乙烯在作物抗逆中的研究進(jìn)展

胡書蓮

（漯河市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 河南漯河 462300）

植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中， 會(huì)受到一系列生物或非生物因素的脅迫， 為了抵御這些逆境條件對(duì)自身的影響， 植物體內(nèi)形成了一套復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。 其中，植物激素起到了重要的作用。 研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物處于逆境環(huán)境下， 能夠通過(guò)調(diào)控內(nèi)源激素水平的變化，調(diào)節(jié)體內(nèi)逆境應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮作用，例如脯氨酸水平升高，以增強(qiáng)植物抗逆性。

乙烯是一種氣體植物激素， 廣泛存在于植物的各個(gè)器官及組織中， 在植物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段都發(fā)揮著重要作用。 尤其是在逆境脅迫下，幾乎都會(huì)誘導(dǎo)植物內(nèi)源乙烯水平升高， 由此認(rèn)為乙烯是一種與脅迫相關(guān)的激素[1]。 在此背景下，乙烯如何介導(dǎo)植物打開(kāi)抗逆調(diào)控網(wǎng)絡(luò)成為目前的研究熱點(diǎn)。

1 乙烯的生物合成及作用途徑

1984 年，Peiser 第1 次在擬南芥中闡述了乙烯的合成途徑， 主要涉及到3 種酶將甲硫氨酸轉(zhuǎn)化合成乙烯[2]。 乙烯合成主要分為3 個(gè)步驟：①甲硫氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)镾-腺苷甲硫氨酸（SAM），此過(guò)程是在S-腺苷甲硫氨酸合成酶（S-adomet synthetase, SAMS）催化下完成的；②在 ACC 合酶（ACC synthase, ACS）作用下 S-腺苷甲硫氨酸產(chǎn)生氨基環(huán)烷羧酸 （1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid, ACC） 和 5-甲硫腺苷（MTA）；③ACC 在 ACC 氧化酶（ACC oxidase, ACO）催化下合成乙烯[3-4]。 以上即為Met-SAM-ACC-C2H4的過(guò)程，其中ACC 合酶是調(diào)節(jié)乙烯合成的關(guān)鍵蛋白，是由多個(gè)基因共同編碼調(diào)控的。 研究表明，擬南芥中ACS 是由分布在5 條染色體上的12 個(gè)基因所組成的家族，其中有8 個(gè)基因是有功能的（ACS2，ACS4～ACS9，ACS11）。 在各種生物與非生物脅迫中都可以調(diào)控ACS基因的表達(dá)， 例如ACS受乙烯、CHX 和傷害處理誘導(dǎo)；ACS4在幼苗期受CHX、IAA 和傷害誘導(dǎo)；ACS5受氯化鋰、 氯化鈉誘導(dǎo)；ACS6受 CHX、乙烯、IAA 和氯化物誘導(dǎo)[2,5-7]。

2 乙烯在作物抗逆中的研究進(jìn)展

2.1 乙烯在干旱脅迫中的作用

水資源的匱乏是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一，尤其是在我國(guó)西北部地區(qū)，干旱往往是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害。 在作物生長(zhǎng)發(fā)育的整個(gè)過(guò)程中，水分缺失往往影響植物光合作用、物質(zhì)運(yùn)輸?shù)壬磉^(guò)程。 在干旱條件下，植物通過(guò)迅速增加乙烯含量，加速葉片的衰老脫落，減少蒸騰，進(jìn)而克服或者減輕逆境帶來(lái)的傷害[8]。

有研究發(fā)現(xiàn)， 水稻中OsDERF1可以被干旱誘導(dǎo)，進(jìn)行表達(dá)反應(yīng)后，水稻表現(xiàn)出對(duì)干旱敏感，而干擾該基因表達(dá)的材料抗旱性增強(qiáng)。OsDERF1通過(guò)激活 ERF 抑制因子進(jìn)而抑制OsACS2、OsACSS6、Os-ACO2和OsACO3的表達(dá)， 最終抑制乙烯的合成，調(diào)控植物的抗旱性[9]。 同時(shí)，有研究表明，乙烯可能是與其他信號(hào)途徑共同協(xié)調(diào)進(jìn)而影響植物對(duì)于干旱脅迫的應(yīng)答。 段喜華等在擬南芥乙烯突變體的研究中發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫條件下，擬南芥乙烯不敏感突變體表型變化較弱，滲透調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)；乙烯過(guò)量突變體對(duì)脅迫反應(yīng)敏感，抗旱能力較差，使乙烯看起來(lái)更像是干旱的負(fù)調(diào)控因子[10]。 同樣，Manavella 等的研究發(fā)現(xiàn)，Hahb-4是向日葵HD-Zip 蛋白家族的一個(gè)基因，其轉(zhuǎn)錄受到水分和ABA 的調(diào)控，在轉(zhuǎn)基因擬南芥中表達(dá)該轉(zhuǎn)錄因子，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出很強(qiáng)的耐旱性。 另外，Hahb-4是乙烯信號(hào)途徑的一個(gè)新組件，并可以延緩衰老[11]?？傊?，相關(guān)研究結(jié)果表明，乙烯協(xié)調(diào)其他信號(hào)分子促進(jìn)了植物的抗旱性。

2.2 乙烯在高鹽脅迫中的作用

鹽脅迫是制約農(nóng)作物生長(zhǎng)的又一重要因子，隨著化肥、農(nóng)藥的施用，我國(guó)土壤出現(xiàn)了土壤板結(jié)、鹽堿化等現(xiàn)象。 植物長(zhǎng)期處于高鹽條件下，光合作用減弱，影響糖代謝途徑，使植物生長(zhǎng)緩慢，生物量下降，甚至?xí)?dǎo)致死亡。 究其原因，主要是鹽漬環(huán)境中根系吸入的鈉離子在植物體內(nèi)富集， 對(duì)植物產(chǎn)生滲透脅迫和離子毒害，以及氧化脅迫等次生傷害[12]。

在擬南芥耐鹽脅迫的研究中發(fā)現(xiàn)， 鹽脅迫能夠明顯抑制擬南芥幼苗根的生長(zhǎng)， 在外源加入乙烯利時(shí)，可以緩解鹽脅迫帶來(lái)的影響。 乙烯合成前體ACC不能緩解鹽脅迫對(duì)根長(zhǎng)的抑制， 但可以緩解對(duì)根重的抑制。由此證明，乙烯與ACC 都能緩解鹽脅迫對(duì)擬南芥幼苗的傷害。且對(duì)根尖進(jìn)行ROS 水平檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，對(duì)鹽脅迫下的擬南芥施加ACC 或乙烯利， 有利于抑制ROS，防止氧化脅迫[12]。

研究發(fā)現(xiàn)， 高鹽濃度下， 在煙草中NtACS1、NtACO1、NtACO2和NtACO3的表達(dá)顯著增強(qiáng)， 證明鹽脅迫可以促進(jìn)植物體內(nèi)的乙烯合成[13]。水稻中的OsDERF1在受到鹽脅迫時(shí)會(huì)激活OsERF3和OsAP2-39的表達(dá)進(jìn)而抑制乙烯的合成，影響植物的逆境脅迫應(yīng)答[14]。

目前， 擬南芥乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程的研究已經(jīng)較為清晰， 乙烯信號(hào)途徑組分包括定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的乙烯受體（ETR1、ETR2、ERS1 和 EIN4），信號(hào)途徑抑制因子CTR1、EIN2，轉(zhuǎn)錄因子EIN3/EIL1，以及下游轉(zhuǎn)錄因子和功能基因等[13]。 研究表明，擬南芥ein3-1突變體在幼苗生長(zhǎng)期表現(xiàn)出對(duì)鹽脅迫的高度敏感性。 擬南芥乙烯受體ETR1 在鹽脅迫下表達(dá)降低，其突變體etr1-1 對(duì)鹽脅迫敏感。 但乙烯信號(hào)途徑抑制因子CTR1 的突變體ctr1-1 則表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗鹽性[15]，進(jìn)一步證明乙烯具有調(diào)節(jié)鹽脅迫的功能。

2.3 乙烯在作物抗病中的作用

植物生長(zhǎng)尤其是農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中， 會(huì)遭受各種病害的脅迫，病害一直是制約農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)的重要影響因子。 研究發(fā)現(xiàn)，乙烯在抵御生物脅迫上也能發(fā)揮一定的作用。

在植物抗病反應(yīng)中， 雖然乙烯作為報(bào)警信號(hào)分子，但其也可以參與到抗病反應(yīng)中。 例如，乙烯可以抑制病原菌基因的表達(dá)，抑制灰霉病菌絲體的生長(zhǎng)，以達(dá)到保護(hù)或減輕植物遭受病原物侵害的作用。 研究表明，植物在受到病原菌侵染后，其體內(nèi)的乙烯水平會(huì)顯著提高[16]。 但在Thomma 的報(bào)道中，植物受到病原侵染時(shí)會(huì)釋放乙烯， 但植物體內(nèi)的乙烯水平提升是增強(qiáng)其抗性還是增強(qiáng)其感病性尚不明確。 例如，擬南芥突變體ein2 在番茄細(xì)菌性斑點(diǎn)病的侵染下表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗病性， 但是在灰霉病菌的侵染下感病性則增強(qiáng)[17]。

據(jù)報(bào)道，用葡萄孢菌（Botrytis cinerea）接種番茄果實(shí)并置于25℃條件下，7 d 后感病果實(shí)乙烯釋放量顯著增加，ACC 合成酶和脂氧合酶活性也明顯提高。貯藏環(huán)境下增加乙烯吸收劑可明顯延緩葡萄孢菌的發(fā)病，而且ACC 合成酶與脂氧合酶活性也較低[16]。 在乙烯誘導(dǎo)相關(guān)抗病基因的研究中發(fā)現(xiàn)，Tm-22基因是煙草花葉病毒的抗性基因， 含有該基因的番茄抗病毒反應(yīng)為系統(tǒng)性壞死， 農(nóng)桿菌注射部位所形成的壞死癥狀是外源乙烯誘導(dǎo)的結(jié)果[16]。

在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控與乙烯相關(guān)因子的研究中發(fā)現(xiàn)，ERF( Ethylene Responsive Factor）在植物脅迫中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，ERF 轉(zhuǎn)錄因子內(nèi)包含EAR結(jié)構(gòu)域，轉(zhuǎn)錄被抑制，將EAR 結(jié)構(gòu)域敲除后轉(zhuǎn)錄被激活[18]。 研究表明，SA、JA 和 ET 是主要的抗病信號(hào)，ERF 參與了乙烯的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。 通常，ERF 正調(diào)控JA-ET 抗病信號(hào)途徑， 負(fù)調(diào)控SA 抗病信號(hào)途徑[19]。用JA 與病原菌共同處理擬南芥來(lái)篩選ERF基因，AtERF 4下調(diào)JA 應(yīng)答相關(guān)抗病基因的表達(dá)， 降低枯萎病抗性，但AtERF 2卻上調(diào)JA 應(yīng)答相關(guān)抗病基因的表達(dá)，即AtERF 4是負(fù)調(diào)控，AtERF2是正調(diào)控。 同時(shí)發(fā)現(xiàn)，AtERF 2基因的表達(dá)受AtERF 14調(diào)控，而AtERF 14可以增強(qiáng)下游防衛(wèi)基因的表達(dá)，AtERF 14基因缺失則會(huì)降低植物對(duì)枯萎病的抗性。

3 小結(jié)與展望

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展， 生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，干旱、鹽漬、病害等問(wèn)題日益突出，在提供充足的糧食產(chǎn)量以保證人民生活需求的基礎(chǔ)上， 減少農(nóng)藥、化肥的施用，提高作物品質(zhì)是目前農(nóng)業(yè)研究的重中之重。 乙烯在作物抗逆方面的研究已有了一定的進(jìn)展，但具體的調(diào)控機(jī)制還不是十分清楚。 目前，生物行業(yè)迅速發(fā)展，無(wú)論是儀器還是研究、技術(shù)手段都有了顯著的提升。 但是，近10 年來(lái)，乙烯的研究進(jìn)展相對(duì)緩慢，因此可以將目前的先進(jìn)技術(shù)結(jié)合，進(jìn)一步深入探究乙烯在植物體內(nèi)的作用途徑及其抗逆相關(guān)調(diào)控機(jī)制。

今后，可以嘗試探索能否借助二代測(cè)序技術(shù)，在大數(shù)據(jù)的支撐下發(fā)現(xiàn)一些新的與乙烯調(diào)控抗逆相關(guān)的機(jī)制。 可以通過(guò)基因編輯技術(shù)CRISPR/Cas9 等，嘗試對(duì)某些與乙烯合成相關(guān)的基因片段或乙烯調(diào)控的下游元件等進(jìn)行編輯處理，研究其抗逆功能，從而更好地與農(nóng)作物新品種的培育相結(jié)合，育成更高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆的新品種。