植物對低溫脅迫反應(yīng)機制的研究進展

李子涵李建運王飛辛亞龍

(1.西南林業(yè)大學(xué)/國家林業(yè)和草原局西南風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650224；2.玉溪市江川區(qū)林業(yè)和草原局，云南 玉溪 652600)

引言

低溫是一種普遍的非生物脅迫，影響植物的生長，對于野生和農(nóng)業(yè)作物的分布及其生產(chǎn)力帶來了顯著的影響[1]，這種影響進一步對食品安全以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了挑戰(zhàn)[2，3]。鑒于此背景，深入了解植物是如何感知并應(yīng)對低溫脅迫的，已經(jīng)成為科學(xué)研究的熱門話題。得益于分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科研人員在揭示植物響應(yīng)低溫機制上已經(jīng)取得了顯著進展，尤其是在信號傳遞、分子調(diào)節(jié)以及生理代謝調(diào)節(jié)等領(lǐng)域[4]。

低溫寒害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的一項重大挑戰(zhàn)，通常會導(dǎo)致廣泛的受害區(qū)域和重大損失。其中，冰點以上(0～15°C)的低溫危害稱為冷害(chilling stress)，冰點以下(<0°C)的低溫危害稱為凍害(freezing stress)。這種脅迫嚴(yán)重限制了作物的生長和產(chǎn)量，已經(jīng)成為植物生理學(xué)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中亟待解決的關(guān)鍵問題[5]。植物對低溫脅迫的響應(yīng)涉及一系列復(fù)雜的分子機制，通過這些機制，植物能夠適應(yīng)冷害和凍害，展示出不同程度的耐寒能力。在較低的非冰點溫度或略微低于0℃的條件下，植物的耐凍性會得到增強，這對其安全度過寒冷季節(jié)至關(guān)重要。在低溫條件下，植物的生長會暫時停止，光合作用和呼吸率減少，同時積累抗凍保護物。一些植物能夠在持續(xù)低溫、極端低溫條件下，甚至是體內(nèi)結(jié)冰的情況下生存。因此，探究植物在低溫和冰凍脅迫條件下的生理和分子機制，不僅是重要的科學(xué)問題，同時也具有重要的經(jīng)濟價值。本文對這些關(guān)鍵的分子機制和信號通路進行了綜述，這些機制和通路在植物適應(yīng)低溫脅迫中發(fā)揮作用，并指出當(dāng)前研究中的空缺，提出通過基因工程和分子育種技術(shù)提高作物耐冷性的未來研究思路。

1 低溫對植物的影響

1.1 低溫對植物生長、發(fā)育和產(chǎn)量的影響

適宜的溫度是種子萌發(fā)的重要條件，低溫會延緩種子發(fā)芽，減弱其生長趨勢和發(fā)育能力，導(dǎo)致發(fā)芽時間推遲，甚至導(dǎo)致發(fā)芽失敗[6]。低溫環(huán)境還會使種子吸脹速率減緩，細胞膜可能因水壓變化而破裂，進而導(dǎo)致選擇透過性變化[7]。連藝佳等[8]對冬小麥(Triticum aestivum L.)種子進行了一系列低溫處理實驗，以考察其在不同溫度下的萌發(fā)生理特性；實驗結(jié)果揭示，隨著環(huán)境溫度的下降，冬小麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽速度等關(guān)鍵生長指標(biāo)顯著下降，證明了低溫對其萌發(fā)過程具有顯著的抑制作用。

低溫冷害嚴(yán)重影響植物，尤其是小麥的種子發(fā)芽、幼苗生長及植株成熟，進而顯著降低產(chǎn)量和品質(zhì)。如果小麥在灌漿初期遭受低溫脅迫，將干擾籽粒中淀粉的積累，導(dǎo)致淀粉含量和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表現(xiàn)為粒徑減小和合成能力下降，并影響淀粉的生物合成路徑[9]。此外，低溫還會引起形態(tài)上的變化，如根冠生長抑制、產(chǎn)量下降和葉色褪變及萎蔫，可能導(dǎo)致葉片死亡[10]。小麥?zhǔn)艿降蜏赜绊憰斐擅劝l(fā)過程延遲、出苗率降低和植株密度減少[11]，直接影響幼苗發(fā)育，最終導(dǎo)致作物整體產(chǎn)量和品質(zhì)下降。

1.2 低溫對植物生理生化的影響

在低溫脅迫下，植物細胞內(nèi)活性氧(ROS)種類增加，對線粒體結(jié)構(gòu)和細胞能量供應(yīng)造成損傷。此過程中，抗氧化酶系統(tǒng)內(nèi)的過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)及過氧化氫酶(CAT)通過提升細胞內(nèi)抗氧化能力，幫助植物減輕由低溫引起的負面影響，保護細胞避免ROS損害，維持正常生長發(fā)育。研究表明，ROS與抗氧化劑之間的相互作用構(gòu)成了代謝與環(huán)境信號間的代謝接口，通過此接口，植物可調(diào)節(jié)適應(yīng)性過程的啟動或激活細胞死亡程序[12，13]。低溫脅迫使植物細胞內(nèi)可溶性糖含量顯著增加，這些糖類物質(zhì)作為滲透調(diào)節(jié)劑，增強細胞內(nèi)滲透力，有助于緩解低溫引起的細胞體積收縮，通過提高細胞膜穩(wěn)定性減少由冷害和脫水引起的損傷[14]。細胞膜通透性的提高導(dǎo)致不飽和脂肪酸的流失，促進膜脂過氧化物的形成，從而增加丙二醛(MDA)的含量[15]。在金龍飛等[16]對9個油棕(Elaeis guineensis)品種進行的低溫脅迫研究中，設(shè)置10℃和15℃的實驗溫度，并以25℃作為對照組，研究顯示，低溫脅迫導(dǎo)致油棕葉片中MDA、可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)和脯氨酸(PRO)含量增加，抗氧化酶活性如SOD、CAT和POD在脅迫初期增加后下降，反映出油棕激活了一系列防御機制以減輕低溫脅迫帶來的損傷。

低溫脅迫對植物光合和呼吸作用產(chǎn)生影響，通過降低溫度抑制葉綠素合成關(guān)鍵酶，阻礙葉綠素及葉綠體形成，進而影響植物生長發(fā)育，導(dǎo)致生長延遲、發(fā)育異常，極端情況可致植物死亡[17]。葉綠素a/b結(jié)合蛋白(CAB)在低溫環(huán)境中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，低溫脅迫會顯著影響CAB基因的表達水平，抑制一些植物中CAB基因的表達，表明CAB基因在植物響應(yīng)低溫脅迫中起著重要的調(diào)節(jié)作用，通過影響葉綠素的合成和葉綠體的功能，進而影響植物的生長和發(fā)育[18]。低溫導(dǎo)致葉綠體結(jié)構(gòu)損傷，降低二氧化碳利用效率和光合產(chǎn)物利用，減少光合效率，即使后移至溫暖環(huán)境，此影響持續(xù)存在，顯示低溫對光合作用長期負面影響[19]。研究表明，低溫環(huán)境下葉綠體結(jié)構(gòu)受損，酶活性抑制，氣孔開放減緩，減少葉綠素含量，光合效率降低，導(dǎo)致生長減慢，產(chǎn)量降低，此影響可能長期存在[20]。低溫脅迫影響植物的呼吸作用，損傷生物膜，降低偶聯(lián)氧化磷酸化效率，減少有氧呼吸，增加無氧呼吸；導(dǎo)致在呼吸過程中產(chǎn)生過量熱量，不利于代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化與合成，醇、醛類化合物積累，可能引起組織中毒[21]。馮漢青等[22]以25℃、4℃2個溫度處理小麥幼根，探討了低溫對無葉綠體根系的生長及呼吸作用的影響。研究顯示，在低溫脅迫下，低溫降低了小麥幼根的生長，增加了小麥幼根的氧化壓力，進而顯著引起細胞死亡。

2 植物抗冷的分子調(diào)控機制

2.1 低溫信號感知與傳導(dǎo)

在低溫脅迫下，植物通過復(fù)雜的信號感知與傳導(dǎo)機制響應(yīng)環(huán)境變化。植物細胞借助膜蛋白，如受體和離子通道感知低溫信號并啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程；這些信號通過二級信使如鈣離子(Ca2+)的濃度變化，激活下游的信號分子，包括各種激酶和轉(zhuǎn)錄因子[23]。這些轉(zhuǎn)錄因子進入細胞核，調(diào)控低溫響應(yīng)基因的表達，啟動一系列抗寒應(yīng)答過程。具體包括激活抗氧化防御機制，積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，以及蛋白質(zhì)保護機制，從而提升植物的低溫適應(yīng)性和耐受性[24]。同時，研究發(fā)現(xiàn)，植物細胞對低溫的初始反應(yīng)可能首先影響Ca2+通道。通過對紅皮云杉葉肉細胞鈣含量季節(jié)性變化的觀察指出，初秋時鈣含量有顯著上升，這表明低溫促進了Ca2+的內(nèi)流[25]。Guo等[26]研究也強調(diào)了這些通道在植物對冷信號感知和傳導(dǎo)中的重要性。具體來說，低溫引起細胞膜硬化及細胞骨架的重組，從而觸發(fā)Ca2+通過Ca2+通道進入細胞內(nèi)，如環(huán)核苷酸門控通道(CNGCs)在擬南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻中的作用。這些Ca2+信號隨后由Ca2+結(jié)合蛋白解碼，引發(fā)下游反應(yīng)以傳遞冷信號。如，在擬南芥中，CRPK1和CRLK1/2在感知冷信號和磷酸化下游因子中起作用，激活冷應(yīng)答；在水稻中，COLD1作為RGS(調(diào)節(jié)G蛋白信號)的一部分，通過激活GTPase RGA1感知冷信號，可能是Ca2+通道的一部分或調(diào)節(jié)Ca2+通道。

更有研究表明，植物低溫脅迫下的Ca2+反應(yīng)涉及Ca2+通道激活、內(nèi)流和通過CDPKs等傳感器解碼，對調(diào)節(jié)生長和應(yīng)對非生物脅迫具有關(guān)鍵作用。CDPKs感應(yīng)細胞內(nèi)Ca2+濃度變化，參與低溫信號傳導(dǎo)，調(diào)控適應(yīng)性和耐受性。低溫下Ca2+動態(tài)變化和信號調(diào)控關(guān)鍵在于激活抗寒應(yīng)答，如轉(zhuǎn)錄因子活化和基因表達[27]。另有研究強調(diào)，低溫脅迫下，ABA和ROS誘導(dǎo)的Ca2+濃度增加，在植物冷害信號傳遞中的核心作用。植物遭遇低溫時，細胞內(nèi)會產(chǎn)生大量的ROS，能夠改變細胞內(nèi)的氧化還原平衡，并且ROS的濃度與Ca2+的傳輸緊密相聯(lián)[28，29]。目前還有Ca2+信號之外的傳遞低溫信號功能的印證，討論了磷脂酰肌醇特異性磷脂酶C(PI-PLC)在低溫脅迫情況下傳遞低溫信號的作用。通過水解膜相關(guān)的磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸產(chǎn)生肌醇-1，4，5-三磷酸(IP3)和二酰甘油(DAG)，激活鈣通道和蛋白激酶C(PKC)，從而參與低溫信號傳遞[30]。

2.2 低溫響應(yīng)信號通路及其調(diào)控機制

2.2.1 CBF/DREB的調(diào)控機制

CBF(C-repeat/DREB binding factor)轉(zhuǎn)錄因子能夠在低溫條件下通過激活COR(cold-regulated)基因增強植物的抗寒能力，在低溫分子調(diào)控中研究較多。CBF在植物冷馴化中激活COR強化抗凍能力，SnRK2s和MAPKs蛋白激酶重要性顯著。同時，探討了MdMYB88和MdMYB124轉(zhuǎn)錄因子是低溫脅迫響應(yīng)中的關(guān)鍵，正向調(diào)控冷響應(yīng)基因，促進花青素積累[31]。CBF基因調(diào)節(jié)的過程中，CBF基因被ICE1、CAMTA3迅速誘導(dǎo)，同時被MYB15和PIFs等因子抑制。這些轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控CBF表達，進而激活抗寒基因，提高植物的冷馴化能力。蛋白激酶如OST1和MPK3/6通過磷酸化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的活性，影響CBF表達[32]。關(guān)于植物在低溫脅迫下CBF基因表達的調(diào)控及其修飾，特別強調(diào)了轉(zhuǎn)錄后和翻譯后修飾(PTM)對CBF表達的影響。研究顯示，如磷酸化、泛素化和SUMO化等PTM在調(diào)節(jié)ICE-CBF-COR信號通路中發(fā)揮重要作用，增強了ICE基因?qū)ο掠位虻姆€(wěn)定性和結(jié)合效率，從而提高了植物對冷脅迫的耐受性[33]。而在小麥中，TaMYC2轉(zhuǎn)錄因子通過ICE-CBF-COR信號模塊增強擬南芥冷凍耐受性的機制，研究顯示，TaMYC2的過表達可以激活CBF途徑，促進COR基因的表達，從而提高植物在低溫環(huán)境下的存活率；還揭示TaMYC2如何通過調(diào)節(jié)ROS的代謝過程，加強植物的抗寒能力[34]。

在近些年關(guān)于CBF轉(zhuǎn)錄因子在寒冷適應(yīng)機制中作用的研究不斷深入，采用染色質(zhì)免疫沉淀測序(ChIP-seq)技術(shù)，探究了擬南芥中CBF轉(zhuǎn)錄因子的全基因組結(jié)合位點。這些蛋白特異性識別并結(jié)合到目標(biāo)基因的C重復(fù)/脫水響應(yīng)元件(CRT/DRE)，顯著影響了1012個基因的表達。進一步分析CBF1、CBF2、CBF3三重突變體的轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)，識別出146個直接受CBF調(diào)控的核心基因。此外，研究還表明，CBF目標(biāo)基因在調(diào)控植物對激素信號、光信號和晝夜節(jié)律的響應(yīng)中起到關(guān)鍵作用，突顯了CBF在協(xié)調(diào)內(nèi)部和外界環(huán)境信號中的集成器角色，為理解植物早期寒冷響應(yīng)的調(diào)控機制及CBF在植物生命過程中的多功能作用提供了新的視角[35]。

2.2.2 其他調(diào)控方式

植物對低溫的響應(yīng)是一個涉及復(fù)雜生理及基因表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的多因素協(xié)同作用過程，除了CBF冷響應(yīng)途徑外，還有多種調(diào)控途徑被激活，包括轉(zhuǎn)錄因子、信號傳遞、細胞壁生物生成、防御，以及光合作用等方面基因的上調(diào)和下調(diào)。在番茄(Solanumlycopersicum L.)和煙草(Nicotianatabacum L.)中乙烯響應(yīng)因子LeERF2/TERF2對乙烯生物合成基因表達的調(diào)控作用，及其對乙烯產(chǎn)生的控制，研究發(fā)現(xiàn)，LeERF2/TERF2能夠通過與促進乙烯生物合成基因的啟動子區(qū)域(如GCC box和DRE/CRT)的相互作用，激活這些基因的表達，進而調(diào)節(jié)植物的乙烯生產(chǎn)[36]。在擬南芥對低溫的反應(yīng)研究中，除了CBF轉(zhuǎn)錄因子途徑外，還揭示了其他信號傳導(dǎo)途徑的重要作用。研究揭示了冷脅迫條件下9個磷脂信號傳導(dǎo)基因的表達量發(fā)生了變化，其中8個基因表現(xiàn)為表達量上調(diào)，強調(diào)了磷脂二級信使在冷信號傳導(dǎo)中的關(guān)鍵角色。同時，2個Rab GTPase基因和1個GDP/GTP焦磷酸激酶(RSH2)的上調(diào)表達指示細胞內(nèi)膜運輸和(p)ppGpp介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)活性變化[37]。Wang Y等[38]發(fā)現(xiàn)，CsWRKY2，一個茶樹WRKY轉(zhuǎn)錄因子，屬于WRKY I組家族，主要定位于細胞核；其在葉片中的表達水平較高，并且能夠?qū)Φ蜏?、干旱脅迫以及外源ABA的誘導(dǎo)作出響應(yīng)，通過ABA信號途徑在植物對低溫和干旱脅迫的防御反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。NAC轉(zhuǎn)錄因子通過參與ABA信號途徑，調(diào)控與環(huán)境脅迫響應(yīng)相關(guān)的基因表達，提高植物對低溫的耐受性，能夠激活特定的脅迫響應(yīng)基因，促進代謝物的積累，從而增強植物的逆境適應(yīng)能力[39]。

3 展望

在最近幾年的研究中，人們對植物如何應(yīng)對低溫環(huán)境的復(fù)雜機制有了更深入的理解。發(fā)現(xiàn)植物抗寒性是由特異性抗寒基因通過復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)調(diào)控形成，涵蓋低溫信號感知、傳導(dǎo)至響應(yīng)基因表達全過程。研究聚焦于Ca2+信號通路和ICE-CBF-COR等關(guān)鍵途徑，但細胞膜物理性變化、激酶活性調(diào)控和低溫對基因表達的影響等其他機制仍需深入理解。盡管CBF途徑被廣泛研究，非CBF途徑和表觀遺傳調(diào)控機制探索仍在進行。此外，熱帶地區(qū)的植物由于在高溫環(huán)境下進化，可能積累了不利于抗寒的遺傳變異，這對提高植物的低溫耐受性帶來了額外挑戰(zhàn)。因此，深入理解抗寒機制，對促進耐低溫育種和利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高作物低溫抗性至關(guān)重要。這需要基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)等多學(xué)科方法及模式植物研究，探索植物特別是生殖生長階段的低溫響應(yīng)，以期獲得更全面的認(rèn)識。

未來的研究需要集中關(guān)注表觀遺傳調(diào)節(jié)在植物對低溫響應(yīng)中的角色，特別關(guān)注DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA在冷脅迫下的動態(tài)變化。將有助于揭示植物如何在分子水平上“記憶”低溫環(huán)境，并適應(yīng)這種生存挑戰(zhàn)。了解這些復(fù)雜的調(diào)控機制不僅能夠豐富人們對植物生物學(xué)的基礎(chǔ)知識，還可能為通過調(diào)節(jié)這些表觀遺傳因素增強作物的低溫耐受性開辟新途徑。此外，基因編輯技術(shù)，如CRISPR/Cas9系統(tǒng)，提供了精確操控關(guān)鍵基因表達的可能性，為驗證這些基因在植物冷應(yīng)答中的具體功能提供了有力的工具。通過結(jié)合高通量的組學(xué)技術(shù)，未來的研究有望在系統(tǒng)層面深入解析植物對低溫脅迫的響應(yīng)機制，為培育具有更高冷耐性的作物品種奠定基礎(chǔ)。

隨著植物低溫響應(yīng)機制研究需求增長，未來研究需強調(diào)跨物種比較及功能基因組學(xué)，以識別不同植物中的抗寒響應(yīng)途徑，揭示抗寒性的進化模式和基因功能多樣性。同時，考慮到環(huán)境脅迫的多重生理和分子互作，探索低溫與其他非生物脅迫如干旱、鹽害的交互效應(yīng)，對理解植物逆境響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。這將有助于深化對植物復(fù)雜環(huán)境脅迫協(xié)調(diào)響應(yīng)的理解，為培育多重逆境耐受作物開辟新策略。綜上所述，通過綜合運用系統(tǒng)生物學(xué)、分子遺傳學(xué)和先進的基因編輯技術(shù)，未來研究將能夠為提高作物低溫耐受性和適應(yīng)性提供更加精確和有效的分子基礎(chǔ)，從而在全球氣候變化的背景下保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。