植物耐受高溫脅迫的分子機(jī)制研究進(jìn)展

江珊，吳龍英，趙寶生，黃佳惠，蔣宇喆，焦元，黃進(jìn)

（成都理工大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，成都 610000）

0 引言

隨著人類活動的加劇，溫室氣體的排放量顯著增加，導(dǎo)致全球地表氣溫不斷上升。研究數(shù)據(jù)顯示，2011至2020 年，全球地表平均溫度比1850 至1900 年期間升高了1.09℃（范圍在0.95～1.2℃之間），相較于2003至2012 年，則上升了約0.1℃（范圍在0.16～0.22 之間）。據(jù)估計(jì)，未來20 年全球溫度的上升幅度將達(dá)到或超過1.5℃[1]。持續(xù)高溫對植物的正常生理活動產(chǎn)生了顯著的影響，不僅影響到植物的生長、發(fā)育，甚至可能威脅到它們的生存。以光合作用為例，該過程在高溫條件受到明顯的抑制，植物為了適應(yīng)高溫，其蒸騰作用和呼吸被迫增強(qiáng)。但如果植物長期處于這種不利環(huán)境，當(dāng)呼吸作用導(dǎo)致的能量消耗量超過了光合作用能量的積累，植物的生長明顯受阻，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅到植物的生存[2]。高溫條件下植物光合效率的下降主要是是由于植物葉片中的葉綠素含量的減少及包括酶在內(nèi)蛋白質(zhì)分解速度的加快[3]。而蛋白質(zhì)的加速分解，不僅會造成相關(guān)酶活性的不足，蛋白質(zhì)分解所產(chǎn)生的過量的氨也可造成對細(xì)胞的毒害，進(jìn)而進(jìn)一步損害植物的正常生理和生化活動。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，高溫脅迫對作物的產(chǎn)量以及品質(zhì)的影響尤為顯著。以水稻為例，高溫脅迫已被證實(shí)可導(dǎo)致稻米產(chǎn)量的顯著下降。研究表明，在水稻的孕穗期的高溫脅迫可導(dǎo)致水稻的結(jié)實(shí)率下降15%左右[4]。在水稻開花期，特別是開花當(dāng)天的高溫天氣可明顯影響植物受精，導(dǎo)致花粉敗育[5]。此外，如水稻在灌漿期遭受高溫脅迫，其光合速率和同化產(chǎn)物積累也會受到嚴(yán)重影響，由于秕谷粒增多和粒重下降，進(jìn)而導(dǎo)致水稻減產(chǎn)嚴(yán)重[6]。從品質(zhì)角度來看，高溫環(huán)境還可能導(dǎo)致水稻堊白粒率上升和堊白面積增大，并改變支鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)，致使稻米品質(zhì)顯著下降[7]。因此，探索植物應(yīng)對高溫脅迫的機(jī)制，對指導(dǎo)農(nóng)作物品種的選育及建立科學(xué)的田間管理制度均具有重要的意義。

1 高溫脅迫對植物的影響

由于植物無法像動物一樣通過遷移來應(yīng)對環(huán)境脅迫，其代謝以及生長發(fā)育等生理生化過程極易對周邊環(huán)境的影響極其敏感。根據(jù)脅迫來源，可將脅迫劃分為生物脅迫和非生物脅迫。高溫脅迫是指由于環(huán)境溫度高于植物生長的適宜溫度范圍，從而對植物產(chǎn)生不利影響的一種非生物脅迫[8]。大多數(shù)植物可適應(yīng)的最高溫度一般不超過35℃，一旦超出，植物即面臨高溫脅迫[8]。而根據(jù)持續(xù)時(shí)間的不同，高溫脅迫被可分為長期（幾天或幾個(gè)星期）和短期（幾分鐘或幾個(gè)小時(shí)）兩種形式，無論是長期還是短期的高溫脅迫均可影響植物的形態(tài)、光合作用、呼吸作用等，進(jìn)而影響植物的生理狀態(tài)和生長（圖1）[9]。

圖1 高溫脅迫對植物的影響及植物應(yīng)對高溫脅迫的分子機(jī)制

1.1 高溫脅迫對植物形態(tài)的影響

維持正常的形態(tài)特征是植物確保發(fā)育以及產(chǎn)量的重要前提，然而高溫可造成植物種子萌發(fā)率降低，并對幼苗期植物胚根和胚芽的生長和發(fā)育造成不利影響[10-11]。而在生長期和繁殖期，持續(xù)的高溫脅迫可造成花期及成熟期植物結(jié)實(shí)器官敗育[12-13]、雌雄配子體畸形、果實(shí)畸形以及粒徑減小等，從而導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)的顯著下降[14-15]。此外，雖然生物節(jié)律調(diào)控機(jī)制在植物應(yīng)答非生物脅迫過程中發(fā)揮著重要的作用，但其在植物應(yīng)對高溫脅迫中的具體作用仍有待研究[16]。

1.2 高溫脅迫對植物生理生化特性的影響

植物通過調(diào)整體內(nèi)的代謝產(chǎn)物含量或者酶活性以應(yīng)對外界脅迫，因此脅迫相關(guān)代謝物含量及酶活性常作為衡量植物應(yīng)對逆境脅迫能力的關(guān)鍵指標(biāo)。這些代謝物主要包括脯氨酸(Proline，Pro)、丙二醛(Malondialdehyde，MDA)、谷胱甘肽(Glutathione，GSH)、過氧化氫(Hydrogen peroxide，H2O2)，而相關(guān)的酶主要是抗氧化酶[17-18]。在高溫脅迫下，這些生理、生化參數(shù)的變化表現(xiàn)為Pro、MDA 及GSH 含量的上升、過氧化物含量的升高及抗氧化酶活性的加強(qiáng)。脯氨酸不僅是高效的滲透壓調(diào)節(jié)劑，其在著螯合重金屬、抵抗過氧化物損傷以及傳遞信號等過程中發(fā)揮作用[19]。在高溫條件下，植物體內(nèi)的脯氨酸合成途徑（谷氨酸途徑和鳥氨酸途徑）被激活，同時(shí)脯氨酸合成酶的水解反應(yīng)則受到抑制，導(dǎo)致脯氨酸在植物體內(nèi)的累積。MDA是膜脂質(zhì)過氧化的指示性產(chǎn)物，其含量提升表明高溫脅迫下細(xì)胞膜的損傷程度[20-21]。還原型GSH則是細(xì)胞內(nèi)重要的抗氧化劑，可以保護(hù)植物細(xì)胞免受氧化損傷，以提高植物對高溫脅的耐受能力[22]。此外，在高溫脅迫下，由于植物葉綠體和線粒體機(jī)能受到抑制，過氧化氫(H2O2)、超氧自由基(Superoxide radical，O2-)以及羥基自由基(Hydroxyl radical，-OH)等物質(zhì)快速生成和積累，同時(shí)超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶(Fungal catalase，CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(Glutathione peroxidase，GSH-Px)等酶的活性也會相應(yīng)增強(qiáng)，以防止這些活性氧物質(zhì)對植物造成進(jìn)一步的傷害[23]。

1.3 高溫脅迫對植物呼吸作用的影響

植物的呼吸作用涉及氧氣、葡萄糖以及淀粉等有機(jī)物質(zhì)的氧化分解，在這個(gè)過程中釋放出能量以維持生物體的正常生命活動，這一過程依賴于多種酶的參與。短時(shí)間的高溫脅迫可刺激植物的呼吸過程，促進(jìn)有益物質(zhì)的合成以及加快蛋白質(zhì)的運(yùn)輸周轉(zhuǎn)，同時(shí)清除或降解高溫下植物體內(nèi)累積的各類有害物質(zhì)[24]。反之，長時(shí)間的高溫脅迫則可能導(dǎo)致植物體內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)的過度消耗，減弱與呼吸相關(guān)酶的活性甚至導(dǎo)致其失活，從而抑制呼吸作用，影響植物的生長發(fā)育和高溫適應(yīng)能力。此外，高溫脅迫亦可造成植物中核酮糖二磷羥化酶或加氧酶同化活性的降低，即光呼吸增強(qiáng)。盡管光呼吸是植物應(yīng)對高溫脅迫的重要方式之一，但是長時(shí)間的光呼吸作用及該過程中產(chǎn)生的氨會對植物造成不良的影響[25]。

1.4 高溫脅迫對植物光合作用的影響

高溫不但影響植物的呼吸過程，還顯著影響其光合作用，而光合作用也是植物中最易受到高溫影響的代謝過程[26]。短期高溫脅迫主要導(dǎo)致氣孔限制引起的光合速率降低，而長時(shí)間的高溫脅迫造成的光合速率降低則由非氣孔限制相關(guān)原因?qū)е耓27]。研究表明，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco ribulose-1,5-bishosphate carboxylase，Rubisco)失活以及光系統(tǒng)PSⅡ結(jié)構(gòu)改變是長期高溫下非氣孔限制導(dǎo)致光合效率降低的主要原因[28-30]。同時(shí)，在高溫的脅迫下，植物葉綠體內(nèi)超氧化物歧化酶的活性受到抑制，從而造成葉綠體結(jié)構(gòu)如負(fù)責(zé)光化學(xué)反應(yīng)的類囊體受損[31-32]。

在植物的生命活動中，高溫脅迫也可能觸發(fā)包括植物內(nèi)源性激素、水分代謝、細(xì)胞膜熱穩(wěn)定性等水平的變化，以提高植物對環(huán)境的適應(yīng)能力[33]。因此，高溫脅迫下各種生理生化參數(shù)的變化反映了植物就應(yīng)對高溫脅迫的不同策略，而潛在的分子機(jī)制依然是當(dāng)前科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

2 植物應(yīng)對高溫脅迫的分子機(jī)制

為了適應(yīng)高溫環(huán)境，植物自身也進(jìn)化出了復(fù)雜且多樣的防御機(jī)制。而這些分子機(jī)制涉及復(fù)雜的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，包括信號傳導(dǎo)途徑、轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)功能以及抗逆相關(guān)基因的表達(dá)[34-35]。

2.1 信號傳導(dǎo)途徑

在面對高溫脅迫時(shí)，細(xì)胞膜是最先感應(yīng)溫度的變化的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，它通過產(chǎn)生高濃度的Ca2+發(fā)起信號傳導(dǎo)[36]。Ca2+是細(xì)胞內(nèi)重要的第二信使，負(fù)責(zé)將脅迫信息傳遞至下游分子及信號通路，以激活植物的脅迫應(yīng)答機(jī)制[37]。研究發(fā)現(xiàn)，通過抑制Ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中鈣調(diào)蛋白(Calmodulin，CaM)，可調(diào)控鈣調(diào)素結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子(Calmodulin-binding transcription factor，CAMTA)的轉(zhuǎn)錄活性，進(jìn)而提高植物的高溫耐受能力。但是我們該過程中所涉及的分子機(jī)制仍然了解有限[38]。遭受高溫脅迫導(dǎo)致活性氧(Reactive oxygen species，ROS)在細(xì)胞內(nèi)大量積累，植物借助氧化信號傳導(dǎo)途徑，如絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinases，MAPK)、Nrf2 (Nuclear factor erythroid 2-related factor 2)、SnRK2 (SNF1-related protein kinase 2)等抗氧化防御機(jī)制，以激活抗氧化酶活性[39-40]。植物體內(nèi)相關(guān)抗氧化酶活包括SOD、CAT、GSH- Px、過氧化物酶(Peroxidase，POD)等。這些酶通過清除過量的ROS幫助植物適應(yīng)高溫環(huán)境[41-43]。

此外，激素信號傳導(dǎo)途徑也是植物響應(yīng)脅迫的關(guān)鍵機(jī)制之一。在高溫條件下，通過積累激素，植物能夠激活特定的信號途徑，以此來調(diào)節(jié)生長發(fā)育并提升自身的溫度適應(yīng)能力[44]。植物激素如脫落酸、褪黑素、赤霉素、細(xì)胞分裂素等植物激素都可以通過誘導(dǎo)抗性轉(zhuǎn)錄因子和基因表達(dá)，改善高溫脅迫下植株的高溫耐受能力[45-46]。研究表明，外源性褪黑激素可提高植物抗氧化劑的含量和抗氧化酶的活性，減少幼苗的高溫受損情況[47-48]。而赤霉素對高溫脅迫下植物的花藥育性、赤霉素含量及代謝相關(guān)基因的表達(dá)均有顯著影響[49]。植物在高溫脅迫下積累的細(xì)胞分裂素，如玉米素(Zeatin，ZT)、激動素(Kinetin，KT)、6- 芐基氨基嘌呤(6-Benzylaminopurine，6-BA)等，可保證細(xì)胞有序的分裂與分化過，并增強(qiáng)植物的光合作用[50]。有觀點(diǎn)認(rèn)為，植物激素主要通過抑制超氧陰離子(Superoxide anion，O2-)的產(chǎn)生及增強(qiáng)SOD的活性降低O2-過量積累而引起的細(xì)胞膜和DNA損傷，從而抑制高溫脅迫下植物細(xì)胞凋亡的發(fā)生[51]。雖然植物激素在植物應(yīng)對高溫脅迫過程中發(fā)揮重要作用這一觀點(diǎn)已被普遍接受，但由于研究過程中使用的植物種類以及處理?xiàng)l件的差異，關(guān)于植物激素的具體作用及相關(guān)機(jī)制，不同的研究往往得出不同的結(jié)論。因此，對于激素在植物應(yīng)對高溫脅迫過程中的作用仍有等進(jìn)一步的闡明[52]。

2.2 轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控作用

為了適應(yīng)高溫環(huán)境，植物啟動特定功能蛋白的合成，這些由高溫誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)被稱為熱激蛋白(Heatstimulated protein，HSPs)。HSPs 主要存在于葉綠體、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器中，并在蛋白質(zhì)的折疊、組裝、轉(zhuǎn)運(yùn)和降解過程中發(fā)揮重要作用[53]。高溫脅迫會影響植物細(xì)胞膜的流動性并破壞蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)，而HSPs 通過幫助細(xì)胞中蛋白質(zhì)正確地折疊及空間結(jié)構(gòu)的形成。因此，HSPs通過維持轉(zhuǎn)錄因子和相關(guān)酶的活性和功能，確保應(yīng)激信號通路的啟動及相關(guān)基因的表達(dá)，以保護(hù)植物免受脅迫危害[54-56]。有研究表明，MYB、AP2、ERFBP、NAC 和WRKY 等轉(zhuǎn)錄因子是植物在應(yīng)對非生物脅迫過程中的關(guān)鍵調(diào)控因子[57-58]。此外，熱激轉(zhuǎn)錄因子(Heat-stimulated transcription factor，HSFs)通過結(jié)合下游HSP 基因上游熱激反應(yīng)元件（Thermal response element，HSE)，以轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)HSP基因的機(jī)制也被認(rèn)為是應(yīng)對植物高溫脅迫的重要分子機(jī)制之一[59-60]。例如，在擬南芥中，熱轉(zhuǎn)錄因子基因AtHSFA1a和AtHSFA1b在植物處于高溫脅迫初期即被激活，是調(diào)控?zé)峒さ鞍妆磉_(dá)的重要轉(zhuǎn)錄因子。在AtHSFA1a/AtHSFA1b雙突變植物中，受限的HSP 活性導(dǎo)致突變體對高溫脅迫更為敏感。相反，在擬南芥和煙草中過量表達(dá)AtHSFA1a則可顯著提高植物的耐高溫能力[61]。此外，HSF 通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激相關(guān)基因的表達(dá)、降低ROS水平及提高脯氨酸含量等途徑增強(qiáng)植物對高溫脅迫的適應(yīng)性[62]。除HSF之外的其他轉(zhuǎn)錄因子也參與了植物耐受高溫脅迫的相關(guān)機(jī)制，例如辣椒、小麥以及擬南芥的WRKY 均被證實(shí)參與植物對高溫脅迫的響應(yīng)[63-65]。

2.3 高溫響應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)變化

在植物應(yīng)對高溫脅迫的整體機(jī)制中，除了以MYB、NAC和WRKY轉(zhuǎn)錄因子家族的基因外，其他可響應(yīng)高溫基因表達(dá)的變化同樣是該機(jī)制的關(guān)鍵的組成部分[42,66]。高溫響應(yīng)相關(guān)基因是指在高溫環(huán)境下表達(dá)量發(fā)生變化的基因，包括負(fù)責(zé)激素合成調(diào)控的基因、抗氧化酶活相關(guān)基因以及細(xì)胞壁合成相關(guān)基因等[67]。例如，在水稻中敲除磷脂酰膽堿水解酶D 基因(PhosphatidylcholinehydrolaseDgene，PLD)可顯著降低水稻的堊白粒率以及水稻對高溫的耐受能力。但是目前對于植物中參與高溫脅迫應(yīng)對信號通路的基因其功能及作用機(jī)制的研究仍然非常有限。

3 展望

隨著全球氣候變化的影響日益加劇，尤其是“溫室效應(yīng)”引起的持續(xù)升溫，作物耐熱性已成為決定其生長發(fā)育、品質(zhì)和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[68]。因此，如何提高作物對包括高溫在內(nèi)不利環(huán)境的耐受能力成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題。此外，植物對高溫脅迫適應(yīng)機(jī)制的相關(guān)研究對于干熱、干旱河谷區(qū)的植被恢復(fù)等生態(tài)修復(fù)工作也具有重要的指導(dǎo)意義。

抗高溫相關(guān)遺傳和種質(zhì)資源的發(fā)掘及具有抗高溫潛力植物、作物品種的選育，已成為應(yīng)對植物高溫逆境危害的關(guān)鍵途徑。隨著生物技術(shù)特別是生物信息學(xué)、基因工程、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，研究人員在揭示植物耐高溫相關(guān)分子機(jī)制方面取得諸多突破。比如，有研究從轉(zhuǎn)錄水平、蛋白水平以及代謝水平對豆類、水稻、小麥等植物應(yīng)對高溫脅迫的分子機(jī)制進(jìn)行了探索[69-71]。此外，有研究利用基因編輯技術(shù)成功培育了水稻、玉米及小麥的耐熱作物品系，在未來實(shí)際生產(chǎn)中具有很大的應(yīng)用潛力[72-74]。

目前關(guān)于植物耐受高溫的機(jī)制主要集中于細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)抗氧化系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)機(jī)制、植物激素調(diào)控機(jī)制及高溫響應(yīng)基因等方面，這些研究領(lǐng)域在未來一段時(shí)間內(nèi)也仍然是材的耐熱機(jī)制研究的重點(diǎn)方向。鑒于目前植物耐高溫機(jī)制的研究情況，該領(lǐng)域相關(guān)研究可能呈現(xiàn)以下新的趨勢：（1）對于包括小麥、玉米、水稻等主要糧食作物之外的蔬菜、水果、中草藥、花卉等經(jīng)濟(jì)作物耐高溫脅迫分子機(jī)制的研究；（2）對于生物節(jié)律調(diào)控機(jī)制如何參與植物耐高溫脅迫的研究；（3）更深入地研究植物耐高溫脅迫機(jī)制，包括鈣信號途徑；（4）對于植物高溫脅迫記憶機(jī)制的進(jìn)一步研究。