細(xì)胞自噬在作物農(nóng)藝性狀形成中的調(diào)控機(jī)制及應(yīng)用前景

李一鳴，楊倩穎，謝慶軍

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 廣東 廣州 510642)

自噬(Autophagy)一詞來源于希臘文auto-(自我)和phagein(吞噬)，從字面講就是自我吞噬的意思。這一概念最早在1963年由比利時(shí)生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)家Christian De Duve在觀察到細(xì)胞中的自噬現(xiàn)象時(shí)提出[1-3]。受試驗(yàn)手段限制，自噬初期的研究難以深入，相關(guān)的分子機(jī)制更是知之甚少，僅能通過形態(tài)學(xué)觀察來描述細(xì)胞自噬。20世紀(jì)90年代初，日本遺傳學(xué)家Yoshinori Ohsumi研究組利用酵母這一經(jīng)典的模式生物，進(jìn)行細(xì)胞自噬突變體的遺傳篩選，最終鑒定到多個(gè)參與自噬的關(guān)鍵基因，這些基因被命名為APG(Autophagy)基因，2003年自噬基因統(tǒng)一命名為ATG(Autophagyrelated gene)基因[4-5]。1997年，繼第1個(gè)自噬基因APG1(植物中為ATG1)被克隆后，迄今已有43個(gè)ATG基因陸續(xù)被克隆和報(bào)道[6-7]，從而將細(xì)胞自噬帶入了分子水平研究的時(shí)代，極大地推動(dòng)了自噬的生物學(xué)功能研究的深度和廣度，尤其是關(guān)于自噬與各種重要疾病形成和發(fā)生之間的密切關(guān)系，自噬成為當(dāng)前生命科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)[8]。

細(xì)胞自噬作為一種在進(jìn)化中高度保守的細(xì)胞代謝過程，是真核細(xì)胞內(nèi)清除衰老或受損細(xì)胞器、蛋白與蛋白聚集體的主要途徑，在維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞組分再利用方面發(fā)揮重要作用[9]。目前已鑒定3種具有差異性的自噬類型，動(dòng)物和酵母與植物中的類型略有不同[10]。在動(dòng)物和酵母中，細(xì)胞自噬分為微自噬(Micro-autophagy)、巨自噬(Macroautophagy)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(Chaperonemediated autophagy, CMA)；而在植物中，細(xì)胞自噬分為巨自噬、微自噬和超自噬(Mega-autophagy)[11-13](圖1)。在巨自噬過程中，自噬體前體包裹吞噬物后形成具有雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬體，然后自噬體與溶酶體(液泡)融合，自噬體內(nèi)容物被溶酶體(液泡)內(nèi)的水解酶降解[14-15](圖1A)。在微自噬中，溶酶體膜(液泡膜)凹陷并包裹吞噬物，然后吞噬物在溶酶體(液泡)腔內(nèi)被降解[16](圖1B)。超自噬則是指通過液泡膜滲透或者破裂而實(shí)現(xiàn)的一種極端自噬過程，通常發(fā)生在植物細(xì)胞程序性死亡(Programmed cell death, PCD)的最終階段[17]。在超自噬過程中，液泡膜通透性變差、破裂，直接向細(xì)胞質(zhì)釋放大量液泡水解酶，在細(xì)胞質(zhì)中降解細(xì)胞質(zhì)物質(zhì)，甚至降解細(xì)胞壁，進(jìn)而誘導(dǎo)PCD的發(fā)生[18](圖1C)。分子伴侶介導(dǎo)的自噬即分子伴侶與胞質(zhì)內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)合并轉(zhuǎn)至溶酶體膜上，通過溶酶體跨膜蛋白把該蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)至溶酶體腔內(nèi)，再由溶酶體酶進(jìn)行降解，此種自噬鮮見在植物中報(bào)道[19-21]。

圖1 植物自噬的發(fā)生過程和分類Fig. 1 The process and classification of autophagy in plants

近年來，隨著研究手段和技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)細(xì)胞自噬尤其是巨自噬(也被稱為選擇性自噬)的認(rèn)識(shí)更深入了。眾多植物自噬相關(guān)的ATG基因被克隆，其在植物生長調(diào)節(jié)和脅迫響應(yīng)中的功能也被逐一發(fā)掘。目前，植物自噬的研究已經(jīng)從傳統(tǒng)模式植物擴(kuò)展到農(nóng)作物。例如，模式植物擬南芥Arabidopsis thaliana的ATG基因的同源基因已在多個(gè)作物中被鑒定。越來越多的研究表明，這些ATG同源基因介導(dǎo)的細(xì)胞自噬參與了作物產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆性的調(diào)控。為此，本文總結(jié)了植物巨自噬(以下簡稱自噬)的分子機(jī)制及其在作物重要農(nóng)藝性狀形成中的調(diào)控機(jī)理，并對(duì)其在作物遺傳改良中的潛在應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 自噬一般過程和分子機(jī)制

目前已知的自噬途徑主要包括：自噬起始、自噬前體形成、自噬前體膜延伸和閉合、自噬體轉(zhuǎn)運(yùn)與降解(圖1A)。

1.1 自噬起始

ATG1/ATG13蛋白激酶復(fù)合體(包括ATG1、ATG11、ATG13和ATG101)啟動(dòng)自噬體的形成[22]，受上游激酶TO R(Target of rapamycin)與SnRK1(Sucrose non-fermenting-1-related protein kinase 1)調(diào)控，響應(yīng)上游調(diào)控因子對(duì)營養(yǎng)、能量信號(hào)的感知。

植物SnRK1與酵母SNF1(Sucrose nonfermenting 1)以及哺乳動(dòng)物AMPK(AMP-activated kinase)具有較高的同源性，功能保守，作為能量感受器參與環(huán)境和細(xì)胞脅迫響應(yīng)[23]。植物體內(nèi)碳水化合物的水平往往隨著發(fā)育狀態(tài)和環(huán)境的變化而變化，植物通過感應(yīng)碳水化合物的水平來調(diào)控SnRK1的激酶活性，同時(shí)，SnRK1能控制下游與能量相關(guān)的關(guān)鍵代謝酶類的酶活，反饋調(diào)控植物碳水化合物水平，進(jìn)而控制植物生長發(fā)育以適應(yīng)周圍環(huán)境[24]。研究表明，擬南芥的SnRK1在TOR上游激活自噬[25]，SnRK1還可能通過影響ATG1蛋白的磷酸化從而正向調(diào)控自噬[26]。在長期的饑餓條件下，SnRK1可以直接磷酸化PI3K復(fù)合體中的ATG6啟動(dòng)自噬[27]。

TOR是真核生物中高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，能整合營養(yǎng)、能量、生長因子及環(huán)境信號(hào)，協(xié)調(diào)細(xì)胞增殖、生長和代謝等過程，是真核生物生長發(fā)育的核心調(diào)控因子[28]。TOR以復(fù)合體的形式行使功能。真核生物中已鑒定出2個(gè)結(jié)構(gòu)和功能截然不同的蛋白復(fù)合體，分別為TORC1(TOR complex 1)和TORC2(TOR complex 2)[29]。與哺乳動(dòng)物和酵母中存在2個(gè)TOR復(fù)合體不同，植物中只存在TORC1。TORC1主要由TOR、LST8(Lethal with sec thirteen protein 8)和RAPTOR(Regulatory associate protein of TOR)組成。LST8與TOR激酶結(jié)構(gòu)域結(jié)合，幫助其選擇性結(jié)合下游底物。RAPTOR主要維持TORC1二聚體(LST8與TOR形成的二聚體)的穩(wěn)定性、催化能力和與底物結(jié)合的能力。ATG13蛋白結(jié)構(gòu)域上存在一個(gè)TOS(TOR signaling)基序，該基序介導(dǎo)ATG13與RAPTOR結(jié)合[30-31]。在營養(yǎng)充足的條件下，TOR高度活躍，與其他激酶促進(jìn)ATG13亞基的磷酸化并抑制ATG1亞基的自磷酸化，高度磷酸化的ATG13與低度磷酸化的ATG1之間的親和力降低，導(dǎo)致兩者之間的相互作用減弱，從而抑制自噬的啟動(dòng)[32]；而在營養(yǎng)脅迫的條件下，TOR的活性被抑制，導(dǎo)致ATG13去磷酸化并與高度磷酸化的ATG1緊密結(jié)合，ATG1、ATG13、ATG11和ATG101形成緊密的激酶復(fù)合體，從而啟動(dòng)自噬。I型蛋白磷酸酶(Type one protein phosphatases, TOPPs)通過影響ATG 13 a的磷酸化狀態(tài)調(diào)控復(fù)合體A TG1-ATG13的形成，超表達(dá)TOPP能促進(jìn)ATG1a的磷酸化，該過程依賴于ATG13a[33]。

最新研究表明，擬南芥ATG1和ATG13的穩(wěn)定性還受26S蛋白酶體調(diào)控。在正常條件下，E3泛素連接酶SINAT1/2(RING-type E3 ubiquitin transferase 1/2)與ATG13互作，促進(jìn)ATG13降解從而抑制自噬。脅迫條件下，E3泛素連接酶SINAT6被誘導(dǎo)，與SINAT1/2競爭結(jié)合位點(diǎn)，其與ATG13結(jié)合，干擾SINAT1/2介導(dǎo)的ATG13的泛素化和降解，腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子1(Tumor necrosis factor receptor-associated 1，TRAF1)作為該過程的適配器，可以與 ATG6、SINAT6 互作從而促進(jìn)自噬的發(fā)生[34-35]。

1.2 自噬前體形成

ATG1/ATG13蛋白激酶復(fù)合體通過另外2種蛋白復(fù)合體促進(jìn)自噬體前體形成：一種是磷脂酰肌醇-3-激酶(Phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)復(fù)合體，另一種是ATG9復(fù)合體。植物PI3K復(fù)合體為囊泡蛋白分選相關(guān)蛋白34(Vacuolar protein sorting 34, VPS34)形成的復(fù)合物，其中VPS34復(fù)合物Ⅰ(VPS34、VPS15、ATG6和ATG14)在巨自噬過程中參與成核作用；VPS34復(fù)合物Ⅱ(VPS34、VPS15、ATG6和VPS38)參與胞吞[36]。通過V P S 34激酶活性，產(chǎn)生磷脂酰肌醇-3-磷酸(Phosphatidylinositol 3-phosphate, PI3P)以修飾自噬囊泡。VPS34復(fù)合物I早期被招募到起始膜上，以PI3P富集吞噬細(xì)胞膜，作為PI3P結(jié)合效應(yīng)物招募的平臺(tái)[37]。此外PI3P還能被FYCO1(FYVE and coiled-coil domain autophagy adaptor 1)蛋白中的FYVE(Fab-1, YGL023，Vps27 and EEA1)結(jié)構(gòu)域識(shí)別，在自噬囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)上起著重要作用[38]。植物ATG9復(fù)合體包括ATG9、ATG2和ATG18?？缒さ鞍譇TG9在ATG1-ATG13激酶復(fù)合體激活下，將脂質(zhì)傳遞到自噬體前體膜上的組裝位點(diǎn)，與膜蛋白ATG2-ATG18復(fù)合物互作，輔助自噬體前體膜的延伸[39-41]。

1.3 自噬前體膜的延伸和閉合

自噬前體膜的延伸和閉合需要2條類泛素化途徑參與：一條是A T G 8-P E結(jié)合途徑，包括ATG8、ATG4、ATG7和ATG3，另一條則是ATG12-ATG5結(jié)合途徑，包括ATG12、ATG7、ATG10、ATG5和ATG16。ATG8在與磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanolamine, PE)結(jié)合后方可進(jìn)入自噬小泡的膜層，ATG8-PE的形成先是半胱氨酸蛋白酶ATG4對(duì)ATG8的C端進(jìn)行剪切，露出甘氨酸殘基，接著在具有泛素活化酶E1活性的ATG7作用下，ATG7的半胱氨酸殘基和ATG8的甘氨酸殘基形成硫脂鍵，ATG8轉(zhuǎn)移到具有泛素交聯(lián)酶E2活性的ATG3上，最終與磷脂酰乙醇胺結(jié)合形成ATG8-PE復(fù)合體。ATG12-ATG5結(jié)合途徑與ATG8-PE結(jié)合途徑相似，先是ATG12與ATG7結(jié)合，后經(jīng)具有泛素交聯(lián)酶E2活性的ATG10轉(zhuǎn)移到靶蛋白ATG5上，形成ATG12-ATG5復(fù)合體，該復(fù)合體與ATG16結(jié)合后形成二聚體。該復(fù)合物可以進(jìn)一步促進(jìn)ATG8與PE的酯化，并將其錨定在自噬體膜上[42-45]。ATG8與PE的結(jié)合是可逆的，可被ATG4切割，使外膜上的ATG8釋放并循環(huán)利用，而自噬體內(nèi)膜上的ATG8-PE復(fù)合物則在液泡中被降解[46]。大量的ATG8結(jié)合到自噬體前體上，促使自噬體前體逐漸擴(kuò)張形成碗狀結(jié)構(gòu)，最后閉合形成完整的自噬體。此外，在擬南芥中存在一種非ATG蛋白SH3P2(SH3 domain-containing protein 2)，該蛋白有助于調(diào)節(jié)自噬體的形成。在自噬誘導(dǎo)之前，SH3P2被招募到吞噬泡組裝位點(diǎn)(Phagophore assembly site，PAS)并與PIP(Phosphatidylinositol phosphate)、PI3K復(fù)合體及ATG8結(jié)合，促進(jìn)自噬體的形成[47]。另外一種內(nèi)吞體分選轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合體組分FREE1(FYVE domain protein required for endosomal sorting 1)蛋白和 SH3P2相互作用，并和PI3K復(fù)合體一起調(diào)控自噬體與液泡的融合以及自噬體的降解[48-49]?？傊珹TG8-PE復(fù)合物不斷組裝在延伸中的自噬前體膜上，并通過招募SH3P2和FREE1來封閉囊泡。

1.4 自噬體轉(zhuǎn)運(yùn)和降解

最后，密封的ATG8和PI3P修飾的自噬體在FYVE和含有卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域(FYCO)蛋白的幫助下通過微管運(yùn)送到液泡中。隨后，SNARE(Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor)介導(dǎo)自噬體與液泡融合，該過程依賴于ARP2/3(Actin-related protein 2/3)、NAP1(NCKassociated protein)、ESCRT(Endosomal sorting complexes required for transport)復(fù)合物以及外囊蛋白EXO70B1的協(xié)助。最后，自噬體被運(yùn)送到液泡中被液泡水解酶降解，消化后的產(chǎn)物再被液泡釋放到細(xì)胞質(zhì)供回收利用[50-51]。

2 自噬受體識(shí)別及類型

巨自噬既可對(duì)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)容物進(jìn)行非選擇性的整體降解，也可選擇性地對(duì)一些可溶蛋白、受損的細(xì)胞器、蛋白聚集體和細(xì)菌等物質(zhì)進(jìn)行特異性降解[52]。這種選擇性自噬主要是在脂化的ATG8插入自噬膜時(shí)發(fā)揮作用，內(nèi)膜上的ATG8提供對(duì)接平臺(tái)作用，通過與自噬受體(Receptor)和接頭蛋白(Adaptor)互作來驅(qū)動(dòng)自噬小泡進(jìn)行貨物選擇。自噬受體通常包含一個(gè)以上的ATG8相互作用基序(ATG8-interacting motif, AIM/LIR)[53]，該基序一般模式為W/F/YXXV/I/L，其中X代表任意氨基酸，可緊密地契合于ATG8上的2個(gè)保守疏水區(qū)，統(tǒng)稱為LIR/AIM對(duì)接位點(diǎn)(LIR/AIM docking site,LDS)[54-55]。近年來又鑒定出一個(gè)新的保守位點(diǎn)：ATG8高親和結(jié)合的泛素化相互作用基序(Ubiquitininteracting motif, UIM)，與之在ATG8上對(duì)應(yīng)的是UIM對(duì)接位點(diǎn)(UIM-docking site, UDS)。一般來說，UIM是20個(gè)氨基酸的延伸，具有較大的序列多樣性，可能會(huì)折疊成螺旋結(jié)構(gòu)[56]。UIM序列為ψ-δ-X-A-ψ-X-X-S，其中ψ代表疏水殘基，δ為親水殘基，X為任意氨基酸[57]。

隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞中存在著ATG8相互作用基序蛋白，其參與各種類型的選擇性自噬，可以選擇性地進(jìn)行特定細(xì)胞器自噬[58]：病原體自噬(Xenophagy)、聚集體自噬(Aggrephagy)、蛋白酶體自噬(Proteaphagy)、線粒體自噬(Mitophagy)、葉綠體自噬(Chlorophagy)等[59-61]。

3 自噬的作物生物學(xué)功能

在正常生長條件下，植物細(xì)胞的各種發(fā)育活動(dòng)，尤其是某些形態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，都需要自噬的參與。當(dāng)環(huán)境因素改變時(shí)，植物將會(huì)大量誘導(dǎo)自噬以平衡生長和抗逆(圖2)。

圖2 自噬對(duì)作物農(nóng)藝性狀的潛在影響Fig. 2 Potential effects of autophagy on agronomic traits of crops

3.1 自噬對(duì)作物氮素利用率及低氮耐受性的影響

氮是植物必需營養(yǎng)元素，對(duì)作物的生物量和產(chǎn)量起著關(guān)鍵作用。植物對(duì)氮素的利用包括吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、同化和再利用。水稻Oryza sativa自噬突變體osatg7-1的株高、根長、分蘗數(shù)和總?cè)~面積顯著小于野生型，生物量小，氮素利用率低，氮的再動(dòng)員受到抑制[62]；玉米Zea mays自噬缺陷突變體zmatg12-1和zmatg12-2在低氮土壤條件下，生長受到更嚴(yán)重的脅迫，根系和地上部的生長明顯下降，氮素從葉片到果實(shí)的分配受到限制[63]；番茄Solanumlycopersicum自噬突變體slatg6、slatg10、slatg18a的生物量、氮積累量均較野生型減少[64]，表明自噬缺陷突變體由于不能及時(shí)進(jìn)行能量循環(huán)利用，造成新發(fā)育組織氮的可利用減少，從而導(dǎo)致植株整體葉面積減少，光合能力降低，氮回收能力削弱，從而在全株水平上影響了氮的高效再利用。

在低氮脅迫下，蘋果Malus domestica中過表達(dá)MdATG8a可通過促進(jìn)3種高親和力硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Nitrate transporter, NRT)：NRT2.1/2.4/2.5表達(dá)量上調(diào)，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)基因蘋果對(duì)氮缺乏的耐受性[65]。過表達(dá)番茄SlATG6促進(jìn)了低氮誘導(dǎo)的自噬體的形成，且NRT1.1、NRT2.1在根中的表達(dá)亦受到誘導(dǎo)，同時(shí)，硝酸還原酶(Nitrate reductase, NR)與亞硝酸還原酶 (Nitrite reductase, NiR)的活性亦提高，進(jìn)而增加了番茄葉片的氮同化，最終促使根的氮含量以及生物量的同時(shí)提高[64]。這些發(fā)現(xiàn)表明在氮素缺乏的情況下，高水平的自噬不僅有利于植物氮素的循環(huán)利用，而且對(duì)植物氮素的吸收也具有正向調(diào)節(jié)作用。植物主要通過根系從土壤中吸收氮，該過程通過NRT完成，NRT1.1的蛋白水平受ABI2(Abscisic acid-insensitive 2)、CPSF30-L(Cleavage and polyadenylation specifcity factor 30-L)和FIP1[Factor interacting with poly(A) polymerase 1]負(fù)調(diào)控[66]，暗示著自噬途徑可能通過降解這些負(fù)調(diào)控因子從而提高NRT的水平，進(jìn)而促進(jìn)氮的高效利用。日后可關(guān)注這些負(fù)調(diào)控因子是否具有AIM序列，是否可與ATG8蛋白結(jié)合，進(jìn)而被自噬選擇性降解。最新研究表明SnRK1還能整合植物體內(nèi)的代謝信號(hào)、內(nèi)源激素以及外源環(huán)境刺激來調(diào)控硝態(tài)氮信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子NLP7(NODULE INCEPTION-like protein 7)活性；在低氮情況下，SnRK1與NLP7相互作用，然后磷酸化NLP7使其滯留在細(xì)胞質(zhì)降解，從而阻止NLP7進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，進(jìn)而抑制植物硝態(tài)氮信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[67]，NLP的具體降解途徑未知。由于SnRK1是植物自噬的上游調(diào)控因子，而NLP7的降解依賴于SnRK1，推測NLP7可能是自噬調(diào)控氮響應(yīng)通路的靶標(biāo)蛋白之一，而NLP7是否通過自噬途徑降解還需進(jìn)一步研究。

氮收獲指數(shù)(Nitrogen harvest index, NHI)指收獲時(shí)經(jīng)濟(jì)器官中氮素占整株植物中氮素的比例，NHI越高表明植株積累的氮較多地分配到籽粒，籽粒蛋白質(zhì)含量和積累量越多，營養(yǎng)品質(zhì)越佳，種子萌發(fā)成苗和生長更好[68]。在低氮條件下，過表達(dá)OsATG8b可顯著提高NHI，過表達(dá)SiATG8a亦可顯著促進(jìn)植株長勢[69]；過表達(dá)GmATG8c能夠提高大豆Glycine max及其轉(zhuǎn)基因愈傷組織的低氮耐受性[70]；過表達(dá)MdATG9、MdATG10、MdATG18a均能提高蘋果低氮耐受性，同時(shí)氮轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因MdNRT1.1、MdNRT2.5、MdNIA1和MdNIA2的表達(dá)量均升高，保持較高的光合作用能力，獲得較好的生長[65]。綜上表明，過表達(dá)自噬相關(guān)基因可增強(qiáng)作物低氮耐受性，提高產(chǎn)量，提高籽粒品質(zhì)，因此，自噬在未來的生物育種中具有重要的開發(fā)潛力。

3.2 自噬在延緩葉片衰老中的作用

自噬相關(guān)學(xué)術(shù)論文期刊的封面經(jīng)常出現(xiàn)東西方古老文明中的圖騰形象-銜尾蛇。銜尾蛇在古希臘語中有“自我吞噬”的含義，除此之外，銜尾蛇還象征著更新、重生和無限，與細(xì)胞自噬的生理功能不謀而合。人體細(xì)胞的自噬能力隨著年齡的增加而降低，而細(xì)胞自噬能力越強(qiáng)，細(xì)胞的自我調(diào)節(jié)能力越好，但若是細(xì)胞自噬能力減弱，細(xì)胞就可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定，加快人的衰老速度，跟多種疾病還可能有一定的聯(lián)系，植物同理。已有研究表明，水稻atg7突變體會(huì)出現(xiàn)明顯的葉片早衰現(xiàn)象[62]，大豆GmATG2沉默植株特異性呈現(xiàn)加速衰老表型，并且活性氧和水楊酸的積累顯著增加，致病相關(guān)基因1(Pathogenesis-related gene 1,PR1)的表達(dá)也顯著被誘導(dǎo)[71]。擬南芥自噬突變體atg2、atg4a/4b、atg5、atg7、atg9、atg10和atg18a也出現(xiàn)早衰現(xiàn)象，衰老基因SAG12(Senescence-associated gene 12)轉(zhuǎn)錄被大量誘導(dǎo)[72]，說明植物自噬參與了植物衰老的過程。

有趣的是，TOR和SnRK激酶調(diào)控自噬的機(jī)制是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子活性發(fā)生的。因此，這些通路的下游靶點(diǎn)極有可能是自噬的直接轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。SnRK1通過磷酸化激活bZIP(Basic leucine zipper)轉(zhuǎn)錄因子，例如bZIP63，在植物中啟動(dòng)低能量反應(yīng)[73]。其次，SnRK1.1可以與NAC轉(zhuǎn)錄因子ATAF1相互作用，過表達(dá)后導(dǎo)致早期衰老[74]。相反，TOR激活BZR1(Brassinazole resistant 1)，BZR1通過抑制多個(gè)NAC轉(zhuǎn)錄因子來抑制衰老的起始[75]。當(dāng)TOR不穩(wěn)定時(shí)，BZR1通過自噬被降解[76]。綜上所述，可以預(yù)見，作用于T O R和SnRK激酶下游的轉(zhuǎn)錄因子是植物自噬的直接轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，自噬可能參與降解葉片衰老相關(guān)蛋白(Senescence associated protein，SAP)從而延緩衰老。

植物的衰老主要表現(xiàn)為綠色光合器官的衰老，特別是細(xì)胞器葉綠體的優(yōu)先降解，葉綠體及其內(nèi)含物的降解途徑與自噬相關(guān)：主要包括葉綠體組分的自噬降解以及整個(gè)葉綠體的自噬降解。核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase, Rubisco)是光合作用中決定碳同化速率的關(guān)鍵酶，同時(shí)也是植物光呼吸的關(guān)鍵酶。在葉片衰老的小麥Triticum aestivum葉片中，存在包含葉綠體基質(zhì)蛋白R(shí)ubisco但不包含類囊體蛋白質(zhì)的小泡，被稱為包含Rubisco小體(Rubisco-containing bodies,RCBs)[77]。RCBs在敲除ATG5或ATG7的突變體中不產(chǎn)生，并且RCBs與自噬體標(biāo)記物GFP-ATG8共定位，這些結(jié)果表明RCBs是一種自噬體，它將部分基質(zhì)蛋白傳遞到液泡中[78]。ATI1能與葉綠體蛋白質(zhì)和自噬結(jié)構(gòu)的核心蛋白ATG8互作介導(dǎo)特異質(zhì)體蛋白的選擇性自噬，通過形成ATI1-PS(ATG8-interacting protein 1 plastid bodies)將靶蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡中降解[79]。整個(gè)受損的葉綠體也被證明可直接被液泡包被吞噬，發(fā)生葉綠體微自噬降解[80-81]。

自噬延緩植物衰老與植物激素的調(diào)控有關(guān)。大豆生殖期衰老葉片中ATG8s、ATG4和ATG9的同源物表達(dá)量提高[82]。3個(gè)ATG基因BrATG5b、BrATG8e-1和BrATG8h-1在經(jīng)濟(jì)作物菜心Brassica campestrisssp.chinensisvar.utilis采后葉片衰老過程中的表達(dá)顯著上調(diào)，這些基因受促進(jìn)衰老的植物激素茉莉酸甲酯和脫落酸誘導(dǎo)，而受延緩衰老的激素細(xì)胞分裂素6-芐基腺苷(6-benzylaminopurine, 6-BA)和赤霉素抑制[83]。通過阻斷水楊酸(Salicylic acid, SA)的生物合成或信號(hào)傳導(dǎo)可以緩解這些自噬突變體的葉片早衰現(xiàn)象，如過表達(dá)SA羥化酶NahG(Salicylate hydroxylase)可以完全抑制atg2和atg5的早衰表型，而施加SA類似物苯并噻二唑(Benzothiadiazole, BTH)后則會(huì)恢復(fù)這些突變體的早衰表型[84]。利用玉米優(yōu)良雜交種Jidan27及其親本Si-287(早衰)和Si-144(保持綠色)的后代，以及173個(gè)玉米自交系，鑒定出的2個(gè)控制玉米葉片衰老的新基因座及其候選基因Stg3(ZmATG18b)和Stg7(ZmGH3.8)，它們分別被預(yù)測為自噬途徑和生長素途徑的成員。ZmATG18b表達(dá)量較低、ZmGH3.8表達(dá)量較高的Stg3Si-144/Stg7Si-144等位基因組合能夠顯著延緩葉片的衰老，增加穗質(zhì)量；而ZmATG18b表達(dá)量較高、ZmGH3.8表達(dá)量較低的Stg3Si-287/Stg7Si-287組合則恰恰相反，表明自噬和生長素途徑在葉片衰老上可能起著協(xié)同調(diào)控作用[85]。植物激素與細(xì)胞自噬的具體互作機(jī)理尚未清楚，我們推測自噬可能通過降解植物激素代謝的負(fù)調(diào)控因子影響植物的衰老過程。

對(duì)于作物生產(chǎn)而言，葉片衰老最終影響作物產(chǎn)量與品質(zhì)性狀的形成。早衰的水稻、小麥和棉花Gossypium hirsutum品種會(huì)導(dǎo)致20%～30%的產(chǎn)量損失，而適度晚衰的玉米和小麥品種可以增產(chǎn)20%～30%。理論上，作物葉片衰老啟動(dòng)得愈晚光合總量愈大，衰老進(jìn)程速率愈快，營養(yǎng)物質(zhì)被動(dòng)員和再利用的效率就愈高，對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的形成就愈有利，反之則不利[86]。適當(dāng)?shù)难泳徣~片衰老，使作物產(chǎn)生合適的持綠現(xiàn)象是有必要的，過表達(dá)AtATG5和AtATG7的葉片衰老發(fā)生時(shí)間較野生型顯著延遲4～7 d，平均壽命比野生型植株延長10%～20%[87]。因此，未來的生物育種可通過對(duì)自噬相關(guān)基因表達(dá)量的精細(xì)微調(diào)，從而達(dá)到適度延緩作物衰老，進(jìn)而提高產(chǎn)量的目的。

3.3 自噬在調(diào)控作物抽穗開花中的作用

水稻抽穗期的重要農(nóng)藝性狀由主效和微效多基因控制，屬于數(shù)量性狀，它間接或直接地影響產(chǎn)量[88]。目前已知的水稻開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)主要有3條：1)以O(shè)sGI-Hd1-Hd3a(Rice GIGANTEA、Heading date1和Heading date 3a)為核心進(jìn)化保守的信號(hào)通路[89]。2)水稻特有的以G h d 7/Hd4-Ehd1-Hd3a/RFT1(Grain number、plant height and heading date、Early heading date 1、Heading date 3a和Riceflowering locus T1)為核心的長日照條件下抑制開花途徑[90-92]。3)獨(dú)立于Hd1和Ehd1路徑之外的其他開花調(diào)控基因：如DTH2、Se14、OsCO3和OsDOF12等[93-95]。

Hd1是第1個(gè)被報(bào)道的水稻開花基因，參與光周期誘導(dǎo)的抽穗期調(diào)控。Hd1扮演雙元角色，在短日照下正調(diào)控抽穗期，在長日照下負(fù)調(diào)控抽穗期[96]。研究發(fā)現(xiàn)，osatg5-1突變體的開花時(shí)間比野生型晚25 d，自噬的其他關(guān)鍵基因OsATG7和OsATG8的缺失也導(dǎo)致類似的晚花表型，表明自噬途徑調(diào)節(jié)水稻開花。在晝夜轉(zhuǎn)化過程中自噬被激活，自噬核心蛋白ATG8通過相互作用基序AIM1識(shí)別細(xì)胞核定位的Hd1，進(jìn)而將其運(yùn)輸?shù)揭号葜?，完成Hd1蛋白的降解；當(dāng)自噬功能喪失時(shí)，Hd1蛋白顯著積累，抑制成花素基因表達(dá)，延遲水稻開花[97]。調(diào)控水稻開花的另外2條途徑是否也與自噬有關(guān)系呢？Ehd1蛋白是否含有AIM識(shí)別序列?是否也作為自噬的靶蛋白從而影響水稻抽穗開花?將來可對(duì)Ehd1的降解途徑進(jìn)行研究。

3.4 自噬對(duì)作物生殖發(fā)育的影響

植物的生殖生長包括花發(fā)育、雌雄配子發(fā)育、傳粉受精等生物過程。自噬在花粉成熟、自交不親和性響應(yīng)、花粉萌發(fā)、花粉管伸長和受精等過程中均扮演著重要角色。以下主要討論自噬在花粉成熟、花粉萌發(fā)以及花粉管伸長發(fā)育過程中的影響。

花藥是被子植物重要的雄性生殖器官，花藥壁由外到內(nèi)分別為表皮層、藥室內(nèi)壁、中層和絨氈層[98]。水稻花藥減數(shù)分裂后期，絨氈層細(xì)胞中積累了雙膜類自噬體結(jié)構(gòu)與液泡包圍的脂質(zhì)體；而atg7突變體的絨氈層細(xì)胞中沒有自噬體，但積累了大量脂質(zhì)體?；ǚ鄢墒爝^程中，花藥絨氈層逐漸消失，但atg7突變體還留有部分絨氈層，花藥不開裂，而其花粉里只有少量脂質(zhì)體與淀粉粒，并且其三?；视团c甘油二酯含量均低于野生型，花粉萌發(fā)活性降低，導(dǎo)致雄性不育，表明自噬可能通過調(diào)控花藥絨氈層里脂質(zhì)與其他營養(yǎng)物質(zhì)的降解以及絨氈層自身的降解而影響營養(yǎng)物質(zhì)向花粉傳遞，調(diào)控脂質(zhì)與淀粉的代謝過程，促進(jìn)花粉脂質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的積累，促進(jìn)生殖發(fā)育[99]，但具體的調(diào)控機(jī)制還有待研究。

在擬南芥中，AtATG6主要在成熟花粉中表達(dá)，atatg6的突變體抑制了花粉的萌發(fā)，進(jìn)而導(dǎo)致雄性不育[100-101]。囊泡分選相關(guān)蛋白VPS34是植物中鑒定出的第1個(gè)PI3K囊泡分選蛋白，VPS34缺失突變體的花粉不能正常萌發(fā)[102]。此外，atvsp15突變體中花粉萌發(fā)也發(fā)生異常[103]。

磷脂酰肌醇依賴的磷脂酶C(Phosphoinositidespecific phospholipase C, PI-PLC)途徑是花粉管極性生長中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控途徑之一。花粉管通過降解胞內(nèi)儲(chǔ)存的淀粉、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等物質(zhì)可持續(xù)獲得細(xì)胞生長所需的物質(zhì)與能量。自噬在擬南芥花粉管生長和雄性育性過程中發(fā)揮重要生物學(xué)功能。在花粉管中，線粒體自噬與多種形式的自噬共同存在并維系花粉管的快速生長，在擬南芥雄配子體受精過程中發(fā)揮重要的調(diào)控功能。去極化的線粒體通過AIM對(duì)接位點(diǎn)特異性重組并與ATG8結(jié)合，實(shí)現(xiàn)線粒體自噬，但含有AIM的線粒體蛋白有待進(jìn)一步研究。此外，自噬還可參與花粉管生長過程中破碎膜的去除和細(xì)胞質(zhì)的缺失。在眾多自噬調(diào)控因子和效應(yīng)因子中，SH3P2(含有SH3區(qū)域蛋白)和ATG8可能是調(diào)控花粉萌發(fā)以及花粉管生長過程中自噬體生物發(fā)生和功能的關(guān)鍵分子[104]。在作物中可能也有相似調(diào)控模式，有待研究。

3.5 自噬對(duì)作物產(chǎn)量的影響

自噬影響著植物生長的方方面面，最終協(xié)同調(diào)控產(chǎn)量性狀。水稻osatg8b沉默植株穗粒數(shù)和單株產(chǎn)量降低[105-106]，玉米自噬缺陷突變體zmatg12-1和zmatg12-2種子產(chǎn)量較對(duì)照相比分別顯著下降28%和25%，千粒質(zhì)量也顯著下降25%和21%[63]。擬南芥atatg5和atatg7突變體植株，每株蓮座鮮質(zhì)量和成熟種子總質(zhì)量均降低了50%[87]。在番茄中鑒定到一個(gè)與擬南芥高度同源的TOR基因，相似度為86.53%，一致率為79.36%，編碼的2470個(gè)氨基酸具有保守的FAT、FRB、激酶域和FATC結(jié)構(gòu)域。與擬南芥不同的是，番茄tor突變體沒有出現(xiàn)胚胎致死的表型，tor突變體自噬體的數(shù)目高于野生型。此外，tor突變體提高了飽和光強(qiáng)下的CO2同化速率、坐果率、單株結(jié)果數(shù)和果實(shí)產(chǎn)量[107]，表明自噬過程在作物提高產(chǎn)量上起著不可或缺的作用。

自噬在轉(zhuǎn)錄水平上受到激素的調(diào)控，而植物激素的相互作用影響著植物發(fā)育的各個(gè)過程，從而影響產(chǎn)量性狀[108-109]。乙烯是一種催熟劑，其在水稻結(jié)實(shí)過程中所起的作用與籽粒終止灌漿及成熟有關(guān)，籽粒中乙烯的活性高峰一般出現(xiàn)在灌漿末期，在作物產(chǎn)量上發(fā)揮重要作用。乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)錄因子(Ethylene response factor 5, ERF5)通過與番茄SlATG8d和SlATG18h的啟動(dòng)子結(jié)合，進(jìn)而促進(jìn)自噬活性[110]。生長素含量與其灌漿過程密切相關(guān)，籽粒中生長素主要在水稻灌漿前期起作用，并在很大程度上決定著水稻的維管發(fā)育狀況、葉片光合能力及籽粒灌漿速率，與水稻產(chǎn)量形成關(guān)系密切。生長素可以通過促進(jìn)TOR活性來抑制細(xì)胞自噬[111]。自噬也有可能會(huì)通過降解植物激素通路的相關(guān)酶或蛋白反作用于影響植物激素信號(hào)通路，從而影響作物產(chǎn)量，具體的調(diào)控模式有待進(jìn)一步研究。

在多種植物中過表達(dá)ATGs均表現(xiàn)出有利于植株整體生長發(fā)育的表型。過表達(dá)OsATG8a、OsATG8c株系從分蘗期到成熟期的分蘗數(shù)均顯著多于對(duì)照組，植株的健壯性和旺盛性也均高于對(duì)照，單株產(chǎn)量也提高[105-106]。與對(duì)照相比，OsATG8b過表達(dá)植株穗粒數(shù)和單株產(chǎn)量增加，這些數(shù)據(jù)表明OsATG8b可能參與水稻的發(fā)育和影響產(chǎn)量。同時(shí)OsATG8b過表達(dá)收獲指數(shù)(Harvest index, HI)顯著高于對(duì)照，說明自噬在灌漿期起著重要作用[112]。GmATG8c過表達(dá)的轉(zhuǎn)基因大豆較受體大豆‘天隆一號(hào)’非轉(zhuǎn)基因?qū)φ盏臓I養(yǎng)生長長勢更加旺盛，其側(cè)枝生長速度明顯大于非轉(zhuǎn)基因?qū)φ眨?jí)分枝數(shù)也顯著高于對(duì)照。對(duì)轉(zhuǎn)基因大豆和非轉(zhuǎn)基因?qū)φ盏漠a(chǎn)量性狀分析結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)基因大豆的單株總莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量和百粒質(zhì)量等指標(biāo)均顯著高于非轉(zhuǎn)基因?qū)φ誟70,113]。AtATG5和AtATG7過表達(dá)的植株比各自的敲除突變體和野生型植株發(fā)育出更多、更高的花序，開花時(shí)間更長，每個(gè)植株產(chǎn)生更多的種子，產(chǎn)量增加[87]。綜上所述，自噬過程促進(jìn)作物生長發(fā)育、增加產(chǎn)量。不僅如此，異源表達(dá)ATG8也能提高作物產(chǎn)量。在擬南芥中異源表達(dá)水稻OsATG8a、OsATG8b基因，與對(duì)照組相比具有明顯的生長優(yōu)勢，蓮座葉大小和株高顯著增加，抽薹開花提前，轉(zhuǎn)基因擬南芥的總果莢數(shù)、千粒質(zhì)量和單株總種子質(zhì)量顯著增加[114-115]，異源過表達(dá)大豆GmATG8c可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因擬南芥的單株總莢數(shù)和產(chǎn)量，其產(chǎn)量較野生型最高提高了22.2%。未來分子育種可考慮通過過表達(dá)ATG8基因從而達(dá)到高產(chǎn)的目的。

3.6 自噬對(duì)作物品質(zhì)的影響

細(xì)胞自噬對(duì)作物品質(zhì)的影響在糧食作物水稻上的研究較多。堊白是指由于稻米胚乳中組織疏松而形成的白色不透明的部分，是衡量稻米外觀品質(zhì)的主要指標(biāo)之一[116]。野生型淀粉顆粒在整個(gè)胚乳中緊密堆積，形狀呈多邊形，邊緣尖銳，而水稻自噬突變體osatg8b植株的種子穎殼有棕色斑點(diǎn)，含有白堊質(zhì)胚乳，堊白率高于對(duì)照，籽粒存在許多松散堆積的小淀粉粒，種子品質(zhì)很差。相反，過表達(dá)OsATG8b籽粒胚乳淀粉粒較大且緊密[112]。水稻osatg7-1的籽粒也呈白色堊白外觀，中心區(qū)淀粉顆粒的形狀與野生型相似，排列緊密，而側(cè)面的淀粉顆粒排列松散，淀粉顆粒表面經(jīng)?？梢妿讉€(gè)小凹坑，籽粒內(nèi)源淀粉含量較低，可溶性糖含量較高，胚乳中淀粉降解的典型產(chǎn)物麥芽糖也在osatg7-1突變體的堊白顆粒中積累，表明osatg7-1胚乳中淀粉降解的異常激活[117]，表明自噬突變體淀粉顆粒呈白堊狀的主要原因是淀粉顆粒形態(tài)異常所造成的。

水稻α-淀粉酶至少有8 個(gè)成員，分為3個(gè)亞家族：Amy1、Amy2和Amy3，在儲(chǔ)備淀粉降解的第1步起作用。研究發(fā)現(xiàn)，AmyI-1(Amy1A)和AmyⅡ-4(Amy3D)在osatg7-1突變體的堊白顆粒中比在野生型表達(dá)更強(qiáng)烈。成熟階段osatg7-1籽粒α-淀粉酶活性也高于野生型。α-淀粉酶如Amy1A和Amy3D的異位過表達(dá)，即使在正常情況下也會(huì)導(dǎo)致白堊粒發(fā)生[118]。Amy1A和Amy3D主要定位于稻米外層，而α-葡萄糖苷酶和AmyII-3主要定位于稻米內(nèi)層，由于osatg7-1突變體胚乳側(cè)壁區(qū)淀粉粒形態(tài)異常，在水稻種子成熟過程中，胚乳側(cè)壁區(qū)α-淀粉酶的異常表達(dá)和激活可能發(fā)生在osatg7-1突變體上，說明自噬可能參與降解關(guān)鍵淀粉酶，從而調(diào)控淀粉和糖代謝，進(jìn)而調(diào)控水稻品質(zhì)[119]。

自噬除了影響稻米堊白外，過表達(dá)自噬相關(guān)基因ATG8b可顯著提高稻米的可溶性蛋白含量，提高稻米品質(zhì)[117]。稻米品質(zhì)與根系形態(tài)指標(biāo)呈顯著或極顯著正相關(guān)，水稻根系形態(tài)的生長發(fā)育狀況與根系的養(yǎng)分吸收率呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，較好的根系形態(tài)有利于提高稻米品質(zhì)[120]，但具體自噬如何通過影響根系或者其他與之相關(guān)信號(hào)通路進(jìn)而調(diào)控稻米品質(zhì)還需進(jìn)一步探究。

3.7 自噬在調(diào)控作物抗逆中的作用

植物生長在一個(gè)開放的系統(tǒng)中，會(huì)受到各種不利環(huán)境條件如高溫、干旱、鹽漬等的影響，進(jìn)而造成細(xì)胞器、細(xì)胞壁和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞，影響正常生理代謝。在這些過程中不斷有異常蛋白的產(chǎn)生，如果這些異常蛋白沒有及時(shí)被清理掉，那么它們累積到一定的水平會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害，最終影響植物的正常生長發(fā)育甚至導(dǎo)致死亡[121]。

模式植物擬南芥atg5、atg7突變體對(duì)高溫、干旱脅迫不耐受[122]。在番茄中，沉默ATG5、ATG7基因?qū)е轮仓陮?duì)高溫脅迫更加敏感[123]。過表達(dá)自噬基因通常可增強(qiáng)植物的抗性：番茄異源表達(dá)MdATG5能夠提高植株對(duì)高溫干旱脅迫的抗性[124]、過表達(dá)MdATG18a可提高蘋果植株在高溫脅迫下的抗氧化系統(tǒng)活性并減少高溫對(duì)光合系統(tǒng)的損傷，從而提高基礎(chǔ)耐熱性[125]。長期干旱脅迫下，過表達(dá)MdATG4a蘋果植株的長勢、氣孔開張度、光合作用、葉綠素含量和葉片相對(duì)含水量顯著優(yōu)于野生型[126]。辣椒Capsicum annuum自噬相關(guān)基因CaATG8c沉默或者過量表達(dá)都降低植物對(duì)熱脅迫和鹽脅迫的抗性，熱脅迫下基因沉默植株比對(duì)照植株有更高的丙二醛含量、更低的葉綠素含量，且對(duì)照植株葉片的SOD活性上升，而基因沉默植株的SOD活性下降，說明CaATG8c基因沉默使辣椒植株對(duì)熱脅迫下產(chǎn)生的活性氧的清除能力下降，從而導(dǎo)致其耐熱性降低[121]。植物自噬受體蛋白NBR1(Neighbor of BRCA1)在熱脅迫過程中有積累，并且可以調(diào)控植物對(duì)熱脅迫的記憶。在熱脅迫恢復(fù)過程中，ROF1(Rotamase FKBP1)和休克蛋白(Heat shock protein)HSP90.1結(jié)合，經(jīng)NBR1介導(dǎo)選擇性自噬降解，從而清除植物熱脅迫的記憶使其迅速恢復(fù)到正常生長狀態(tài)[127]。同時(shí)在熱脅迫下, 植物細(xì)胞中變形或者受損的蛋白所形成的泛素化蛋白聚集體(Ubiquitinated protein aggregates)也由NBR1介導(dǎo)的選擇性自噬清除[128]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通路蛋白UBAC2(Ubiquitin-associated domain-containing protein 2)在植物耐熱性中發(fā)揮重要作用，通過與ATI3(ATG8-interacting 3)互作，進(jìn)而選擇性自噬降解特異的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)組分，從而在熱脅迫中發(fā)揮作用[129]。在干旱脅迫中，泛素受體蛋白DSK2(Dominant suppressor of KAR 2)作為自噬受體介導(dǎo)油菜素內(nèi)酯(Brassinosteroid, BR)信號(hào)通路中關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子BES1(BRI1-EMS-suppressor 1)的選擇性降解[130]。苜蓿Medicago truncatula中，應(yīng)答干旱脅迫的正向調(diào)控因子脫水素蛋白MtCAS31(Cold acclimationspecific 31)參與自噬降解途徑[131]，擬南芥TSPO(Tryptophan-rich sensory protein)也可與自噬受體水通道蛋白AtPIP2;7相互作用，并促進(jìn)AtPIP2;7由質(zhì)膜向液泡運(yùn)輸，調(diào)節(jié)細(xì)胞透水性以適應(yīng)干旱脅迫[132]。高溫及干旱是全球性氣候變化的重要表征，不僅影響植物生長發(fā)育、種群分布，而且也是作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降的主要原因。自然界中的植物面對(duì)的通常是多種脅迫條件，比如高溫、干旱往往同步或相繼發(fā)生[133]。目前在研究自噬在逆境響應(yīng)中的作用時(shí), 一般局限于單一脅迫因子，因此今后可關(guān)注高溫和干旱復(fù)合脅迫、交叉脅迫下的自噬功能研究。

4 總結(jié)與展望

自噬途徑影響作物農(nóng)藝性狀形成的方方面面，包括提高作物氮的利用效率、延緩葉片衰老、促進(jìn)開花、調(diào)控生殖發(fā)育、提高作物抗逆性，最終協(xié)同調(diào)控作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。近年來，盡管作物自噬相關(guān)研究已取得一定進(jìn)展，如自噬形成機(jī)制、貨物受體(Cargo receptor)的證實(shí)以及選擇性自噬的鑒定，但是大部分選擇性自噬的靶標(biāo)蛋白尚不清楚。自噬通過降解哪些靶標(biāo)蛋白從而調(diào)控作物的生長發(fā)育仍是未來研究的重點(diǎn)。而基于這些靶標(biāo)蛋白的分子設(shè)計(jì)和改造，有望改變自噬的靶向降解進(jìn)而達(dá)到有利目的。例如，對(duì)正調(diào)控產(chǎn)量性狀的靶蛋白的AIM/UIM位點(diǎn)進(jìn)行編輯突變，促使其逃逸ATG8識(shí)別而介導(dǎo)自噬降解，從而延長(或增強(qiáng))該蛋白的調(diào)控作用，最終達(dá)到促進(jìn)產(chǎn)量提升的效應(yīng)。此外，細(xì)胞自噬的核心進(jìn)程在真核生物中具有高度保守性，但不同物種中自噬的功能和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)存在特異性。因此，即使許多ATGs在模式植物擬南芥中的生物學(xué)功能已被鑒定，但在作物生長發(fā)育過程中的具體功能還需要繼續(xù)破譯，方可開發(fā)其潛在的應(yīng)用潛力用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。綜上所述，針對(duì)以上問題的研究必將豐富和完善植物自噬的調(diào)控機(jī)理，并為農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)、產(chǎn)量和抗性、品質(zhì)和抗性的協(xié)同改良提供更多的理論依據(jù)和新的研究思路。