陳柯岐， 鄧星光， 林宏輝

(四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，成都 610065)

非生物脅迫嚴重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，同時導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境極度惡化。植物遭受逆境脅迫后，發(fā)生一系列從形態(tài)到分子水平的變化，這些變化直接或間接影響植物的生長和發(fā)育。極端溫度、干旱、水淹和鹽害等逆境往往相互關(guān)聯(lián)，在造成特殊影響的同時，也造成相似的細胞損傷。為了生存，植物在遭受非生物脅迫時需要在形態(tài)和生理生化代謝上進行一系列調(diào)整，以適應(yīng)逆境。植物響應(yīng)非生物脅迫一般從信號感知開始。細胞外膜受到非生物脅迫的刺激后，產(chǎn)生第二信號分子，如活性氧(ROS)和肌醇磷脂等。第二信號分子刺激細胞內(nèi)膜，通過調(diào)節(jié)胞內(nèi)Ca2+水平，啟動蛋白磷酸化級聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生磷酸化蛋白分子，以直接參與細胞保護的蛋白或調(diào)控特異性脅迫調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄因子為目標。有些基因的產(chǎn)物參與產(chǎn)生脫落酸(ABA)和乙烯(ETH)等調(diào)節(jié)因子，從而激活轉(zhuǎn)錄因子的表達。轉(zhuǎn)錄因子與靶基因啟動子序列特異性結(jié)合，進一步激活或抑制下游功能基因的表達，最終起到對非生物脅迫的調(diào)控作用。揭示植物非生物脅迫響應(yīng)機制，培育抗逆作物新品種，有助于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并保障日益增長的世界人口的糧食安全[1]。本文結(jié)合極端溫度、干旱、水淹和鹽害對植物生長發(fā)育的影響，從信號感知、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達調(diào)控和重要次生代謝產(chǎn)物變化等方面，綜述植物響應(yīng)非生物脅迫的分子機制，展望未來的研究方向。

1 植物溫度脅迫響應(yīng)機制

隨著全球范圍內(nèi)異常天氣發(fā)生規(guī)模擴大和頻率增加，各種植區(qū)作物生長和發(fā)育都受到影響。在極端溫度下，作物的產(chǎn)量和品質(zhì)顯著降低，種植地點也被嚴重限制。因此，要想在當(dāng)前氣候變化的情況下維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，了解植物溫度脅迫響應(yīng)機制至關(guān)重要[2]。

1.1 低溫

低溫主要通過細胞質(zhì)脫水和細胞壁結(jié)冰引發(fā)細胞死亡。溫帶地區(qū)的植物暴露在不結(jié)冰的低溫環(huán)境中，會變得更加耐寒，該過程被稱為冷馴化。冷馴化過程中會發(fā)生許多生理、生化和分子變化，包括抗氧化系統(tǒng)的激活、低溫保護劑的合成和積累以及保護和穩(wěn)定細胞膜的變化[3]。為了保持細胞膜在低溫脅迫下的穩(wěn)定性，膜脂組分中不飽和磷脂的含量上升。同時，細胞積累滲透分子和抗凍蛋白，這些蛋白富含蔗糖和脯氨酸，它們通過產(chǎn)生氫鍵來捕獲水分子。

1.1.1 信號感知

膜流動性的變化與溫度傳感有關(guān)。冷、熱脅迫改變細胞膜的流動性，影響膜定位蛋白的結(jié)構(gòu)和活性，從而觸發(fā)Ca2+內(nèi)流，該過程對誘導(dǎo)溫度響應(yīng)性基因的表達具有重要意義[4]。

有研究證實，水稻低溫感受器(COLD1)與水稻G蛋白α亞基1(RGA1)結(jié)合，介導(dǎo)水稻的冷感知和低溫誘導(dǎo)的胞外Ca2+內(nèi)流[5]。除了COLD1，水稻CBL互作蛋白激酶7(OsCIPK7)被認為通過調(diào)節(jié)其自身激酶結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象和Ca2+內(nèi)流來感知低溫信號[6]。然而，目前還不清楚COLD1和OsCIPK7如何在低溫脅迫下調(diào)控Ca2+內(nèi)流。擬南芥基因組包含40多個編碼Ca2+通道的基因，其中許多都定位于質(zhì)膜。環(huán)核苷酸門控離子通道(CNGCs)作為植物生長、發(fā)育和脅迫響應(yīng)的重要調(diào)節(jié)因子[7]，為擬南芥和苔蘚等提供耐熱性[8]。然而，目前的研究還不清楚CNGCs是否具有在低溫下感知Ca2+通道的功能。

1.1.2 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達調(diào)控

絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)級聯(lián)參與調(diào)控冷信號和低溫耐受性。植物受冷脅迫后，MKK2磷酸化并激活MPK4和MPK6。在MKK2過表達的植物中，C-重復(fù)結(jié)合因子2/脫水應(yīng)答元件結(jié)合蛋白1C(CBF2/DREB1C)的表達水平上調(diào)。因此，低溫信號通路可能通過蛋白磷酸化而被激活[9]。

擬南芥中的3個CBF/DREB1基因在冷馴化中發(fā)揮著核心作用。在冷馴化過程中，CBF2/DREB1C負調(diào)控CBF1/DREB1B和CBF3/DREB1A的表達，而CBF1/DREB1B和CBF3/DREB1A沒有參與調(diào)節(jié)其他CBF/DREB1基因[10]。此外，通過RNAi降低CBF1和CBF3轉(zhuǎn)錄本的植物表現(xiàn)出較低的冷馴化能力，這表明CBF1/DREB1B和CBF3/DREB1A協(xié)同誘導(dǎo)CBF/DREB1-調(diào)控基因和冷馴化[10]。CBF基因受到低溫的誘導(dǎo)，激活低溫調(diào)節(jié)基因(COR)的表達[11]。CBF/DREB1A的過表達可以誘導(dǎo)COR基因的表達和擬南芥、番茄和水稻等的低溫耐受性[12]。

CBF基因表達受多種類型轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。擬南芥中CBF蛋白的穩(wěn)定性受到蛋白質(zhì)翻譯后修飾(PTMs)的調(diào)節(jié)。CBF表達誘導(dǎo)因子1(ICE1)及其同系物ICE2正向調(diào)節(jié)CBF表達和低溫耐受性。泛素化、SUMO化和磷酸化對ICE1在擬南芥中的功能發(fā)揮起著重要的作用[13]。MYB15轉(zhuǎn)錄因子與CBF/DREB1啟動子中的MYB順式作用元件結(jié)合，負向調(diào)控后者的表達[14]。低溫誘導(dǎo)的C2H2鋅指轉(zhuǎn)錄因子(ZAT12)也是CBF/DREB1的負調(diào)控因子。有研究表明，CBF/DREB1的表達在ZAT12過表達植株中降低[15](圖1)。

箭頭代表促進作用；雙豎線代表抑制作用。圖1 植物響應(yīng)冷脅迫的簡化模型Figure 1 Simplified model of plant in response to cold stress

1.2 高溫

全球變暖導(dǎo)致包括極端高溫在內(nèi)的氣候變化，這些變化對作物生產(chǎn)造成毀滅性的破壞。當(dāng)高溫脅迫發(fā)生在發(fā)育的關(guān)鍵階段時(生殖期、開花期等)，對植物的生存非常不利：高溫會抑制花粉活力、受精能力、籽粒灌漿和果實形成[16]。同時，高溫脅迫會抑制光合作用，由高溫引起的水分含量降低也會對植物細胞分裂和生長造成負面影響[17]。

1.2.1 信號感知和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

最近的研究表明，Ca2+對熱脅迫響應(yīng)(HSR)的觸發(fā)不可或缺。Ca2+進入細胞質(zhì)以響應(yīng)熱脅迫引起的質(zhì)膜流態(tài)化。Ca2+滲入由CNGC介導(dǎo)。到目前為止，CNGC2、CNGC4、CNGC6和CNGC16被證實為與HSR相關(guān)的CNGCs[18]。在熱脅迫過程中，環(huán)腺苷酸(cAMP)和環(huán)鳥苷酸(cGMP)的水平升高，CNGCs在這些環(huán)核苷酸的作用下打開[19]。因此，有研究人員提出，質(zhì)膜流態(tài)化可以通過激活核苷酸環(huán)化酶打開CNGCs。

ROS也被認為是熱脅迫信號傳感器。ROS的積累是觸發(fā)HSR的必要條件。在熱脅迫過程中，葉綠體是產(chǎn)生ROS的主要場所。此外，NADPH氧化酶、呼吸爆發(fā)氧化酶同系物B(RbohB)和RbohD也能產(chǎn)生ROS。雖然目前還不清楚ROS信號如何被感知和轉(zhuǎn)錄調(diào)控，但ROS信號已被證實可觸發(fā)與一氧化氮(NO)和活性短鏈葉揮發(fā)物(RSLVs)相關(guān)的兩條信號通路。遺傳分析表明，RbohB和RbohD產(chǎn)生的ROS可引起NO的積累[20]。

鈣依賴蛋白激酶(CDPK)級聯(lián)參與調(diào)控?zé)嵝盘柡透邷啬褪苄浴８叩戎参镏饕?類Ca2+結(jié)合蛋白：CDPK、鈣調(diào)蛋白(CaM)和類CaM蛋白，以及類鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶B[21]。CDPKs通過Ca2+與類鈣調(diào)蛋白結(jié)構(gòu)域的結(jié)合直接激活，進一步調(diào)節(jié)下游靶位點。在熱脅迫下，CaM3充當(dāng)Ca2+信號轉(zhuǎn)換器[22]。NO信號激活CaM3，導(dǎo)致熱激轉(zhuǎn)錄因子(HSF)與DNA結(jié)合[23]，進而激活下游熱脅迫相關(guān)基因的表達。

1.2.2 基因表達調(diào)控

HSF家族成員HsfA1通過激活HSR基因從而調(diào)控植物對熱脅迫的耐受性。在熱脅迫下，HsfA1的表達上調(diào)，而HsfA1的活性恰恰受高溫的調(diào)控[24]。熱激蛋白(HSP)HSP70和HSP90在一定溫度范圍內(nèi)抑制HsfA1的活性和核定位，而熱脅迫誘導(dǎo)HsfA1從HSP70、HSP90復(fù)合體中分離，進而激活HsfA1[25]。

研究人員推測HsfA1s直接調(diào)節(jié)編碼重要熱脅迫應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子基因的表達，包括HsfA3、DREB2C、HsfA2、HsfBs和多蛋白橋聯(lián)因子1C(MBF1C)等[26]。HsfA3是一種重要的熱脅迫反應(yīng)因子，HsfA3的缺失會導(dǎo)致熱脅迫過程中靶基因表達下調(diào)[27]。DREB2C(DREB2A同源基因)的過表達能激活HsfA3，該過程在沒有熱脅迫時也能實現(xiàn)。因此，DREB2C在熱脅迫過程中參與調(diào)節(jié)HsfA3基因[28]。HsfA2是HsfA1的直接靶基因，在植物中對HSR起關(guān)鍵作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，hsfa2敲除突變體對熱脅迫具有高敏感性，許多熱脅迫誘導(dǎo)基因的表達減少[29]。HsfBs(HsfB1和HsfB2b)也是擬南芥中HsfA1的下游靶基因。熱脅迫誘導(dǎo)的MBF1C表達受HsfA1調(diào)控。有研究表明，在熱脅迫期間，hsfa1缺失突變體中MBF1C的表達受到抑制[26]。

一些HSF家族蛋白可以獨立于HsfA1途徑參與HSR。HsfA4a受氧化應(yīng)激(包括熱脅迫)誘導(dǎo)，調(diào)控抗壞血酸鹽過氧化物酶(APX)的表達。HsfA9在種子中特異性表達，其過表達可誘導(dǎo)多種HSP基因。bZIP28也是一個重要的轉(zhuǎn)錄因子，它獨立于HsfA1途徑調(diào)控HSR[30]。

1.2.3 調(diào)節(jié)錯誤折疊蛋白和ROS穩(wěn)態(tài)

熱脅迫下產(chǎn)生的錯誤折疊蛋白和過量ROS對植物有毒害作用。因此，植物必須對這些錯誤折疊蛋白進行復(fù)性或降解，并清除ROS以減輕細胞損傷。在擬南芥和水稻中，HSPs由HSFs誘導(dǎo)，它們編碼的蛋白作為分子伴侶，使錯誤折疊蛋白重新復(fù)性，該過程在植物對熱脅迫的耐受性中發(fā)揮了重要作用。在擬南芥中，HSP100通過分解蛋白聚集體來增強耐熱性[31]。除了HSPs，26S蛋白酶體α2亞蛋白OsTT1通過清理熱誘導(dǎo)的細胞毒性變性蛋白，增強水稻的耐熱性[32]。

熱脅迫還會激活抗氧化系統(tǒng)，以清除多余的ROS。負責(zé)清除ROS的APX和過氧化氫酶(CAT)突變體對熱脅迫敏感[33]。其他重要的ROS清除劑，如銅/鋅超氧化物歧化酶1(CSD1)、CSD2和SOD銅伴侶1(CCS1)，對擬南芥的耐熱性也非常重要[34](圖2)。

2 植物水分脅迫響應(yīng)機制

干旱是對農(nóng)業(yè)影響最大的非生物脅迫之一，與其他非生物脅迫相比，干旱嚴重損害植物生長發(fā)育，限制作物生產(chǎn)。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)消耗了全世界70%以上的淡水。隨著全球氣候變暖，這一消耗量估計還會增加。近年來的全球水災(zāi)發(fā)生頻率逐漸增高，該趨勢與氣候變化相關(guān)[35]。洪水引發(fā)水淹脅迫，對植物多樣性、物種分布及糧食生產(chǎn)構(gòu)成嚴重威脅。

2.1 干旱

干旱脅迫誘導(dǎo)植物產(chǎn)生一系列生理生化反應(yīng)，包括氣孔關(guān)閉、光合抑制和呼吸激活。植物也會在細胞和分子水平上對干旱做出一系列響應(yīng)，如積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和特異性脅迫耐受蛋白。期間，干旱脅迫誘導(dǎo)或抑制各種不同功能基因的表達。干旱誘導(dǎo)ABA的合成，而ABA導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，并激活脅迫相關(guān)基因的表達。已有證據(jù)表明，在調(diào)控干旱耐受基因表達過程中，存在ABA依賴性和ABA非依賴性信號系統(tǒng)[36]。

箭頭代表促進作用；雙豎線代表抑制作用。圖2 植物響應(yīng)熱脅迫的簡化模型Figure 2 Simplified model of plant in response to heat stress

2.1.1 ABA依賴性途徑

ABRE是ABA響應(yīng)基因表達的主要順式作用元件，bZIP轉(zhuǎn)錄因子ABRE結(jié)合蛋白/ABRE結(jié)合因子(AREB/ABF)與ABRE結(jié)合，從而激活A(yù)BA依賴性基因表達。在擬南芥中，過表達ABF3或AREB2/ABF4引起植株對ABA超敏，蒸騰速率降低，并增強耐旱性[37]。干旱誘導(dǎo)基因RD22的激活由ABA介導(dǎo)，MYC轉(zhuǎn)錄因子AtMYC2(RD22BP1)和MYB轉(zhuǎn)錄因子AtMYB2被證實可以結(jié)合RD22啟動子的順式作用元件并一起激活RD22的表達[38]。這些MYC及MYB蛋白在內(nèi)源ABA積累后被激活，進一步發(fā)揮在后期脅迫反應(yīng)中的作用。

研究人員鑒定出干旱誘導(dǎo)編碼NAC轉(zhuǎn)錄因子的RD26基因[39]。干旱、高鹽、ABA和茉莉酸(JA)處理均可誘導(dǎo)RD26的表達。RD26過表達的植株對ABA敏感，熱脅迫誘導(dǎo)基因的表達上調(diào)；而RD26功能被抑制后植株則表現(xiàn)出相反的表型。

2.1.2 ABA非依賴性途徑

一些干旱誘導(dǎo)基因不受ABA信號的調(diào)控，這說明植物存在不依賴于ABA的信號通路來響應(yīng)干旱脅迫。其中，ERD1是一個重要的ABA非依賴性基因。該基因不僅受脫水誘導(dǎo)，而且在自然衰老和黑暗誘導(dǎo)的衰老過程中表達上調(diào)。對轉(zhuǎn)基因植物ERD1啟動子的分析表明，ERD1啟動子中含有順式作用元件，不僅參與了依賴脅迫響應(yīng)的基因表達，還參與了衰老誘導(dǎo)的基因表達[40]。

低溫、干旱和高鹽誘導(dǎo)基因LTI78、RD29A和COR78的啟動子包含兩個主要的順式作用元件，即ABRE和脫水應(yīng)答元件/C-重復(fù)(DRE/CRT)，它們也參與了脅迫誘導(dǎo)的基因表達。與DRE/CRT結(jié)合的ERF/AP2家族轉(zhuǎn)錄因子被分離并命名為CBF/DREB1和DREB2。許多CBF/DREB1靶基因已經(jīng)通過cDNA和基因芯片微陣列技術(shù)被鑒定出來[41]。其中，大多數(shù)CBF/DREB1靶基因在其啟動子區(qū)域包含具有保守(A/G)CCGACNT序列的DRE序列。這些蛋白的靶基因產(chǎn)物參與脅迫耐受性的建立。DREB2基因受脫水脅迫誘導(dǎo)，可能激活其他與干旱脅迫耐受性相關(guān)的基因[42](圖3)。

箭頭代表促進作用。圖3 植物響應(yīng)干旱脅迫的簡化模型Figure 3 Simplified model of plant in response to drought stress

2.2 水淹

氧氣在水中的擴散比在空氣中慢104倍。因此，對適應(yīng)能力較差的植物物種來說，水淹脅迫會導(dǎo)致淹沒在水里的組織氧氣供應(yīng)不足。除了缺氧的威脅，過多的水分還會導(dǎo)致土壤和植物的其他變化：土壤微生物厭氧代謝的產(chǎn)物積累，乙烯的水平上升。此外，洪水導(dǎo)致完全水淹以及通常被水淹的水生植物中，二氧化碳、光和氧氣的獲取受限[43]。

2.2.1 通氣組織

植物通過改善與環(huán)境的氣體交換避免體內(nèi)缺氧，為此，植物發(fā)育出通氣組織，形成一種縱向連接的氣體空間，為植物體內(nèi)長距離氣體交換提供了一條捷徑[44]。通氣組織通常與根系結(jié)構(gòu)改變相結(jié)合，以減少空氣表面和被水淹根尖之間的距離，從而減少擴散阻力[45]。例如，通過不定根產(chǎn)生一組從下胚軸或莖進入?yún)捬趸|(zhì)的導(dǎo)氣通氣管。通氣組織與防止氧氣泄漏到周圍厭氧土壤的屏障結(jié)合，極大地提高了植物對水淹的耐受性[46]。

通氣組織系統(tǒng)能使植物有效地適應(yīng)水淹脅迫，在水淹條件下，地上組織保持與大氣接觸，可以將空氣輸送到地下組織。然而，在完全水淹的過程中，地上部分不能與大氣接觸，它們將空氣輸送到地下部的效率降低。在這種情況下，為了恢復(fù)與大氣的接觸，一些濕地植物表現(xiàn)出葉片、節(jié)間或葉柄的快速垂直伸長，以便浮潛換氣[47]。

2.2.2 細胞內(nèi)高濃度乙烯的感知

在水淹脅迫下，植物體內(nèi)乙烯含量快速上升，誘導(dǎo)植株形態(tài)發(fā)生改變。作為氣體，乙烯在水淹條件下很難脫離植物，導(dǎo)致其在體內(nèi)快速積累。因此，乙烯是檢測植物是否處于水淹脅迫的可靠指標[48]。

乙烯通過調(diào)節(jié)ABA、赤霉素(GA)和生長素(IAA)的積累，誘導(dǎo)一些植物形成不定根。然而，根的形成也需要乙烯誘導(dǎo)表皮細胞產(chǎn)生ROS，促使細胞死亡，從而使根的通透性增強。同樣，溶生性通氣組織由皮層中特定細胞的凋亡形成，涉及乙烯依賴性的抗氧化活性下降，隨后，ROS增加導(dǎo)致細胞死亡[49]。

在水淹脅迫下，高濃度乙烯抑制根的伸長，有些植物通過形成通氣組織，很輕松地清除過量乙烯。然而，無法產(chǎn)生通氣組織的植物物種根系生長受到顯著抑制。在這些植物不同的發(fā)育過程中，對高濃度乙烯信號的依賴可能發(fā)揮重要作用。為了避免與高濃度乙烯有關(guān)的不利影響，一些持續(xù)占據(jù)水生環(huán)境或易受洪水影響的植物物種已經(jīng)喪失或降低了它們產(chǎn)生、感知和響應(yīng)乙烯的能力[50]。

2.2.3 細胞內(nèi)低濃度氧的感知

植物在水淹脅迫下，氧含量的改變是一種重要的感知信號。低氧誘導(dǎo)的脅迫不僅發(fā)生在水淹條件下，還會在具有快速代謝特征的組織中出現(xiàn)，如根分裂組織和韌皮組織等。雖然植物通過光合作用產(chǎn)生氧氣，但是缺乏有效的系統(tǒng)將氧氣運輸?shù)椒枪夂掀鞴?，如果一些器官的解剖結(jié)構(gòu)限制了氧氣的擴散，這些器官可能會處于低氧狀態(tài)[51]。當(dāng)氧氣限制呼吸時，植物會出現(xiàn)缺氧，而完全無氧對植物的生存更不利。缺氧和完全無氧都能觸發(fā)基因的大量重編程，并誘導(dǎo)發(fā)酵代謝，從而使植物利用糖酵解產(chǎn)生ATP。

雖然擬南芥對水淹的耐受性不是很高，但它作為模式植物的特性，使氧傳感和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)成為可能[52]。除了已知的厭氧基因外，還鑒定出幾種缺氧應(yīng)答未知蛋白(HUP)，它們可能代表新的厭氧反應(yīng)途徑。VII類乙烯反應(yīng)因子(ERF-VIIs)在水稻中的作用促進了在擬南芥中對該基因家族的研究[53]。RAP2.12是一組ERF-VIIs，它并非由缺氧誘導(dǎo)，但能激活乙醇脫氫酶(ADH)[54]。RAP2.12在蛋白水平上受氧氣調(diào)控，氧氣促進其降解。只有在低氧條件下，RAP2.12和其他兩個組成性表達的ERF-VIIs，即RAP2.2和RAP2.3，才能穩(wěn)定地激活厭氧反應(yīng)[55]。

缺氧反應(yīng)衰減器1(HRA1)是一種三螺旋轉(zhuǎn)錄因子，它能抑制RAP2.12的表達。在缺氧條件下，HRA1基因表達本身被RAP2.12穩(wěn)定激活，表明厭氧反應(yīng)的調(diào)節(jié)存在一種動態(tài)平衡機制[56]。最近的研究鑒定出一種連接氧感應(yīng)機制和ROS產(chǎn)生的蛋白。低氧應(yīng)答通用應(yīng)激蛋白1(HRU1)由氧應(yīng)答型N端規(guī)則通路誘導(dǎo)，可能通過與膜定位的RbohD及其調(diào)控因子ROP2的相互作用影響ROS的合成[57]。這些發(fā)現(xiàn)表明，缺氧依賴性信號通過一個緊密連接的網(wǎng)絡(luò)，被各種信號和蛋白嚴格控制。

3 植物鹽脅迫響應(yīng)機制

土壤鹽漬化是限制土地使用和作物生產(chǎn)的全球性問題之一，據(jù)估計，世界上大約五分之一的灌溉土地受到鹽害的影響[58]。此外，還有大面積的邊緣土地，如沿海地區(qū)，不適合種植作物。利用這些鹽堿地生產(chǎn)作物可以緩解人口不斷增長帶來的糧食需求問題。

鹽脅迫顯著抑制植物的種子萌發(fā)、根長、株高和結(jié)實[59]。在鹽漬土壤中，滲透脅迫是植物最早經(jīng)歷的脅迫，會立即影響植物的生長。當(dāng)鹽濃度達到一個閾值，植物會遭受離子毒害，超過這個閾值，植物便不能維持離子穩(wěn)態(tài)和正常生長。離子毒害和滲透脅迫是引起氧化脅迫和一系列次生脅迫的主要原因。

3.1 信號感知和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

越來越多的證據(jù)表明，植物細胞壁參與鹽脅迫的感知和響應(yīng)。植物細胞壁不僅保護細胞免受生物和非生物脅迫，還是第一個感知和響應(yīng)逆境脅迫的細胞結(jié)構(gòu)[60]?；钚约毎谕暾?CWI)的維持和感知對應(yīng)激保護和脅迫響應(yīng)至關(guān)重要。除了CWI狀態(tài)的感知外，細胞壁調(diào)節(jié)的相關(guān)過程也參與了對鹽脅迫的反應(yīng)。木質(zhì)素含量和組成在生物和非生物脅迫中會發(fā)生變化[61]。木糖半乳糖轉(zhuǎn)移酶參與細胞壁的生物合成和內(nèi)膜組織的維持，通過限制細胞內(nèi)ROS的濃度來減少細胞損傷，并調(diào)節(jié)鹽脅迫下應(yīng)激相關(guān)基因的表達[62]。因此，研究人員推測出一種可能的鹽敏感機制：在鹽脅迫下，細胞壁的損傷和成分變化觸發(fā)細胞壁維持和CWI感知機制，進而激活植物鹽脅迫的響應(yīng)和回避機制，調(diào)控根的生長和結(jié)構(gòu)改變[63]。

維持細胞內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)是耐鹽植物響應(yīng)過量離子的重要適應(yīng)性特征。通過減少細胞質(zhì)中Na+并增加K+，可以使植物獲得合適的細胞質(zhì)K+、Na+濃度比，從而防止細胞損傷和營養(yǎng)缺乏。減少細胞質(zhì)中Na+的機制包括限制Na+攝取、促進Na+外排和液泡中分隔Na+?；趯}超敏感基因(SOS)的發(fā)現(xiàn)，研究人員建立了一種離子脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。SOS1是Na+細胞質(zhì)-質(zhì)外體運輸?shù)年P(guān)鍵元件。SOS2和SOS3能調(diào)節(jié)SOS1的表達。在鹽脅迫下，SOS3-SOS2復(fù)合物正向調(diào)節(jié)液泡Na+/H+交換器NHX和H+-ATPase的活性[64]。NHX是一種潛在的Na+/H+交換器，它將Na+從細胞質(zhì)運輸至液泡，該過程由液泡H+-焦磷酸酶和H+-ATPase建立的H+梯度驅(qū)動[65]。

3.2 活性氧清除

氧氣作為植物生存不可缺少的物質(zhì)之一，參與新陳代謝、線粒體呼吸和氧化磷酸化以產(chǎn)生能量。然而，在代謝過程中，氧氣被激活為ROS。ROS具有較強的氧化能力，可引起細胞質(zhì)膜損傷、不可逆代謝功能障礙和細胞死亡。

超氧化物歧化酶(SOD)是植物抗氧化酶系統(tǒng)的第一道防線，能清除細胞內(nèi)多余的超氧化物陰離子。SOD能使O2歧化形成H2O2，消除超氧陰離子的毒性[66]。在高鹽脅迫下，植物中ROS的增加導(dǎo)致細胞膜中脂質(zhì)的過氧化。丙二醛(MDA)是植物膜脂過氧化的主要產(chǎn)物，其含量的變化能反映細胞膜受損的程度。因此，可以利用MDA的含量指示植物的鹽脅迫和耐鹽性[66](圖4)。

箭頭代表促進作用。圖4 植物響應(yīng)鹽脅迫的簡化模型Figure 4 Simplified model of plant in response to salt stress

4 總結(jié)與展望

目前，植物響應(yīng)非生物脅迫的分子機制已經(jīng)逐漸清晰(圖5)。近年來，研究者對主要非生物脅迫應(yīng)答過程中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達調(diào)控途徑開展大量的研究，許多激素和轉(zhuǎn)錄因子在植物抗逆中的作用也被揭示。但現(xiàn)階段的研究進展大多以未知轉(zhuǎn)錄因子的發(fā)現(xiàn)、基因結(jié)合位點的完善和生物化學(xué)水平的細節(jié)為主，新的研究方向、研究工具和研究實踐仍有待開發(fā)。

圖5 植物非生物脅迫響應(yīng)過程及舉例Figure 5 The response process of abiotic stress in plants and examples

多數(shù)脅迫信號的感知都與Ca2+內(nèi)流有關(guān)，但具體哪些調(diào)控因子參與感應(yīng)Ca2+，以及這些調(diào)控因子的調(diào)節(jié)方式還不夠清楚；雖然有研究表明，質(zhì)膜、ROS和細胞壁等能作為脅迫信號的傳感器，對它們的研究大多還停留在生物化學(xué)水平和未知蛋白方面。這些傳感器對信號的具體感知方式以及信號感知后，傳感器下游的信號通路還沒有明確。在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方面，MAPK、CDPK和SOS途徑已經(jīng)趨于完善，尤其是MAP、CDPKs和SOS這些激酶的連續(xù)激活過程和蛋白修飾方式；研究人員利用基因功能缺失或過表達植株，對大多數(shù)激酶的正/負向調(diào)控作用有了深刻認識；同時，大量研究表明，ABA等植物激素在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮非常重要的作用。然而，迄今為止的試驗僅集中在ABA和ETH中，研究人員對水楊酸(SA)和JA等的關(guān)注較少。雖然有證據(jù)表明，SA和JA等也參與信號傳遞，而且它們可能有獨立的調(diào)控途徑，但具體的機制還不了解。利用反向遺傳學(xué)手段，對非生物脅迫轉(zhuǎn)錄調(diào)控調(diào)節(jié)因子的探究非常有效，目前的研究已經(jīng)鑒定了大量的轉(zhuǎn)錄因子，它們與靶蛋白啟動子的順式作用元件結(jié)合，激活特異基因的表達。研究人員在擬南芥和水稻等模式植物中，對這些轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點及其與靶基因啟動子的結(jié)合方式作出了詳細的解析。然而，涉及多個轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同激活抗逆信號，仍有很大的研究空間?？偟膩碚f，想要揭示植物非生物脅迫響應(yīng)的機理，在分子水平上還需綜合利用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等研究方法。在細胞學(xué)層面，隨著顯微鏡技術(shù)的快速發(fā)展，利用冷凍透射電鏡、高分辨率熒光顯微鏡等，觀察植物細胞膜、細胞器和細胞骨架的變化，有助于更好地理清和解析有關(guān)非生物脅迫響應(yīng)的線索。

由于全球氣候變化的影響，各地區(qū)作物遭受環(huán)境脅迫的事件愈演愈烈，持續(xù)時間越來越長，作物產(chǎn)量和品質(zhì)受到嚴重影響。不斷增長的人口、有限的耕地面積和退化的土壤條件已經(jīng)成為限制我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。因此，當(dāng)務(wù)之急是將非生物脅迫響應(yīng)機制的研究引入作物體系。要實現(xiàn)增強作物對環(huán)境脅迫的抗性，目前還有諸多問題需要解決。其一，多數(shù)實驗室使用水稻、番茄和擬南芥等作為研究材料，利用它們是模式植物的優(yōu)勢，能更加高效地開展試驗。然而，溫室條件和控制變量等研究環(huán)境或分析方法會忽略生物脅迫和非生物脅迫以及不同非生物脅迫之間的相互作用。例如，大田水稻長期處于高溫、干旱和高鹽逆境下，環(huán)境因子對作物生長和發(fā)育的限制具有多元性。作物所處的環(huán)境具有多變性，不同發(fā)育時期的逆境也并非一成不變。因此，探索植物對環(huán)境變化的精準識別和協(xié)同應(yīng)答顯得尤為重要。其二，作物在生長和發(fā)育的同時，還要適應(yīng)極端環(huán)境。在異常氣候下，作物常常受到非連續(xù)性逆境脅迫的影響，這些脅迫在不同生長時期都會出現(xiàn)，植物往往快速響應(yīng)逆境并恢復(fù)生長。目前，還缺乏對植物平衡生長和抗逆的理論研究。最后，相比作物病蟲害抗性種質(zhì)資源，逆境適應(yīng)性種質(zhì)資源的獲取顯得尤為緩慢。主要作物響應(yīng)逆境涉及多基因復(fù)雜性狀位點的調(diào)控。同時，由于作物的育種年限較長，不確定性因素較多，它們的育種效率被嚴重限制。因此，還需綜合運用基因組學(xué)、代謝組學(xué)和表觀組學(xué)等組學(xué)研究手段，引入單倍體育種和基因編輯等新興技術(shù)，以提高遺傳位點選擇的準確性，加快逆境適應(yīng)性種質(zhì)資源的培育效率。