辣椒響應(yīng)熱脅迫機制的研究進(jìn)展

張蓓 任福森 趙洋 郭志偉 孫強 劉賀娟 甄俊琦 王童童 程相杰

（新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，新鄉(xiāng) 453000）

辣椒（Capsicumspp.）隸屬茄科（Solanaceae）辣椒屬（Capsicum），是世界第二大食用蔬菜，含有許多人類必需營養(yǎng)物質(zhì)，尤其是維生素C、β-胡蘿卜素和鈣。其中，維生素C含量可達(dá)125 mg/100 g鮮辣椒，在所有蔬菜中含量最高［1］。同時，辣椒是一種重要的調(diào)味品，還具有重要的藥用價值和工業(yè)用途［2］。我國是世界上辣椒種植面積最大的國家［3］，辣椒每年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益居蔬菜之首。隨著全球氣溫不斷升高，熱脅迫已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)重要的農(nóng)業(yè)問題。持續(xù)的高溫會引起細(xì)胞損傷，包括蛋白質(zhì)的錯誤折疊和聚集、細(xì)胞膜損傷、微管組織的破壞和活性氧（reactive oxygen species, ROS）的積累，最終導(dǎo)致植物的生長發(fā)育受阻［4-5］。眾所周知，辣椒在溫暖的地方生長良好，但對高溫敏感。近些年，辣椒設(shè)施栽培面積不斷增加，然而，夏季設(shè)施內(nèi)溫度高，當(dāng)環(huán)境溫度超過32℃［6］時，辣椒就會遭受熱脅迫，嚴(yán)重影響授粉和產(chǎn)量。

近些年，隨著生物技術(shù)和生物信息學(xué)的不斷發(fā)展，植物響應(yīng)熱脅迫機制的研究有了很大的進(jìn)展。目前，雖然辣椒在響應(yīng)熱脅迫方面的研究與擬南芥等模式植物相比還有很大差距，但一些相對前沿的生物技術(shù)已經(jīng)被用于辣椒應(yīng)答熱脅迫機制的研究中。如Wang等［7］基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)對辣椒在熱脅迫條件下的反應(yīng)進(jìn)行聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)，谷胱甘肽代謝途徑在辣椒對HS的反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。本文從生理生化機制、分子機制、組學(xué)機制的角度闡述了辣椒響應(yīng)熱脅迫機制的研究現(xiàn)狀，旨在推動解析辣椒的耐熱機制和耐熱品種選育進(jìn)程。

1 響應(yīng)熱脅迫的生理生化機制

1.1 植物激素對熱脅迫的響應(yīng)

植物激素與熱脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)［8-9］。外源噴施適宜濃度的水楊酸（SA）可以通過激活抗氧化防御系統(tǒng)、協(xié)調(diào)滲透調(diào)節(jié)和保持光合作用效率，來有效提高觀賞辣椒種子和幼苗的耐熱性，并顯著改善熱脅迫效應(yīng)［10］。噴施SA和2,4-表油菜素內(nèi)酯（2,4-epibrassinolide, EBR）溶液可以通過提高生長參數(shù)、光合效率、膜熱穩(wěn)定性、花粉活力和高溫下的坐果率來緩解熱脅迫，提高甜椒對高溫的耐受性［11］。高溫下，生長素（indoleacetic acid, IAA）處理能減少脂質(zhì)過氧化、降低花梗中的纖維素酶活性，從而增加辣椒植株的花粉活力和坐果率，減輕植株受熱害的程度［12］。MeJA參與關(guān)鍵的植物發(fā)育過程，并與賦予園藝植物耐熱性有關(guān)［13］。有研究表明，MeJA對辣椒熱脅迫的改善作用明顯受到品種的影響［14］。熱脅迫條件下，向葉面噴施適宜濃度的6-BA，能夠提高抗氧化酶的活性并有利于光能的捕獲與轉(zhuǎn)換，從而有效緩解熱脅迫傷害，維持甜椒幼苗的正常生長［15］?？梢?，植物激素主要通過激活抗氧化防御系統(tǒng)、保持光合作用效率以及穩(wěn)定滲透調(diào)節(jié)來改善辣椒熱激效應(yīng)。然而，目前用植物激素緩解辣椒熱脅迫的研究僅停留在生理應(yīng)答方面，并沒有發(fā)現(xiàn)基因?qū)χ参锛に貞?yīng)答的報道，因此，后續(xù)可以進(jìn)一步研究某個基因?qū)χ参锛に氐膽?yīng)答機理。

1.2 抗氧化系統(tǒng)對熱脅迫的響應(yīng)

常溫條件下，植物體內(nèi)ROS的產(chǎn)生和清除處于動態(tài)平衡。植物遭遇熱脅迫后，會造成細(xì)胞內(nèi)ROS和超氧化物自由基的積累，引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)氧化損傷。熱脅迫下，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、過氧化物酶（peroxidase, POD）和過氧化氫酶（catalase, CAT）的活性會改變以降低膜脂過度氧化程度，從而減輕高溫的傷害［5,16］。為了抵御熱脅迫，與熱敏型辣椒相比，耐熱型積累了更多的蛋白質(zhì)和脯氨酸，表現(xiàn)出更高的SOD和POD等抗氧化酶活性［17-18］。酶類和非酶類抗氧化物質(zhì)的積累有助于緩解熱脅迫導(dǎo)致的過氧化損傷，耐熱辣椒材料17CL30 中抗氧化物質(zhì)的含量明顯高于熱敏材料05S180［19］。熱脅迫對辣椒的酶保護(hù)系統(tǒng)、滲透系統(tǒng)、細(xì)胞膜系統(tǒng)等均有不同程度的損傷，可見，清除熱脅迫下辣椒體內(nèi)過量的ROS涉及一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，其機制有待進(jìn)一步研究。

1.3 生物膜系統(tǒng)對熱脅迫的響應(yīng)

高溫可以通過涉及脂質(zhì)組成變化和脂質(zhì)與特定膜蛋白之間相互作用的整體效應(yīng)，直接有效地改變細(xì)胞膜的流動性和滲透性。丙二醛（malondialdehyde, MDA）的積累對細(xì)胞具有毒害作用，常用其含量來衡量植物細(xì)胞膜脂過氧化作用［20-21］。遭遇熱脅迫后辣椒耐熱品系和熱敏品系細(xì)胞內(nèi)MDA的含量也都增加，但其含量與辣椒植株的耐熱性呈負(fù)相關(guān)，常被作為篩選耐熱性植物的重要指標(biāo)［18,22］。可見，與其他植物一樣，隨著辣椒遭受熱脅迫時間的延長，細(xì)胞膜系統(tǒng)被破壞，進(jìn)而細(xì)胞膜通透性增加，膜脂過度氧化，MAD含量升高。

1.4 其他物質(zhì)和代謝產(chǎn)物對熱脅迫的響應(yīng)

可溶性糖、脯氨酸（Pro）、鈣離子、可溶性蛋白、可溶性酚類等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以通過調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢，使植物細(xì)胞維持一定的膨壓，從而抵抗高溫的影響［23-24］。在正常條件下，植物體內(nèi)Pro的含量很低，熱脅迫后其含量大幅度增加以提高植物的耐熱性，且辣椒耐熱品系Pro增幅大于熱敏品系，抵抗熱脅迫的能力更強［18,25］。高溫下穩(wěn)定的光合速率和較高的Pro含量可以使耐熱辣椒植株更快地從熱害中恢復(fù)，從而獲得穩(wěn)定的坐果率和坐果數(shù)，繼而獲得高產(chǎn)［26］。對辣椒的研究表明，外源Ca2+處理可以使幼苗葉片ROS清除酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量得到提高，并減輕熱脅迫對細(xì)胞膜的傷害和對葉片中谷胱甘肽（glutathione, GSH）和抗壞血酸（ascorbic acid, ASA）的破壞［27-28］。除上述滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)外，1-甲基環(huán)丙烯［29］、硒［30］、沼液肥［31］等也能減輕高溫對辣椒的傷害。另外，檸檬酸作為三羧酸循環(huán)的關(guān)鍵，是許多相互關(guān)聯(lián)的代謝網(wǎng)絡(luò)的核心，其與辣椒耐熱性的關(guān)系尚不明確，需要進(jìn)一步研究。

2 響應(yīng)熱脅迫的分子機制

2.1 熱脅迫轉(zhuǎn)錄因子

2.1.1 熱激轉(zhuǎn)錄因子 熱激轉(zhuǎn)錄因子（heat shock factors, HSFs）作為轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的重要調(diào)控因子，通過調(diào)控?zé)峒さ鞍祝╤eat shock proteins, HSPs）等脅迫響應(yīng)基因的表達(dá)，在植物響應(yīng)多種非生物脅迫中發(fā)揮重要作用［32］。從辣椒CM334基因組中共鑒定25個辣椒CaHSF基因，在耐熱品系R9葉片中，22個基因表達(dá)上調(diào)，2個基因表達(dá)下調(diào)，1個基因沒有明顯變化；而在熱敏品系B6葉片中，只有13個基因表達(dá)上調(diào)，10個基因表達(dá)穩(wěn)定。CaHSFA2受熱脅迫誘導(dǎo)，能增強轉(zhuǎn)基因植株的基礎(chǔ)耐熱性和獲得耐熱性，其中，N-端片段（CaHSFA2△N）也能增強轉(zhuǎn)基因植株耐熱性，但弱于CaHSFA2。此外，CaHSFA2與CaHSP70-2和CaHSP24.2之間存在相互調(diào)節(jié)關(guān)系［6,33-34］。CaHSFA1d是辣椒耐熱性的正調(diào)節(jié)因子，且在耐熱辣椒品系R9中的表達(dá)比在熱敏感辣椒品系B6中更敏感。CaHSFA1d維持了熱脅迫下H2O2的動態(tài)平衡，提高了轉(zhuǎn)基因株系中HSFs、HSPs和抗氧化基因AtGSTU5的表達(dá)。這表明CaHSFA1d通過調(diào)節(jié)脅迫和抗氧化相關(guān)基因的表達(dá)來提高植物的耐熱性［35］。CaHSFB2a通過CaWRKY6和CaWRKY40參與的轉(zhuǎn)錄級聯(lián)和正反饋環(huán)路正調(diào)控植物對RSI的免疫和對高溫高濕（HTHH）的耐受［36］。CaHSFA5沉默植株對熱脅迫更加敏感，且CaHSFA5的沉默阻斷了HTS對CaHSP24和CaHSP70表達(dá)的誘導(dǎo)；HTS顯著增強了CaNAC2c與CaHSFA5啟動子片段的結(jié)合，當(dāng)CaNAC2c在HTS攻擊的辣椒植株中沉默時，CaHSFA5表達(dá)水平降低，并能被CaNAC2c的瞬時過表達(dá)上調(diào)。表明CaHSFA5在耐熱性中發(fā)揮正調(diào)控作用，并且CaHSFA5在熱脅迫時由CaNAC2c直接和正向調(diào)控［37］?？梢?，與擬南芥、水稻、番茄等植物相比，目前辣椒HSFs的研究還很薄弱，尤其是B類HSFs，并且有研究報道B類HSFs具有共激活和抑制兩種功能，在不同植物中的表達(dá)特性不同，因此，要弄清辣椒HSFs應(yīng)答熱脅迫的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)需進(jìn)一步深入研究。

2.1.2 其他類轉(zhuǎn)錄因子 除熱激轉(zhuǎn)錄因子外，植物體內(nèi)還有一些轉(zhuǎn)錄因子家族也部分參與熱脅迫應(yīng)答，如WRKY轉(zhuǎn)錄因子、NAC轉(zhuǎn)錄因子和堿性亮氨酸拉鏈bZIP（basic leucine zipper）等，這些轉(zhuǎn)錄因子的異位表達(dá)或抑制可能激活多種耐熱機制［38］。

WRKY基因家族是高等植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，通過調(diào)節(jié)植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，在植物響應(yīng)各種脅迫中具有重要的生物學(xué)功能和作用機制。有研究表明，CaWRKY17、CaWRKY6和CaWRKY40都是RSI抗性和HTHH耐受性的正調(diào)控因子，但其調(diào)控方式不同。CaWRKY40的表達(dá)受SA、JA和ET調(diào)控，進(jìn)而調(diào)控下游防御和耐熱性相關(guān)基因的表達(dá)，參與青枯菌侵染和高溫響應(yīng)調(diào)控途徑。CaWRKY6調(diào)控RSI抗性和HTHH耐受性，部分是通過激活CaWRKY40來實現(xiàn)的，而CaWRKY17與CaWRKY40在細(xì)胞核互作并在辣椒HTHH耐受性以及RSI抗性中起協(xié)同作用［39-41］。CaWRKY27過表達(dá)降低了煙草和擬南芥的基礎(chǔ)耐熱性，同時伴隨著多個耐熱性相關(guān)基因的表達(dá)降低。沉默CaWRKY27提高了辣椒植株的基礎(chǔ)耐熱性，降低了辣椒葉片中H2O2的積累。熱脅迫條件下，CaWRKY27沉默的辣椒植株中編碼ROS清除酶的多個基因，如CaCAT1、CaAPX1、CaAPX2、CaCSD2和CaSOD1的表達(dá)量顯著升高。因此，辣椒CaWRKY27通過H2O2信號負(fù)調(diào)控基礎(chǔ)耐熱性［42］。CaWRKY27b被CaCDPK29磷酸化，并在辣椒響應(yīng)RSI和HTHH的過程中充當(dāng)CaWRKY40的轉(zhuǎn)錄激活因子［43］。CaWRKY20正調(diào)控RSI抗性和高溫耐受性，瞬時過表達(dá)CaWRKY20能夠顯著引起細(xì)胞死亡和H2O2的積累，并誘導(dǎo)免疫相關(guān)標(biāo)記基因CaNPR1、CaDEF1和CaACO及耐熱性相關(guān)標(biāo)記基因CaHSFA2和CaHSP24的表達(dá)上調(diào)［44］。此外，RT-qPCR表明CaWRKY8［45］和CaWRKY14［46］在熱脅迫下表達(dá)量均有所改變，表明其可能參與了辣椒對熱脅迫的耐受性調(diào)節(jié)過程。

NAM、ATAF和CUC組成NAC轉(zhuǎn)錄因子，是植物特有的基因家族，參與調(diào)控組織發(fā)育以響應(yīng)生物和非生物脅迫。在辣椒中共鑒定出104個CaNAC基因，RT-PCR分析22個CaNAC基因響應(yīng)高溫的表達(dá)模式，其中，CaNAC13、CaNAC20、CaNAC29和CaNAC53的表達(dá)量顯著上調(diào)，CaNAC27、CaNAC35、CaNAC37、CaNAC61、CaNAC72和CaNAC102的表達(dá)量也上調(diào)［47］。據(jù)報道，CaNAC2c在耐熱性和抗青枯菌的免疫力方面起積極作用，辣椒生長和防御反應(yīng)之間的權(quán)衡由CaNAC2c轉(zhuǎn)錄和CaNAC2c蛋白通過與CaHSP70相互作用決定，而耐熱性-免疫權(quán)衡則分別由CaHSP70和CaNAC029與CaNAC2c互作依賴的方式調(diào)節(jié)［37］。另外，CaNAC55的表達(dá)受熱激的強烈誘導(dǎo)［48］，而CaNAC083在熱脅迫中可能起負(fù)調(diào)控作用［49］。

在非生物脅迫下，bZIP轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)控抗逆相關(guān)基因、調(diào)節(jié)滲透壓和清除活性氧等方式增強植物的抗脅迫能力。有研究發(fā)現(xiàn)，CabZIP53和CabZIP63正調(diào)控植物對RSI的免疫和對HTHH的耐受。CabZIP53受CaWRKY40直接調(diào)控，受CaWRKY6間接調(diào)控，而CabZIP63直接或間接地在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)節(jié)CaWRKY40的表達(dá)。此外，CabZIP53和CabZIP63均可在辣椒響應(yīng)RSI或HTHH過程中與CaWRKY40形成正反饋回路［50-51］。

同時，CaZNF830通過直接或間接轉(zhuǎn)錄調(diào)控防御相關(guān)基因（CaHIR1、CaNPR1、CaPR1、CaABR1和CaHSP24），激活辣椒對RSI的免疫或?qū)THH的耐受［52］，而CaBES1通過負(fù)調(diào)控CaHSFA2表達(dá)而降低辣椒的耐熱性［53］。此外，辣椒bHLH［54］、LBD［55］和Dof［56］轉(zhuǎn)錄因子也能響應(yīng)熱脅迫，但其作用機制還有待進(jìn)一步研究。目前辣椒熱脅迫轉(zhuǎn)錄因子的研究還集中在表達(dá)量水平，然而，各轉(zhuǎn)錄因子之間存在較為復(fù)雜的聯(lián)系，為理清辣椒熱脅迫轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，今后還需利用新技術(shù)挖掘更多的轉(zhuǎn)錄因子，如MYB類、DREB類、MBF1c類等。

2.2 熱激蛋白

熱激蛋白HSPs作為分子伴侶參與維持蛋白質(zhì)折疊的穩(wěn)態(tài)，防止或修復(fù)HS引起的蛋白質(zhì)錯誤折疊和降解，進(jìn)而賦予植物耐熱性［57］。HSPs根據(jù)分子量和序列同源性可分為HSP100s、HSP90s、HSP70s、HSP60s和sHSPs（HSP40s、HSP20s、HSP10s）。從辣椒基因組中鑒定和分析了35個CaHSP20基因，并比較了HS處理下熱敏系B6和耐熱系R9葉片中各CaHSP20的轉(zhuǎn)錄模式。幾乎所有的CaHSP20基因都是由HS處理誘導(dǎo)的，符合B6和R9，表明CaHSP20的積累通過結(jié)合變性蛋白并防止它們不可逆聚集，來有效減少HS的損害并增強辣椒的耐熱性［58］。CaHSP16.4和CaHSP25.9通過減少活性氧的積累，增強抗氧化酶的活性，調(diào)節(jié)脅迫相關(guān)基因的表達(dá)，賦予植物耐熱和耐旱性［59-60］。CaHSP22.0沉默和過表達(dá)均提高了植株對熱和鹽脅迫的敏感性。然而，CaHSP22.0沉默的可能機制為質(zhì)膜的損傷，而過表達(dá)的調(diào)控模式可能與CaHSP22.0與其底物結(jié)合水平不當(dāng)導(dǎo)致的ROS破壞有關(guān)［61］。從辣椒基因組數(shù)據(jù)庫中鑒定到21個CaHSP70基因，啟動子和轉(zhuǎn)錄本表達(dá)分析表明CaHSP70s參與辣椒生長發(fā)育和熱脅迫響應(yīng)。HS可能通過Ca2+參與的調(diào)控途徑誘導(dǎo)了許多CaHSP70基因。此外，胞質(zhì)基因CaHSP70-2（正調(diào)節(jié)因子）的異位表達(dá)調(diào)控了脅迫相關(guān)基因的表達(dá)，提高了轉(zhuǎn)基因擬南芥植株的耐熱性［62］。同時，CaHSP70-1可能通過含有Ca2+、H2O2和Put的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑參與HS防御反應(yīng)［63］。CaBiP1可能通過減少ROS積累，提高保水能力，增強UPR途徑和脅迫相關(guān)基因的表達(dá)，從而提高辣椒對非生物脅迫（包括熱、鹽、滲透和干旱）的耐受性［64］。有研究者鑒定了辣椒基因組中的16個HSP60基因，分析它們在熱敏B6和耐熱R9系中響應(yīng)HS的動態(tài)表達(dá)譜發(fā)現(xiàn)，在R9系中，有15個基因表達(dá)上調(diào)，只有1個基因下調(diào)，在B6系中，有14個基因上調(diào)，2個基因下調(diào)，表明HSP60s可能在熱脅迫方面發(fā)揮積極的調(diào)節(jié)作用。此外，CaHSP60-6的敲除增加了對熱脅迫的敏感性，表明CaHSP60-6在防御辣椒免受熱脅迫方面起正調(diào)節(jié)作用［65］。據(jù)報道，辣椒基因組中含有7個CaHSP90家族基因，所有HSP90都響應(yīng)熱脅迫，且大部分在脅迫初期就積極響應(yīng)。分析發(fā)現(xiàn)，7個CaHSP90在熱脅迫下有兩種表達(dá)模式，一種為先上調(diào)后下調(diào)再上調(diào)；另一種為先下調(diào)后上調(diào)，這可能與響應(yīng)脅迫過程中的分工相關(guān)［66］。每類植物熱激蛋白有其特定的功能，但彼此之間又有密切合作，目前辣椒上涉及各類熱激蛋白之間相互作用關(guān)系的研究較少，因此還沒有形成不同的HSPs調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

2.3 其他重要蛋白基因

蛋白激酶和蛋白酶是植物信號傳導(dǎo)的關(guān)鍵參與者，在細(xì)胞感知環(huán)境刺激后，將細(xì)胞外信號轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)，通過介導(dǎo)各種細(xì)胞信號網(wǎng)絡(luò)途徑來調(diào)節(jié)相關(guān)的基因表達(dá)、植物激素的產(chǎn)生和蛋白質(zhì)功能，從而激活植物在逆境中的抗性［67-68］。辣椒基因組中存在31個CDPK基因和5個CDPK相關(guān)蛋白激酶（CRK）基因，脅迫表達(dá)譜（熱、鹽和青枯菌）顯示，13個CDPK基因和2個CRK基因在響應(yīng)高溫過程中表達(dá)譜發(fā)生了改變，表明辣椒對高溫的響應(yīng)可能包括由不同CDPK基因和CRK基因介導(dǎo)的多個過程的重編程［69］。CaDPK17和CaCDPK29分別是抗青枯病的負(fù)調(diào)節(jié)基因和正調(diào)節(jié)基因，但在抗HTHH過程中均起正調(diào)節(jié)作用。此外，CaCDPK17和CaCDPK29可分別與CaWRKY17在細(xì)胞膜互作并調(diào)節(jié)CaWRKY17介導(dǎo)的辣椒HTHH耐受性及青枯病抗性，其中，與CaDPK17互作，減弱了CaWRKY17抵御青枯病的能力，增強了耐HTHH的能力，而與CaDPK29互作，CaWRKY17在辣椒抵御青枯病以及耐HTHH的能力均得到了提高［70］。CaFtsH06是一種新型絲狀熱敏蛋白酶基因，通過減少活性氧的積累、誘導(dǎo)脅迫相關(guān)酶的活性和調(diào)節(jié)防御相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄等機制干擾辣椒的生理指標(biāo)，從而提高辣椒的非生物脅迫（熱、鹽、干旱）耐受性［71］。編碼HAESA-LIKE（HSL）類受體蛋白激酶（RLK）的CaHSL1在辣椒響應(yīng)HTHH過程中受HTHH或脫落酸誘導(dǎo)且表達(dá)顯著上調(diào)。CaHSL1沉默顯著降低了對HTHH的耐受性并下調(diào)相關(guān)基因CaHSP24的轉(zhuǎn)錄水平，而瞬時過表達(dá)CaHSL1提高了CaHSP24的轉(zhuǎn)錄豐度，增強了對HTHH的耐受性。CaHSL1在轉(zhuǎn)錄水平上受CaWRKY40直接調(diào)控，在辣椒響應(yīng)HTHH過程中發(fā)揮正調(diào)控作用［72］。辣椒中與細(xì)胞壁相關(guān)的RLK-like（WAKL）基因CaWAKL20的轉(zhuǎn)錄水平受熱脅迫下調(diào)，而受ABA處理上調(diào)。CaWAKL20沉默增強了辣椒的耐熱性，而過表達(dá)降低了擬南芥株系對熱脅迫的耐受性和對ABA的敏感性，同時降低了ABA響應(yīng)基因的熱誘導(dǎo)表達(dá)。因此，CaWAKL20通過抑制ABA響應(yīng)基因的表達(dá)負(fù)調(diào)控植物的耐熱性［73］。

非生物脅迫通過誘導(dǎo)蛋白質(zhì)變性負(fù)向影響植物的生長發(fā)育，而自噬會降解受損的蛋白質(zhì)以緩解其毒性。從辣椒全基因組中鑒定到15個核心ATG成員，包含29個具有ATG結(jié)構(gòu)域的蛋白，涉及自噬的所有過程。熱脅迫后，8個基因顯著上調(diào)，1個基因下調(diào)。冷脅迫下，14個基因上調(diào)，4個基因略有下調(diào)。在熱脅迫條件下，耐熱品系R9中上調(diào)表達(dá)的CaATG基因的數(shù)量和點狀區(qū)域的增量明顯高于熱敏感品系B6，表明細(xì)胞自噬與辣椒耐熱性有關(guān)［74］。CaATG16對辣椒的耐熱性具有正調(diào)控作用［75］，而CaATG8c基因的沉默和過表達(dá)均降低了植株對熱和鹽脅迫的耐受性［76］。幾丁質(zhì)結(jié)合蛋白（chitin-binding proteins,CBP）是發(fā)病機制相關(guān)基因家族，在植物的防御反應(yīng)和生長發(fā)育中起關(guān)鍵作用。從辣椒基因組數(shù)據(jù)庫中檢索到16個假定的幾丁質(zhì)基因（CaChi），HS處理下，14個基因上調(diào)，2個基因下調(diào)。CaChiVI2在辣椒耐熱和干旱脅迫中起著重要的作用，并通過減少活性氧（ROS）的積累和調(diào)節(jié)防御相關(guān)基因的表達(dá)來抵抗辣椒疫霉［77-78］。除此之外，CaMLO6［79］、CaSWC4［80］、CaSYT5［81］和CaZhp2［82］在辣椒對HTHH的反應(yīng)中也均起正調(diào)節(jié)作用。這些高溫響應(yīng)基因的發(fā)現(xiàn)，為揭示辣椒響應(yīng)熱脅迫的分子機制提供了切入點。

3 響應(yīng)熱脅迫的組學(xué)機制

得益于生物信息學(xué)的長足發(fā)展，組學(xué)分析已經(jīng)成為解析植物在環(huán)境脅迫下復(fù)雜響應(yīng)機制的重要研究途徑［83］。目前，已有研究者從轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)或代謝組學(xué)水平挖掘出新的辣椒高溫響應(yīng)基因、蛋白質(zhì)及關(guān)鍵代謝物，以深入了解辣椒適應(yīng)熱脅迫的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為培育優(yōu)質(zhì)耐熱辣椒材料奠定基礎(chǔ)。

3.1 轉(zhuǎn)錄組

通過轉(zhuǎn)錄組分析揭示了熱脅迫下熱敏感型辣椒‘S590’和耐熱型辣椒‘R597’的轉(zhuǎn)錄差異，GO和KEGG富集分析確定鑒定的DEGs涉及熱激蛋白、熱激轉(zhuǎn)錄因子、激素以及鈣和激酶信號。此外，發(fā)現(xiàn)35個參與脅迫響應(yīng)的基因，大部分熱激蛋白在2個基因型中均上調(diào)表達(dá)，且在‘S590’中的表達(dá)量高于‘R597’；轉(zhuǎn)錄因子和激素信號基因在‘R597’中的表達(dá)量高于‘S590’［84］?；赗NA-seq分析了耐熱品種‘17CL30’和熱敏感品種‘05S180’在苗期響應(yīng)熱脅迫的轉(zhuǎn)錄組應(yīng)答，HS下，有2 455個基因僅在‘17CL30’中特異表達(dá)，這些基因和某些共有基因的差異表達(dá)可能與‘17CL30’更耐熱相關(guān)。對DEGs進(jìn)行GO和KEGG分析表明，與‘05S180’相比，‘17CL30’具有更強的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、糖代謝、ROS清除能力，因而具有更強的耐熱性［7］。對熱激和常溫下辣椒（C.annuum（Line, 6421））的葉和根進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析，在根中鑒定到的DEGs多于葉中，6個CaHSFs（CaHSF3/8/10/24在葉中；CaHSF11/18在葉和根中）的表達(dá)受熱誘導(dǎo)。此外，分析了5個響應(yīng)熱脅迫的HSFs在‘17CL30’和‘05S180’中的作用，其既能被熱激活（CaHSF4/9/22），也能被熱抑制（CaHSF3/11），CaHSF3/11的調(diào)控差異與品種的遺傳背景差異有關(guān)［85］。中國辣椒和柔毛辣椒比較轉(zhuǎn)錄組分析表明，HSF中有部分基因在兩個品種中的表達(dá)不同，這可能與中國辣椒和柔毛辣椒的耐溫性差異相關(guān)。差異表達(dá)基因的KEGG富集分析表明，熱脅迫下，玉米素生物合成、苯丙素生物合成、脂肪酸延長作用和植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等通路被顯著富集［86］。這些研究為解析辣椒耐熱性分子機制提供了基因資源。

3.2 代謝組

基于LC-MS/MS分析了耐熱品種‘17CL30’和熱敏感品種‘05S180’在苗期響應(yīng)熱脅迫的代謝組應(yīng)答，‘17CL30’中有94種DAMs（42種上調(diào)、52種下調(diào)）；‘05S180’中有108種DAMs（57種上調(diào)、51種下調(diào)）。分析DAMs的組成可知，可溶性糖、氨基酸、氨基酸衍生物、黃酮類物質(zhì)和有機酸類物質(zhì)與辣椒的耐熱性密切相關(guān)。其中，氨基酸類衍生物GSH可能在辣椒的熱脅迫響應(yīng)過程中起關(guān)鍵作用［7］。熱脅迫下，對中國辣椒和柔毛辣椒中的植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路分析表明，柔毛辣椒中的茉莉酸上調(diào)表達(dá)，且僅與JAZ相關(guān)的DEGs有顯著性差異表達(dá)，其中，中國辣椒中的JAZ略有下調(diào)但無顯著性差異，而柔毛辣椒以上調(diào)表達(dá)為主，且部分基因存在顯著性差異，顯示了其對高溫更加強烈的響應(yīng)［86］。

3.3 蛋白質(zhì)組

采用iTRAQ定量蛋白質(zhì)組學(xué)分析方法，通過分析熱脅迫下‘17CL30’和‘05S180’幼苗可能的熱響應(yīng)蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)，1 591種蛋白質(zhì)參與了熱應(yīng)激反應(yīng)過程。與‘05S180’相比，‘17CL30’的耐熱性可能與更高的ROS清除、光合作用、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、碳水化合物代謝和應(yīng)激防御有關(guān)［87］。對HS處理的辣椒果實進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組的整合分析發(fā)現(xiàn)，HS改變了光合作用、刺激響應(yīng)、碳水化合物代謝過程和蛋白質(zhì)折疊過程相關(guān)基因的表達(dá)和蛋白質(zhì)的豐度。HS顯著降低了屬于脂肪酸的代謝物含量，而誘導(dǎo)了屬于有機含氧化合物和有機酸的代謝物。尤其是HS降低了辣椒素和AsA的含量。此外，發(fā)現(xiàn)了3個轉(zhuǎn)錄因子在熱激條件下調(diào)控CBGs的表達(dá)［88］。

4 問題與展望

全球氣候變暖導(dǎo)致極端高溫事件頻發(fā)，熱脅迫已經(jīng)成為影響糧食安全的重要問題，是限制植物生長和產(chǎn)量形成的主要非生物脅迫之一。近年來，在擬南芥、水稻和番茄等模式植物中，植物響應(yīng)熱脅迫的分子機制研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，然而，有關(guān)辣椒響應(yīng)熱脅迫的分子機制研究仍需進(jìn)一步努力。第一，熱脅迫下多組學(xué)聯(lián)合分析方面的研究較少。雖然目前已有熱脅迫下辣椒組學(xué)方面的研究報道，但大部分都是單一組學(xué)或兩兩聯(lián)合組學(xué)的研究，不能系統(tǒng)闡明辣椒應(yīng)答熱脅迫的分子機理。轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)整合了基因表達(dá)的分子見解，將遺傳信號翻譯成具有特定功能的蛋白質(zhì)，控制著細(xì)胞內(nèi)不同初級和次級代謝產(chǎn)物的合成。因此，多組學(xué)聯(lián)合分析能夠?qū)牟煌瑢用嫔汐@取的信息聯(lián)系起來，從而全面解析辣椒響應(yīng)熱脅迫的復(fù)雜機制。第二，辣椒響應(yīng)熱脅迫的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)尚不完整，還不能用來指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。雖然目前已經(jīng)用反向遺傳學(xué)方法或者用轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法鑒定出一些響應(yīng)熱脅迫的基因，但由于辣椒的遺傳體系尚未完全建立，部分基因的功能還沒有得到確切的驗證，加上當(dāng)前大部分研究只局限于零散的單個基因在熱脅迫響應(yīng)方面的功能研究，因此，當(dāng)前無法整合出辣椒完整的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

得益于現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的長足發(fā)展，未來可將現(xiàn)代生物技術(shù)與產(chǎn)業(yè)實際相結(jié)合，在以下幾個方面開展進(jìn)一步的研究。第一，傳統(tǒng)育種耗時久，育種效率低，應(yīng)該加快開發(fā)與辣椒耐熱性緊密連鎖的分子標(biāo)記，通過分子標(biāo)記輔助選擇，提高辣椒育種效率。第二，目前市場上優(yōu)良的辣椒耐熱品種較少，下一步應(yīng)利用前沿生物技術(shù)，對辣椒耐熱性進(jìn)行基因改良，創(chuàng)制性狀優(yōu)良的辣椒耐熱新品種。第三，辣椒對熱脅迫的響應(yīng)是一個多基因控制的復(fù)雜的反應(yīng)機制，接下來應(yīng)該利用新技術(shù)挖掘更多響應(yīng)辣椒熱脅迫的基因，探索出完整的辣椒熱脅迫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。目前對辣椒響應(yīng)熱脅迫機制的研究主要集中在通過熱激蛋白、活性氧清除以及未折疊蛋白清除參與的植物耐熱調(diào)控途徑方面，隨著研究的不斷深入，今后可以考慮將G蛋白調(diào)控、鈣信號傳導(dǎo)及解碼、蠟質(zhì)代謝通路聯(lián)系起來，闡明一條從上游信號產(chǎn)生到下游生理生化響應(yīng)的調(diào)控通路。第四，對于不同的生育期，辣椒響應(yīng)熱脅迫的程度和機理也可能不同，目前對辣椒耐熱性的研究大部分都集中在苗期，對成株期和果實成熟期的研究較少，下一步應(yīng)加強這方面的研究。