植物響應(yīng)非生物脅迫的分子機(jī)制

陳柯岐， 鄧星光， 林宏輝

(四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

非生物脅迫嚴(yán)重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，同時(shí)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境極度惡化。植物遭受逆境脅迫后，發(fā)生一系列從形態(tài)到分子水平的變化，這些變化直接或間接影響植物的生長和發(fā)育。極端溫度、干旱、水淹和鹽害等逆境往往相互關(guān)聯(lián)，在造成特殊影響的同時(shí)，也造成相似的細(xì)胞損傷。為了生存，植物在遭受非生物脅迫時(shí)需要在形態(tài)和生理生化代謝上進(jìn)行一系列調(diào)整，以適應(yīng)逆境。植物響應(yīng)非生物脅迫一般從信號(hào)感知開始。細(xì)胞外膜受到非生物脅迫的刺激后，產(chǎn)生第二信號(hào)分子，如活性氧(ROS)和肌醇磷脂等。第二信號(hào)分子刺激細(xì)胞內(nèi)膜，通過調(diào)節(jié)胞內(nèi)Ca2+水平，啟動(dòng)蛋白磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生磷酸化蛋白分子，以直接參與細(xì)胞保護(hù)的蛋白或調(diào)控特異性脅迫調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄因子為目標(biāo)。有些基因的產(chǎn)物參與產(chǎn)生脫落酸(ABA)和乙烯(ETH)等調(diào)節(jié)因子，從而激活轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。轉(zhuǎn)錄因子與靶基因啟動(dòng)子序列特異性結(jié)合，進(jìn)一步激活或抑制下游功能基因的表達(dá)，最終起到對(duì)非生物脅迫的調(diào)控作用。揭示植物非生物脅迫響應(yīng)機(jī)制，培育抗逆作物新品種，有助于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并保障日益增長的世界人口的糧食安全[1]。本文結(jié)合極端溫度、干旱、水淹和鹽害對(duì)植物生長發(fā)育的影響，從信號(hào)感知、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)調(diào)控和重要次生代謝產(chǎn)物變化等方面，綜述植物響應(yīng)非生物脅迫的分子機(jī)制，展望未來的研究方向。

1 植物溫度脅迫響應(yīng)機(jī)制

隨著全球范圍內(nèi)異常天氣發(fā)生規(guī)模擴(kuò)大和頻率增加，各種植區(qū)作物生長和發(fā)育都受到影響。在極端溫度下，作物的產(chǎn)量和品質(zhì)顯著降低，種植地點(diǎn)也被嚴(yán)重限制。因此，要想在當(dāng)前氣候變化的情況下維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，了解植物溫度脅迫響應(yīng)機(jī)制至關(guān)重要[2]。

1.1 低溫

低溫主要通過細(xì)胞質(zhì)脫水和細(xì)胞壁結(jié)冰引發(fā)細(xì)胞死亡。溫帶地區(qū)的植物暴露在不結(jié)冰的低溫環(huán)境中，會(huì)變得更加耐寒，該過程被稱為冷馴化。冷馴化過程中會(huì)發(fā)生許多生理、生化和分子變化，包括抗氧化系統(tǒng)的激活、低溫保護(hù)劑的合成和積累以及保護(hù)和穩(wěn)定細(xì)胞膜的變化[3]。為了保持細(xì)胞膜在低溫脅迫下的穩(wěn)定性，膜脂組分中不飽和磷脂的含量上升。同時(shí)，細(xì)胞積累滲透分子和抗凍蛋白，這些蛋白富含蔗糖和脯氨酸，它們通過產(chǎn)生氫鍵來捕獲水分子。

1.1.1 信號(hào)感知

膜流動(dòng)性的變化與溫度傳感有關(guān)。冷、熱脅迫改變細(xì)胞膜的流動(dòng)性，影響膜定位蛋白的結(jié)構(gòu)和活性，從而觸發(fā)Ca2+內(nèi)流，該過程對(duì)誘導(dǎo)溫度響應(yīng)性基因的表達(dá)具有重要意義[4]。

有研究證實(shí)，水稻低溫感受器(COLD1)與水稻G蛋白α亞基1(RGA1)結(jié)合，介導(dǎo)水稻的冷感知和低溫誘導(dǎo)的胞外Ca2+內(nèi)流[5]。除了COLD1，水稻CBL互作蛋白激酶7(OsCIPK7)被認(rèn)為通過調(diào)節(jié)其自身激酶結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象和Ca2+內(nèi)流來感知低溫信號(hào)[6]。然而，目前還不清楚COLD1和OsCIPK7如何在低溫脅迫下調(diào)控Ca2+內(nèi)流。擬南芥基因組包含40多個(gè)編碼Ca2+通道的基因，其中許多都定位于質(zhì)膜。環(huán)核苷酸門控離子通道(CNGCs)作為植物生長、發(fā)育和脅迫響應(yīng)的重要調(diào)節(jié)因子[7]，為擬南芥和苔蘚等提供耐熱性[8]。然而，目前的研究還不清楚CNGCs是否具有在低溫下感知Ca2+通道的功能。

1.1.2 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)調(diào)控

絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)級(jí)聯(lián)參與調(diào)控冷信號(hào)和低溫耐受性。植物受冷脅迫后，MKK2磷酸化并激活MPK4和MPK6。在MKK2過表達(dá)的植物中，C-重復(fù)結(jié)合因子2/脫水應(yīng)答元件結(jié)合蛋白1C(CBF2/DREB1C)的表達(dá)水平上調(diào)。因此，低溫信號(hào)通路可能通過蛋白磷酸化而被激活[9]。

擬南芥中的3個(gè)CBF/DREB1基因在冷馴化中發(fā)揮著核心作用。在冷馴化過程中，CBF2/DREB1C負(fù)調(diào)控CBF1/DREB1B和CBF3/DREB1A的表達(dá)，而CBF1/DREB1B和CBF3/DREB1A沒有參與調(diào)節(jié)其他CBF/DREB1基因[10]。此外，通過RNAi降低CBF1和CBF3轉(zhuǎn)錄本的植物表現(xiàn)出較低的冷馴化能力，這表明CBF1/DREB1B和CBF3/DREB1A協(xié)同誘導(dǎo)CBF/DREB1-調(diào)控基因和冷馴化[10]。CBF基因受到低溫的誘導(dǎo)，激活低溫調(diào)節(jié)基因(COR)的表達(dá)[11]。CBF/DREB1A的過表達(dá)可以誘導(dǎo)COR基因的表達(dá)和擬南芥、番茄和水稻等的低溫耐受性[12]。

CBF基因表達(dá)受多種類型轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。擬南芥中CBF蛋白的穩(wěn)定性受到蛋白質(zhì)翻譯后修飾(PTMs)的調(diào)節(jié)。CBF表達(dá)誘導(dǎo)因子1(ICE1)及其同系物ICE2正向調(diào)節(jié)CBF表達(dá)和低溫耐受性。泛素化、SUMO化和磷酸化對(duì)ICE1在擬南芥中的功能發(fā)揮起著重要的作用[13]。MYB15轉(zhuǎn)錄因子與CBF/DREB1啟動(dòng)子中的MYB順式作用元件結(jié)合，負(fù)向調(diào)控后者的表達(dá)[14]。低溫誘導(dǎo)的C2H2鋅指轉(zhuǎn)錄因子(ZAT12)也是CBF/DREB1的負(fù)調(diào)控因子。有研究表明，CBF/DREB1的表達(dá)在ZAT12過表達(dá)植株中降低[15](圖1)。

箭頭代表促進(jìn)作用；雙豎線代表抑制作用。圖1 植物響應(yīng)冷脅迫的簡化模型Figure 1 Simplified model of plant in response to cold stress

1.2 高溫

全球變暖導(dǎo)致包括極端高溫在內(nèi)的氣候變化，這些變化對(duì)作物生產(chǎn)造成毀滅性的破壞。當(dāng)高溫脅迫發(fā)生在發(fā)育的關(guān)鍵階段時(shí)(生殖期、開花期等)，對(duì)植物的生存非常不利：高溫會(huì)抑制花粉活力、受精能力、籽粒灌漿和果實(shí)形成[16]。同時(shí)，高溫脅迫會(huì)抑制光合作用，由高溫引起的水分含量降低也會(huì)對(duì)植物細(xì)胞分裂和生長造成負(fù)面影響[17]。

1.2.1 信號(hào)感知和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

最近的研究表明，Ca2+對(duì)熱脅迫響應(yīng)(HSR)的觸發(fā)不可或缺。Ca2+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)以響應(yīng)熱脅迫引起的質(zhì)膜流態(tài)化。Ca2+滲入由CNGC介導(dǎo)。到目前為止，CNGC2、CNGC4、CNGC6和CNGC16被證實(shí)為與HSR相關(guān)的CNGCs[18]。在熱脅迫過程中，環(huán)腺苷酸(cAMP)和環(huán)鳥苷酸(cGMP)的水平升高，CNGCs在這些環(huán)核苷酸的作用下打開[19]。因此，有研究人員提出，質(zhì)膜流態(tài)化可以通過激活核苷酸環(huán)化酶打開CNGCs。

ROS也被認(rèn)為是熱脅迫信號(hào)傳感器。ROS的積累是觸發(fā)HSR的必要條件。在熱脅迫過程中，葉綠體是產(chǎn)生ROS的主要場所。此外，NADPH氧化酶、呼吸爆發(fā)氧化酶同系物B(RbohB)和RbohD也能產(chǎn)生ROS。雖然目前還不清楚ROS信號(hào)如何被感知和轉(zhuǎn)錄調(diào)控，但ROS信號(hào)已被證實(shí)可觸發(fā)與一氧化氮(NO)和活性短鏈葉揮發(fā)物(RSLVs)相關(guān)的兩條信號(hào)通路。遺傳分析表明，RbohB和RbohD產(chǎn)生的ROS可引起NO的積累[20]。

鈣依賴蛋白激酶(CDPK)級(jí)聯(lián)參與調(diào)控?zé)嵝盘?hào)和高溫耐受性。高等植物主要有3類Ca2+結(jié)合蛋白：CDPK、鈣調(diào)蛋白(CaM)和類CaM蛋白，以及類鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶B[21]。CDPKs通過Ca2+與類鈣調(diào)蛋白結(jié)構(gòu)域的結(jié)合直接激活，進(jìn)一步調(diào)節(jié)下游靶位點(diǎn)。在熱脅迫下，CaM3充當(dāng)Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)換器[22]。NO信號(hào)激活CaM3，導(dǎo)致熱激轉(zhuǎn)錄因子(HSF)與DNA結(jié)合[23]，進(jìn)而激活下游熱脅迫相關(guān)基因的表達(dá)。

1.2.2 基因表達(dá)調(diào)控

HSF家族成員HsfA1通過激活HSR基因從而調(diào)控植物對(duì)熱脅迫的耐受性。在熱脅迫下，HsfA1的表達(dá)上調(diào)，而HsfA1的活性恰恰受高溫的調(diào)控[24]。熱激蛋白(HSP)HSP70和HSP90在一定溫度范圍內(nèi)抑制HsfA1的活性和核定位，而熱脅迫誘導(dǎo)HsfA1從HSP70、HSP90復(fù)合體中分離，進(jìn)而激活HsfA1[25]。

研究人員推測HsfA1s直接調(diào)節(jié)編碼重要熱脅迫應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子基因的表達(dá)，包括HsfA3、DREB2C、HsfA2、HsfBs和多蛋白橋聯(lián)因子1C(MBF1C)等[26]。HsfA3是一種重要的熱脅迫反應(yīng)因子，HsfA3的缺失會(huì)導(dǎo)致熱脅迫過程中靶基因表達(dá)下調(diào)[27]。DREB2C(DREB2A同源基因)的過表達(dá)能激活HsfA3，該過程在沒有熱脅迫時(shí)也能實(shí)現(xiàn)。因此，DREB2C在熱脅迫過程中參與調(diào)節(jié)HsfA3基因[28]。HsfA2是HsfA1的直接靶基因，在植物中對(duì)HSR起關(guān)鍵作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，hsfa2敲除突變體對(duì)熱脅迫具有高敏感性，許多熱脅迫誘導(dǎo)基因的表達(dá)減少[29]。HsfBs(HsfB1和HsfB2b)也是擬南芥中HsfA1的下游靶基因。熱脅迫誘導(dǎo)的MBF1C表達(dá)受HsfA1調(diào)控。有研究表明，在熱脅迫期間，hsfa1缺失突變體中MBF1C的表達(dá)受到抑制[26]。

一些HSF家族蛋白可以獨(dú)立于HsfA1途徑參與HSR。HsfA4a受氧化應(yīng)激(包括熱脅迫)誘導(dǎo)，調(diào)控抗壞血酸鹽過氧化物酶(APX)的表達(dá)。HsfA9在種子中特異性表達(dá)，其過表達(dá)可誘導(dǎo)多種HSP基因。bZIP28也是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)錄因子，它獨(dú)立于HsfA1途徑調(diào)控HSR[30]。

1.2.3 調(diào)節(jié)錯(cuò)誤折疊蛋白和ROS穩(wěn)態(tài)

熱脅迫下產(chǎn)生的錯(cuò)誤折疊蛋白和過量ROS對(duì)植物有毒害作用。因此，植物必須對(duì)這些錯(cuò)誤折疊蛋白進(jìn)行復(fù)性或降解，并清除ROS以減輕細(xì)胞損傷。在擬南芥和水稻中，HSPs由HSFs誘導(dǎo)，它們編碼的蛋白作為分子伴侶，使錯(cuò)誤折疊蛋白重新復(fù)性，該過程在植物對(duì)熱脅迫的耐受性中發(fā)揮了重要作用。在擬南芥中，HSP100通過分解蛋白聚集體來增強(qiáng)耐熱性[31]。除了HSPs，26S蛋白酶體α2亞蛋白OsTT1通過清理熱誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性變性蛋白，增強(qiáng)水稻的耐熱性[32]。

熱脅迫還會(huì)激活抗氧化系統(tǒng)，以清除多余的ROS。負(fù)責(zé)清除ROS的APX和過氧化氫酶(CAT)突變體對(duì)熱脅迫敏感[33]。其他重要的ROS清除劑，如銅/鋅超氧化物歧化酶1(CSD1)、CSD2和SOD銅伴侶1(CCS1)，對(duì)擬南芥的耐熱性也非常重要[34](圖2)。

2 植物水分脅迫響應(yīng)機(jī)制

干旱是對(duì)農(nóng)業(yè)影響最大的非生物脅迫之一，與其他非生物脅迫相比，干旱嚴(yán)重?fù)p害植物生長發(fā)育，限制作物生產(chǎn)。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)消耗了全世界70%以上的淡水。隨著全球氣候變暖，這一消耗量估計(jì)還會(huì)增加。近年來的全球水災(zāi)發(fā)生頻率逐漸增高，該趨勢與氣候變化相關(guān)[35]。洪水引發(fā)水淹脅迫，對(duì)植物多樣性、物種分布及糧食生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2.1 干旱

干旱脅迫誘導(dǎo)植物產(chǎn)生一系列生理生化反應(yīng)，包括氣孔關(guān)閉、光合抑制和呼吸激活。植物也會(huì)在細(xì)胞和分子水平上對(duì)干旱做出一系列響應(yīng)，如積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和特異性脅迫耐受蛋白。期間，干旱脅迫誘導(dǎo)或抑制各種不同功能基因的表達(dá)。干旱誘導(dǎo)ABA的合成，而ABA導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，并激活脅迫相關(guān)基因的表達(dá)。已有證據(jù)表明，在調(diào)控干旱耐受基因表達(dá)過程中，存在ABA依賴性和ABA非依賴性信號(hào)系統(tǒng)[36]。

箭頭代表促進(jìn)作用；雙豎線代表抑制作用。圖2 植物響應(yīng)熱脅迫的簡化模型Figure 2 Simplified model of plant in response to heat stress

2.1.1 ABA依賴性途徑

ABRE是ABA響應(yīng)基因表達(dá)的主要順式作用元件，bZIP轉(zhuǎn)錄因子ABRE結(jié)合蛋白/ABRE結(jié)合因子(AREB/ABF)與ABRE結(jié)合，從而激活A(yù)BA依賴性基因表達(dá)。在擬南芥中，過表達(dá)ABF3或AREB2/ABF4引起植株對(duì)ABA超敏，蒸騰速率降低，并增強(qiáng)耐旱性[37]。干旱誘導(dǎo)基因RD22的激活由ABA介導(dǎo)，MYC轉(zhuǎn)錄因子AtMYC2(RD22BP1)和MYB轉(zhuǎn)錄因子AtMYB2被證實(shí)可以結(jié)合RD22啟動(dòng)子的順式作用元件并一起激活RD22的表達(dá)[38]。這些MYC及MYB蛋白在內(nèi)源ABA積累后被激活，進(jìn)一步發(fā)揮在后期脅迫反應(yīng)中的作用。

研究人員鑒定出干旱誘導(dǎo)編碼NAC轉(zhuǎn)錄因子的RD26基因[39]。干旱、高鹽、ABA和茉莉酸(JA)處理均可誘導(dǎo)RD26的表達(dá)。RD26過表達(dá)的植株對(duì)ABA敏感，熱脅迫誘導(dǎo)基因的表達(dá)上調(diào)；而RD26功能被抑制后植株則表現(xiàn)出相反的表型。

2.1.2 ABA非依賴性途徑

一些干旱誘導(dǎo)基因不受ABA信號(hào)的調(diào)控，這說明植物存在不依賴于ABA的信號(hào)通路來響應(yīng)干旱脅迫。其中，ERD1是一個(gè)重要的ABA非依賴性基因。該基因不僅受脫水誘導(dǎo)，而且在自然衰老和黑暗誘導(dǎo)的衰老過程中表達(dá)上調(diào)。對(duì)轉(zhuǎn)基因植物ERD1啟動(dòng)子的分析表明，ERD1啟動(dòng)子中含有順式作用元件，不僅參與了依賴脅迫響應(yīng)的基因表達(dá)，還參與了衰老誘導(dǎo)的基因表達(dá)[40]。

低溫、干旱和高鹽誘導(dǎo)基因LTI78、RD29A和COR78的啟動(dòng)子包含兩個(gè)主要的順式作用元件，即ABRE和脫水應(yīng)答元件/C-重復(fù)(DRE/CRT)，它們也參與了脅迫誘導(dǎo)的基因表達(dá)。與DRE/CRT結(jié)合的ERF/AP2家族轉(zhuǎn)錄因子被分離并命名為CBF/DREB1和DREB2。許多CBF/DREB1靶基因已經(jīng)通過cDNA和基因芯片微陣列技術(shù)被鑒定出來[41]。其中，大多數(shù)CBF/DREB1靶基因在其啟動(dòng)子區(qū)域包含具有保守(A/G)CCGACNT序列的DRE序列。這些蛋白的靶基因產(chǎn)物參與脅迫耐受性的建立。DREB2基因受脫水脅迫誘導(dǎo)，可能激活其他與干旱脅迫耐受性相關(guān)的基因[42](圖3)。

箭頭代表促進(jìn)作用。圖3 植物響應(yīng)干旱脅迫的簡化模型Figure 3 Simplified model of plant in response to drought stress

2.2 水淹

氧氣在水中的擴(kuò)散比在空氣中慢104倍。因此，對(duì)適應(yīng)能力較差的植物物種來說，水淹脅迫會(huì)導(dǎo)致淹沒在水里的組織氧氣供應(yīng)不足。除了缺氧的威脅，過多的水分還會(huì)導(dǎo)致土壤和植物的其他變化：土壤微生物厭氧代謝的產(chǎn)物積累，乙烯的水平上升。此外，洪水導(dǎo)致完全水淹以及通常被水淹的水生植物中，二氧化碳、光和氧氣的獲取受限[43]。

2.2.1 通氣組織

植物通過改善與環(huán)境的氣體交換避免體內(nèi)缺氧，為此，植物發(fā)育出通氣組織，形成一種縱向連接的氣體空間，為植物體內(nèi)長距離氣體交換提供了一條捷徑[44]。通氣組織通常與根系結(jié)構(gòu)改變相結(jié)合，以減少空氣表面和被水淹根尖之間的距離，從而減少擴(kuò)散阻力[45]。例如，通過不定根產(chǎn)生一組從下胚軸或莖進(jìn)入?yún)捬趸|(zhì)的導(dǎo)氣通氣管。通氣組織與防止氧氣泄漏到周圍厭氧土壤的屏障結(jié)合，極大地提高了植物對(duì)水淹的耐受性[46]。

通氣組織系統(tǒng)能使植物有效地適應(yīng)水淹脅迫，在水淹條件下，地上組織保持與大氣接觸，可以將空氣輸送到地下組織。然而，在完全水淹的過程中，地上部分不能與大氣接觸，它們將空氣輸送到地下部的效率降低。在這種情況下，為了恢復(fù)與大氣的接觸，一些濕地植物表現(xiàn)出葉片、節(jié)間或葉柄的快速垂直伸長，以便浮潛換氣[47]。

2.2.2 細(xì)胞內(nèi)高濃度乙烯的感知

在水淹脅迫下，植物體內(nèi)乙烯含量快速上升，誘導(dǎo)植株形態(tài)發(fā)生改變。作為氣體，乙烯在水淹條件下很難脫離植物，導(dǎo)致其在體內(nèi)快速積累。因此，乙烯是檢測植物是否處于水淹脅迫的可靠指標(biāo)[48]。

乙烯通過調(diào)節(jié)ABA、赤霉素(GA)和生長素(IAA)的積累，誘導(dǎo)一些植物形成不定根。然而，根的形成也需要乙烯誘導(dǎo)表皮細(xì)胞產(chǎn)生ROS，促使細(xì)胞死亡，從而使根的通透性增強(qiáng)。同樣，溶生性通氣組織由皮層中特定細(xì)胞的凋亡形成，涉及乙烯依賴性的抗氧化活性下降，隨后，ROS增加導(dǎo)致細(xì)胞死亡[49]。

在水淹脅迫下，高濃度乙烯抑制根的伸長，有些植物通過形成通氣組織，很輕松地清除過量乙烯。然而，無法產(chǎn)生通氣組織的植物物種根系生長受到顯著抑制。在這些植物不同的發(fā)育過程中，對(duì)高濃度乙烯信號(hào)的依賴可能發(fā)揮重要作用。為了避免與高濃度乙烯有關(guān)的不利影響，一些持續(xù)占據(jù)水生環(huán)境或易受洪水影響的植物物種已經(jīng)喪失或降低了它們產(chǎn)生、感知和響應(yīng)乙烯的能力[50]。

2.2.3 細(xì)胞內(nèi)低濃度氧的感知

植物在水淹脅迫下，氧含量的改變是一種重要的感知信號(hào)。低氧誘導(dǎo)的脅迫不僅發(fā)生在水淹條件下，還會(huì)在具有快速代謝特征的組織中出現(xiàn)，如根分裂組織和韌皮組織等。雖然植物通過光合作用產(chǎn)生氧氣，但是缺乏有效的系統(tǒng)將氧氣運(yùn)輸?shù)椒枪夂掀鞴?，如果一些器官的解剖結(jié)構(gòu)限制了氧氣的擴(kuò)散，這些器官可能會(huì)處于低氧狀態(tài)[51]。當(dāng)氧氣限制呼吸時(shí)，植物會(huì)出現(xiàn)缺氧，而完全無氧對(duì)植物的生存更不利。缺氧和完全無氧都能觸發(fā)基因的大量重編程，并誘導(dǎo)發(fā)酵代謝，從而使植物利用糖酵解產(chǎn)生ATP。

雖然擬南芥對(duì)水淹的耐受性不是很高，但它作為模式植物的特性，使氧傳感和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)成為可能[52]。除了已知的厭氧基因外，還鑒定出幾種缺氧應(yīng)答未知蛋白(HUP)，它們可能代表新的厭氧反應(yīng)途徑。VII類乙烯反應(yīng)因子(ERF-VIIs)在水稻中的作用促進(jìn)了在擬南芥中對(duì)該基因家族的研究[53]。RAP2.12是一組ERF-VIIs，它并非由缺氧誘導(dǎo)，但能激活乙醇脫氫酶(ADH)[54]。RAP2.12在蛋白水平上受氧氣調(diào)控，氧氣促進(jìn)其降解。只有在低氧條件下，RAP2.12和其他兩個(gè)組成性表達(dá)的ERF-VIIs，即RAP2.2和RAP2.3，才能穩(wěn)定地激活厭氧反應(yīng)[55]。

缺氧反應(yīng)衰減器1(HRA1)是一種三螺旋轉(zhuǎn)錄因子，它能抑制RAP2.12的表達(dá)。在缺氧條件下，HRA1基因表達(dá)本身被RAP2.12穩(wěn)定激活，表明厭氧反應(yīng)的調(diào)節(jié)存在一種動(dòng)態(tài)平衡機(jī)制[56]。最近的研究鑒定出一種連接氧感應(yīng)機(jī)制和ROS產(chǎn)生的蛋白。低氧應(yīng)答通用應(yīng)激蛋白1(HRU1)由氧應(yīng)答型N端規(guī)則通路誘導(dǎo)，可能通過與膜定位的RbohD及其調(diào)控因子ROP2的相互作用影響ROS的合成[57]。這些發(fā)現(xiàn)表明，缺氧依賴性信號(hào)通過一個(gè)緊密連接的網(wǎng)絡(luò)，被各種信號(hào)和蛋白嚴(yán)格控制。

3 植物鹽脅迫響應(yīng)機(jī)制

土壤鹽漬化是限制土地使用和作物生產(chǎn)的全球性問題之一，據(jù)估計(jì)，世界上大約五分之一的灌溉土地受到鹽害的影響[58]。此外，還有大面積的邊緣土地，如沿海地區(qū)，不適合種植作物。利用這些鹽堿地生產(chǎn)作物可以緩解人口不斷增長帶來的糧食需求問題。

鹽脅迫顯著抑制植物的種子萌發(fā)、根長、株高和結(jié)實(shí)[59]。在鹽漬土壤中，滲透脅迫是植物最早經(jīng)歷的脅迫，會(huì)立即影響植物的生長。當(dāng)鹽濃度達(dá)到一個(gè)閾值，植物會(huì)遭受離子毒害，超過這個(gè)閾值，植物便不能維持離子穩(wěn)態(tài)和正常生長。離子毒害和滲透脅迫是引起氧化脅迫和一系列次生脅迫的主要原因。

3.1 信號(hào)感知和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

越來越多的證據(jù)表明，植物細(xì)胞壁參與鹽脅迫的感知和響應(yīng)。植物細(xì)胞壁不僅保護(hù)細(xì)胞免受生物和非生物脅迫，還是第一個(gè)感知和響應(yīng)逆境脅迫的細(xì)胞結(jié)構(gòu)[60]?；钚约?xì)胞壁完整性(CWI)的維持和感知對(duì)應(yīng)激保護(hù)和脅迫響應(yīng)至關(guān)重要。除了CWI狀態(tài)的感知外，細(xì)胞壁調(diào)節(jié)的相關(guān)過程也參與了對(duì)鹽脅迫的反應(yīng)。木質(zhì)素含量和組成在生物和非生物脅迫中會(huì)發(fā)生變化[61]。木糖半乳糖轉(zhuǎn)移酶參與細(xì)胞壁的生物合成和內(nèi)膜組織的維持，通過限制細(xì)胞內(nèi)ROS的濃度來減少細(xì)胞損傷，并調(diào)節(jié)鹽脅迫下應(yīng)激相關(guān)基因的表達(dá)[62]。因此，研究人員推測出一種可能的鹽敏感機(jī)制：在鹽脅迫下，細(xì)胞壁的損傷和成分變化觸發(fā)細(xì)胞壁維持和CWI感知機(jī)制，進(jìn)而激活植物鹽脅迫的響應(yīng)和回避機(jī)制，調(diào)控根的生長和結(jié)構(gòu)改變[63]。

維持細(xì)胞內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)是耐鹽植物響應(yīng)過量離子的重要適應(yīng)性特征。通過減少細(xì)胞質(zhì)中Na+并增加K+，可以使植物獲得合適的細(xì)胞質(zhì)K+、Na+濃度比，從而防止細(xì)胞損傷和營養(yǎng)缺乏。減少細(xì)胞質(zhì)中Na+的機(jī)制包括限制Na+攝取、促進(jìn)Na+外排和液泡中分隔Na+。基于對(duì)鹽超敏感基因(SOS)的發(fā)現(xiàn)，研究人員建立了一種離子脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。SOS1是Na+細(xì)胞質(zhì)-質(zhì)外體運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵元件。SOS2和SOS3能調(diào)節(jié)SOS1的表達(dá)。在鹽脅迫下，SOS3-SOS2復(fù)合物正向調(diào)節(jié)液泡Na+/H+交換器NHX和H+-ATPase的活性[64]。NHX是一種潛在的Na+/H+交換器，它將Na+從細(xì)胞質(zhì)運(yùn)輸至液泡，該過程由液泡H+-焦磷酸酶和H+-ATPase建立的H+梯度驅(qū)動(dòng)[65]。

3.2 活性氧清除

氧氣作為植物生存不可缺少的物質(zhì)之一，參與新陳代謝、線粒體呼吸和氧化磷酸化以產(chǎn)生能量。然而，在代謝過程中，氧氣被激活為ROS。ROS具有較強(qiáng)的氧化能力，可引起細(xì)胞質(zhì)膜損傷、不可逆代謝功能障礙和細(xì)胞死亡。

超氧化物歧化酶(SOD)是植物抗氧化酶系統(tǒng)的第一道防線，能清除細(xì)胞內(nèi)多余的超氧化物陰離子。SOD能使O2歧化形成H2O2，消除超氧陰離子的毒性[66]。在高鹽脅迫下，植物中ROS的增加導(dǎo)致細(xì)胞膜中脂質(zhì)的過氧化。丙二醛(MDA)是植物膜脂過氧化的主要產(chǎn)物，其含量的變化能反映細(xì)胞膜受損的程度。因此，可以利用MDA的含量指示植物的鹽脅迫和耐鹽性[66](圖4)。

箭頭代表促進(jìn)作用。圖4 植物響應(yīng)鹽脅迫的簡化模型Figure 4 Simplified model of plant in response to salt stress

4 總結(jié)與展望

目前，植物響應(yīng)非生物脅迫的分子機(jī)制已經(jīng)逐漸清晰(圖5)。近年來，研究者對(duì)主要非生物脅迫應(yīng)答過程中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)調(diào)控途徑開展大量的研究，許多激素和轉(zhuǎn)錄因子在植物抗逆中的作用也被揭示。但現(xiàn)階段的研究進(jìn)展大多以未知轉(zhuǎn)錄因子的發(fā)現(xiàn)、基因結(jié)合位點(diǎn)的完善和生物化學(xué)水平的細(xì)節(jié)為主，新的研究方向、研究工具和研究實(shí)踐仍有待開發(fā)。

圖5 植物非生物脅迫響應(yīng)過程及舉例Figure 5 The response process of abiotic stress in plants and examples

多數(shù)脅迫信號(hào)的感知都與Ca2+內(nèi)流有關(guān)，但具體哪些調(diào)控因子參與感應(yīng)Ca2+，以及這些調(diào)控因子的調(diào)節(jié)方式還不夠清楚；雖然有研究表明，質(zhì)膜、ROS和細(xì)胞壁等能作為脅迫信號(hào)的傳感器，對(duì)它們的研究大多還停留在生物化學(xué)水平和未知蛋白方面。這些傳感器對(duì)信號(hào)的具體感知方式以及信號(hào)感知后，傳感器下游的信號(hào)通路還沒有明確。在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方面，MAPK、CDPK和SOS途徑已經(jīng)趨于完善，尤其是MAP、CDPKs和SOS這些激酶的連續(xù)激活過程和蛋白修飾方式；研究人員利用基因功能缺失或過表達(dá)植株，對(duì)大多數(shù)激酶的正/負(fù)向調(diào)控作用有了深刻認(rèn)識(shí)；同時(shí)，大量研究表明，ABA等植物激素在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮非常重要的作用。然而，迄今為止的試驗(yàn)僅集中在ABA和ETH中，研究人員對(duì)水楊酸(SA)和JA等的關(guān)注較少。雖然有證據(jù)表明，SA和JA等也參與信號(hào)傳遞，而且它們可能有獨(dú)立的調(diào)控途徑，但具體的機(jī)制還不了解。利用反向遺傳學(xué)手段，對(duì)非生物脅迫轉(zhuǎn)錄調(diào)控調(diào)節(jié)因子的探究非常有效，目前的研究已經(jīng)鑒定了大量的轉(zhuǎn)錄因子，它們與靶蛋白啟動(dòng)子的順式作用元件結(jié)合，激活特異基因的表達(dá)。研究人員在擬南芥和水稻等模式植物中，對(duì)這些轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)及其與靶基因啟動(dòng)子的結(jié)合方式作出了詳細(xì)的解析。然而，涉及多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同激活抗逆信號(hào)，仍有很大的研究空間?？偟膩碚f，想要揭示植物非生物脅迫響應(yīng)的機(jī)理，在分子水平上還需綜合利用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等研究方法。在細(xì)胞學(xué)層面，隨著顯微鏡技術(shù)的快速發(fā)展，利用冷凍透射電鏡、高分辨率熒光顯微鏡等，觀察植物細(xì)胞膜、細(xì)胞器和細(xì)胞骨架的變化，有助于更好地理清和解析有關(guān)非生物脅迫響應(yīng)的線索。

由于全球氣候變化的影響，各地區(qū)作物遭受環(huán)境脅迫的事件愈演愈烈，持續(xù)時(shí)間越來越長，作物產(chǎn)量和品質(zhì)受到嚴(yán)重影響。不斷增長的人口、有限的耕地面積和退化的土壤條件已經(jīng)成為限制我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。因此，當(dāng)務(wù)之急是將非生物脅迫響應(yīng)機(jī)制的研究引入作物體系。要實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)作物對(duì)環(huán)境脅迫的抗性，目前還有諸多問題需要解決。其一，多數(shù)實(shí)驗(yàn)室使用水稻、番茄和擬南芥等作為研究材料，利用它們是模式植物的優(yōu)勢，能更加高效地開展試驗(yàn)。然而，溫室條件和控制變量等研究環(huán)境或分析方法會(huì)忽略生物脅迫和非生物脅迫以及不同非生物脅迫之間的相互作用。例如，大田水稻長期處于高溫、干旱和高鹽逆境下，環(huán)境因子對(duì)作物生長和發(fā)育的限制具有多元性。作物所處的環(huán)境具有多變性，不同發(fā)育時(shí)期的逆境也并非一成不變。因此，探索植物對(duì)環(huán)境變化的精準(zhǔn)識(shí)別和協(xié)同應(yīng)答顯得尤為重要。其二，作物在生長和發(fā)育的同時(shí)，還要適應(yīng)極端環(huán)境。在異常氣候下，作物常常受到非連續(xù)性逆境脅迫的影響，這些脅迫在不同生長時(shí)期都會(huì)出現(xiàn)，植物往往快速響應(yīng)逆境并恢復(fù)生長。目前，還缺乏對(duì)植物平衡生長和抗逆的理論研究。最后，相比作物病蟲害抗性種質(zhì)資源，逆境適應(yīng)性種質(zhì)資源的獲取顯得尤為緩慢。主要作物響應(yīng)逆境涉及多基因復(fù)雜性狀位點(diǎn)的調(diào)控。同時(shí)，由于作物的育種年限較長，不確定性因素較多，它們的育種效率被嚴(yán)重限制。因此，還需綜合運(yùn)用基因組學(xué)、代謝組學(xué)和表觀組學(xué)等組學(xué)研究手段，引入單倍體育種和基因編輯等新興技術(shù)，以提高遺傳位點(diǎn)選擇的準(zhǔn)確性，加快逆境適應(yīng)性種質(zhì)資源的培育效率。