核心序列為5bp，CCGAC。此外，還分理處編碼結(jié)合于此調(diào)節(jié)元件的激活蛋白（CBF1）的cDNA，最近證實(shí)，CBF1是一個小基因的家族成員，其包括CBF1、CBF2、CBF3，都是轉(zhuǎn)錄活化反應(yīng)因子，都可促進(jìn)COR基因表達(dá)。

抗凍蛋白（AFP）是從耐凍的魚、昆蟲等過冬的生物組織中提煉出來的，它能抑制冰晶生長速度，降低冰點(diǎn)，保護(hù)細(xì)胞膜免受冷凍損傷。目前在我國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有約30種植物存在AFP。

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