吳宇欣, 蔡昌楊, 唐詩蓓, 謝裕紅, 王曉艷, 朱 強

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福建福州 350000; 2.福建省將樂縣林業(yè)局,福建將樂 353300;3. 福建省三明市林業(yè)科技推廣中心,福建三明 353000)

植物在生長過程中,經(jīng)常會受到多種非生物脅迫的影響,例如冷、熱、干旱、重金屬和鹽脅迫等;這些非生物脅迫會限制植物的地理分布范圍并降低其生產(chǎn)力[1]。低溫脅迫對植物影響巨大,會破壞植物的質(zhì)膜結(jié)構(gòu),降低植物光合作用能力,過量累積活性氧(ROS),使植物的生長發(fā)育出現(xiàn)遲緩甚至停滯等現(xiàn)象[2-4]。

在漫長的演變進化過程中,植物形成了一系列復(fù)雜高效的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機制,來應(yīng)對低溫帶來的威脅。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,植物應(yīng)對寒冷脅迫的機制已逐漸明晰[5]。在生理生化水平上,植物生成了可溶性糖、脯氨酸、多胺類化合物等一系列滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),來穩(wěn)定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和清除活性氧[6-7]。另外,大量蛋白激酶和轉(zhuǎn)錄因子在冷應(yīng)激信號通路中發(fā)揮著作用[8-9]。CBF/DREB1(C-Repeat Binding Factor/Dehydration-Responsive Element-Binding Protein 1)是其中最關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因子[10]。在冷脅迫下,CBF基因受上游的ICE1(Inducer of CBF Expression 1)誘導(dǎo)而大量表達,催化冷調(diào)節(jié)(COR)基因表達來調(diào)節(jié)冷應(yīng)激[11]。與CBF(C-Repeat Binding Factor)依賴型信號途徑相比,非CBF依賴型信號途徑也發(fā)揮著重要作用。例如,sfr6(sensitivetofreezing6)基因在不誘導(dǎo)CBF基因的情況下,直接調(diào)控下游COR基因的表達[12]。同時,冷脅迫相關(guān)基因在轉(zhuǎn)錄、翻譯和翻譯后修飾方面也發(fā)揮著關(guān)鍵作用[13]。本文對近年來植物響應(yīng)低溫脅迫調(diào)控機制的相關(guān)研究進行綜述,并概述目前利用基因工程手段提高經(jīng)濟作物抗寒性的研究進展,以期為更深入地研究植物低溫脅迫響應(yīng)機制提供理論基礎(chǔ),并為培育抗寒能力優(yōu)秀的新品種奠定一定基礎(chǔ)。

1 植物對低溫脅迫的生理生化響應(yīng)

1.1 冷馴化現(xiàn)象

低溫脅迫包括冷害(0～20 ℃)和凍害(<0 ℃),對植物的正常生長發(fā)育具有不良影響[14]。冷害是熱帶及亞熱帶地區(qū)植物遭遇的主要脅迫方式,嚴(yán)重影響水稻、玉米、大豆等農(nóng)作物的生產(chǎn);而凍害則主要影響溫帶地區(qū)植物,對小麥、油菜等作物產(chǎn)生不利影響[15]。為了應(yīng)對低溫脅迫帶來的不良影響,一些物種在不良環(huán)境中逐漸提高自身的耐凍能力,這種現(xiàn)象被稱為冷馴化[15]。植物在冷馴化過程中,會重新調(diào)節(jié)光合作用過程和碳水化合物代謝途徑,對轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)進行重新調(diào)控,修復(fù)細(xì)胞損傷或死亡造成的失衡[16]。同時,植物體內(nèi)生成一些關(guān)鍵的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),例如可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白、多胺類化合物等,用來抵抗脫水現(xiàn)象并減少冷應(yīng)激對細(xì)胞的損害[17-21]。過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)等一些抗氧化物酶也在植物體內(nèi)大量累積,以減輕活性氧(ROS)引起的過氧化損傷[19,22]。此外,植物也通過調(diào)節(jié)一些激素代謝途徑,例如增加赤霉素、細(xì)胞分裂素、生長素、茉莉酸等一些激素的水平,來增強植物對非生物脅迫的耐受性[23-24]。

1.2 低溫對植物的生理影響

植物在受到低溫脅迫后,其體內(nèi)的各項生理生化指標(biāo)和細(xì)胞器形態(tài)會發(fā)生很大改變[25]。在低溫脅迫下,植物許多細(xì)胞的生理生化功能會隨著細(xì)胞膜及脂質(zhì)的變化而變化,如細(xì)胞內(nèi)離子的泄露、氨基酸的流失、各種細(xì)胞成分的結(jié)構(gòu)變化,最終會導(dǎo)致植物壞死或死亡[26]。

首先,遭受低溫影響時,植物的表型會發(fā)生改變。當(dāng)植物受到低溫脅迫時,氣孔開始閉合,致使CO2滯留在氣孔腔中,無法與外界進行交換,從而影響光合作用的進行;同時,參與蔗糖和淀粉生物合成的某些關(guān)鍵酶受到損傷,例如核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBisCO)發(fā)生失活,直接抑制線性電子傳輸并限制光合產(chǎn)物的數(shù)量[27]。此外,低溫直接影響葉綠體的結(jié)構(gòu)、功能和發(fā)育。當(dāng)植物暴露在低溫下時,參與卡爾文循環(huán)(Calvin Cycle)的2種關(guān)鍵酶景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶(SBPase)、果糖-1,6-二磷酸酶(FBPase)的活性明顯降低[3]。這些結(jié)果說明,低溫通過影響植物的呼吸作用和化合反應(yīng)中關(guān)鍵酶的合成,使植物的光合作用受到限制,最終導(dǎo)致植物生長發(fā)育緩慢,植株矮化,葉片萎蔫,根系生長受損,作物結(jié)實率低,產(chǎn)量下降。

其次,受低溫脅迫影響期間,植物細(xì)胞中可溶性糖的水平會有所增加?？扇苄蕴窃谥参矬w內(nèi)起滲透保護劑的作用,當(dāng)其在細(xì)胞中積累時,滲透濃度增加,致使低溫引起的細(xì)胞收縮效應(yīng)減輕,從而起到保護細(xì)胞膜免受脫水和冷凍損害的作用[28]。在滲透調(diào)節(jié)方面,脯氨酸也發(fā)揮了重要作用。脯氨酸是一種在植物中廣泛存在的氨基酸,具有獨特的細(xì)胞功能,不僅參與植物的發(fā)育與代謝,還在防御和脅迫耐受性方面發(fā)揮重要作用[29]。植物處于低溫環(huán)境中會產(chǎn)生大量的脯氨酸,可以清除產(chǎn)生的過量氫離子(H+)以維持有氧呼吸的平衡,并穩(wěn)定多聚核糖體來提高蛋白質(zhì)的親和性,進而提高植物抵御不良環(huán)境的能力[30]?？傊?這些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)通過維持細(xì)胞內(nèi)滲透水平的平衡,來抵抗低溫脅迫帶來的不良影響。

最后,低溫脅迫會導(dǎo)致植物細(xì)胞膜的損壞。低溫環(huán)境中,植物組織中開始形成冰晶[34]。首先是細(xì)胞外空間開始結(jié)冰導(dǎo)致滲透壓下降,進而使細(xì)胞脫水,最終導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)異變和電解質(zhì)泄漏增加[35]。隨著低溫的持續(xù)刺激,細(xì)胞最終破裂,細(xì)胞質(zhì)流出體外,細(xì)胞質(zhì)膜損傷,最終導(dǎo)致植物死亡。

2 植物低溫脅迫響應(yīng)的分子機制研究

在長期的生長發(fā)育過程中,植物進化出一系列復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機制來應(yīng)對低溫脅迫,主要包括CBF依賴型信號途徑和非CBF依賴型信號途徑。

2.1 CBF依賴型機制

目前,已有大量研究探索了植物對寒冷的調(diào)節(jié)機制。其中,CBF途徑是植物應(yīng)對低溫脅迫最關(guān)鍵的調(diào)控途徑[36]。而ICE1(Inducer of CBF Expression 1)-CBF(C-Repeat Binding Factor)-COR(Cold Regulated)信號級聯(lián)通路,是當(dāng)中最重要的低溫信號通路[37]。在低溫脅迫條件下,轉(zhuǎn)錄因子ICE1與CBF基因的啟動子區(qū)域結(jié)合,激活CBFs的表達,被激活后的CBFs進一步激活下游COR基因的表達,以此增強植物的抗寒性[38]。

2.1.1 ICE1-CBF-COR調(diào)控途徑 調(diào)節(jié)低溫脅迫信號最典型的轉(zhuǎn)錄因子是C重復(fù)結(jié)合因子/脫水響應(yīng)元件結(jié)合蛋白(C-Repeat Binding Factors/Dehydration Responsive Element Binding Protein,CBF/DREB),它屬于在植物生長發(fā)育及非生物脅迫反應(yīng)方面發(fā)揮作用的AP2/ERF超蛋白家族ERF家族中的一個亞家族,僅包含1個AP2結(jié)構(gòu)域[39]。其成員CBF1、CBF2、CBF3(DREB1B、DREB1C、DREB1A)已被證實參與低溫脅迫反應(yīng)過程,當(dāng)植物處于低溫條件下能夠在短時間內(nèi)被誘導(dǎo)[40]。研究證明,3種CBF蛋白有著非常高(86%)的序列相似性,雖然都是受冷響應(yīng)的誘導(dǎo),但這3種CBF蛋白還存在著功能冗余[41]。CBF1、CBF3蛋白在功能上更相似,而CBF2蛋白在表達模式上相較于其他2個CBF有所不同。在發(fā)育早期,CBF1、CBF3會在植物的根、下胚軸、子葉中特異性表達;而CBF2則是在下胚軸、子葉中表達,在根中無法表達[42]。有研究證明,在CBF2突變體中,CBF1、CBF3基因的表達量增加,表現(xiàn)出對冷凍的耐受性增加,這表明CBF2是CBF1、CBF3表達的負(fù)調(diào)節(jié)因子[43]。

CBF基因通過其AP2/ERF DNA結(jié)合域,與下游靶基因啟動子中存在的CRT/DRE順式元件(A/GCCGAC)結(jié)合,并激活下游COR基因的轉(zhuǎn)錄以增加耐寒性[44]。冷調(diào)節(jié)(COR)基因在受到調(diào)節(jié)后,會生成一些抗凍多肽、轉(zhuǎn)錄因子、蛋白激酶、與胚胎發(fā)生和脂質(zhì)代謝相關(guān)的蛋白質(zhì)以及與激素反應(yīng)和細(xì)胞壁修飾有關(guān)的蛋白質(zhì)等,這些產(chǎn)物可以幫助植物在低溫脅迫下穩(wěn)定細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu),從而增強其耐寒性[45]。

在冷響應(yīng)級聯(lián)通路的上游,存在bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族的成員ICE1(Inducer of CBF Expression 1),它是一種MYC型堿性螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)錄因子,在C端含有保守的bHLH結(jié)合結(jié)構(gòu)域,用以與下游的CBF3/DREB1A啟動子中的典型MYC順式元件(CANNTG)結(jié)合,正向誘導(dǎo)CBF3/DREB1A調(diào)節(jié)子的表達,而CBF1、CBF2基本上不受影響[46]。而ICE1的同源物ICE2與ICE1在序列上有高度一致性,編碼相同的bHLH結(jié)構(gòu)域序列。ICE1、ICE2均為氣孔形成的主要調(diào)節(jié)因子,并且在調(diào)節(jié)冷反應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用[47]。目前研究表明,ICE1、ICE2存在著功能冗余,在誘導(dǎo)CBF基因方面具有不同的方式。ICE1、ICE2通過誘導(dǎo)CBF2來分別調(diào)節(jié)CBF3、CBF1的表達,降低植物的冷凍耐受性[48]。

2.1.2CBF轉(zhuǎn)錄調(diào)控的正調(diào)控作用 低溫脅迫響應(yīng)過程涉及一系列轉(zhuǎn)錄途徑,一些組成型表達的轉(zhuǎn)錄因子能夠在對寒冷的反應(yīng)中被激活表達。試驗證明,這些轉(zhuǎn)錄因子會正向誘導(dǎo)下游CBF基因的轉(zhuǎn)錄。例如,ICE1是CBFs的正調(diào)節(jié)因子,它能夠與下游基因CBF3啟動子中的MYC識別位點結(jié)合,來調(diào)控CBF3表達。ice1突變體中CBF3的表達能力降低,與野生型相比,該突變體耐寒性大大降低,不能進行冷馴化[46]。過表達ICE1則大大提高了CBF1、CBF2、CBF3、COR基因的表達,增強了植物的抗凍性[49]。參與信號傳導(dǎo)的鈣調(diào)蛋白結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活因子(CAMTA)的轉(zhuǎn)錄因子家族也是CBF的正調(diào)控因子,會對溫度快速下降做出反應(yīng)[13]。其具有一個特異性DNA結(jié)合活性的CG-1結(jié)構(gòu)域,能夠正向調(diào)節(jié)CBF2啟動子中的CM2元件,強烈誘導(dǎo)CBF1、CBF2的表達[50]。油菜素唑耐受因子1(Brassina-Zole-Resistant1,BZR1)是油菜類固醇信號通路中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,與靶基因啟動子中的BRRE(CGTGT/CG)和E-box(CACGTG和CACTTG)基序結(jié)合,促進CBFs、WRKY6、WRKY54以及脫落酸(ABA)受體PYL6等編碼基因的表達,正向調(diào)控植物的耐寒性[51]。同時,BZR1的蛋白質(zhì)水平和磷酸化狀態(tài)依賴油菜素內(nèi)脂(BR)信號傳導(dǎo)中上游的GSK3樣激酶BIN2(BR-Insensitive 2)的影響,在沒有BRs的情況下,具有活性的BIN2磷酸化BZR1并促進其降解,增加植物的冷凍敏感性[52]。

2.1.3CBF轉(zhuǎn)錄調(diào)控的負(fù)調(diào)控作用 除了正向調(diào)控以外,信號通路中還存在多個降低植物抗凍性的CBFs負(fù)調(diào)節(jié)因子。MYB轉(zhuǎn)錄因子家族成員MYB15被證實能夠與ICE1發(fā)生作用,并與CBF啟動子元件結(jié)合。在冷脅迫下,MYB15表達上調(diào),過表達MYB15顯示CBF基因轉(zhuǎn)錄水平降低,而在MYB15突變體中顯示CBF3、CBF1、CBF2水平增加,表明MYB15參與了CBF基因的冷調(diào)節(jié)過程,降低了植物的低溫脅迫耐受性[53]。C2H2鋅指蛋白基因ZAT12(ZincFingerTranscriptionFactor12)通過抑制15個冷響應(yīng)基因和激活9個冷響應(yīng)基因的表達,來調(diào)節(jié)冷馴化。ZAT12還下調(diào)CBFs基因的表達,表明它在植物適應(yīng)低溫脅迫中起負(fù)調(diào)控作用[54]。乙烯信號通路中的轉(zhuǎn)錄因子EIN3(Ethylene-Insensitive3)會對耐寒性產(chǎn)生負(fù)面影響。EIN3蛋白與CBF3啟動子中特定的結(jié)合基序結(jié)合,阻止其轉(zhuǎn)錄,同時細(xì)胞分裂素信號通路中的A型調(diào)節(jié)因子ARR5、ARR7、ARR15被證實是EIN3的下游靶基因。在過表達EIN3的轉(zhuǎn)基因植物中,ARR5、ARR7、ARR15的轉(zhuǎn)錄和蛋白穩(wěn)定性受到明顯抑制,說明EIN3通過聯(lián)合乙烯和細(xì)胞分裂素信號傳導(dǎo)途徑,在冷應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮拮抗作用[55]。

2.2 非CBF依賴型機制

CBF及其靶基因?qū)τ诶涿{迫信號至關(guān)重要,但仍然發(fā)現(xiàn)有一些基因是不依賴CBF途徑的,它們功能的增加或缺失不會影響CBF基因功能的表達,但會使植物的抗凍能力升高或下降。例如,HY5(ElongatedHypocotyl5)是一種參與光信號傳導(dǎo)的bZIP類轉(zhuǎn)錄因子,當(dāng)受到低溫脅迫影響時,E3泛素連接酶COP1(Constitutively Photomorphogenic 1)促進HY5的穩(wěn)定表達,通過非CBF依賴型途徑正向調(diào)節(jié)下游COR基因的表達[56]。SFR6(SensitivetoFreezing6)基因被證實通過CRT/DRE啟動子序列基序調(diào)節(jié)下游的COR基因;在冷凍敏感突變體sfr6中,COR基因包括KIN1/2、LTI78、COR15A等的表達水平顯著降低[12];而在sfr6突變體中,CBF1、CBF2、CBF3的冷誘導(dǎo)表達則不受影響[57]。HOS9(HighExpressionofOsmoticallyResponsiveGene9)作為一種組成表達的基因,通過冷誘導(dǎo)表達,會使RD29A和其他一些COR基因的轉(zhuǎn)錄水平明顯高于野生型;而在突變體hos9-1中,CBF轉(zhuǎn)錄因子基因的表達沒有受到影響,卻仍表現(xiàn)出冷凍應(yīng)激的敏感性[58]。

2.3 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控

低溫脅迫在植物中誘導(dǎo)廣泛的轉(zhuǎn)錄后和翻譯后修飾(PTM),對生成mRNA的質(zhì)量和數(shù)量造成影響,使基因功能發(fā)生改變,最終影響植物的低溫脅迫耐受性。轉(zhuǎn)錄后調(diào)控在冷馴化過程中起著至關(guān)重要的作用。例如,STA1(Stabilized1)作為mRNA前體的剪接因子,參與mRNA的剪切以去除內(nèi)含子,使基因得以正常表達。而sta1-1突變體在冷誘導(dǎo)COR15A基因的剪接中存在缺陷,使得COR15A基因無法正常表達,降低了植物的耐寒性,這說明STA1的表達對植物的耐寒性起著關(guān)鍵作用[59]。核孔蛋白NUP160(Nucleoporin 160)在控制RNA核胞質(zhì)轉(zhuǎn)運中發(fā)揮重要作用。擬南芥nup160突變體中CBF3的表達受到抑制,并且破壞細(xì)胞核的mRNA輸送過程,說明NUP160在植物生長、開花時間調(diào)節(jié)和低溫脅迫耐受性中起重要作用[60]。滲透反應(yīng)因子LOS4(Low expression of osmotically responsive gene 4)編碼DEAD-box RNA 解旋酶,該解旋酶參與RNA的代謝過程,LOS4突變體會負(fù)向調(diào)控CBFs表達,降低RD29A和其他COR基因的表達,從而負(fù)調(diào)節(jié)植物的抗寒性,說明LOS4是CBF基因的正調(diào)節(jié)因子,并且在基因調(diào)控和植物耐寒性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[61]。

2.4 翻譯后調(diào)控

在翻譯后修飾(PTM)過程中,幾個基因與ICE、CBF、COR基因相互作用,以改變其活性、構(gòu)象、定位和穩(wěn)定性。磷酸化、泛素化和SUMO偶聯(lián)是植物調(diào)節(jié)低溫脅迫反應(yīng)途徑的主要PTM[62]。植物受到冷脅迫時,ICE1受到翻譯后修飾,進而影響CBF或其他下游基因的表達。

2.4.1 磷酸化修飾 磷酸化在植物冷適應(yīng)中起重要作用,是一種可逆的蛋白質(zhì)修飾,對激酶和磷酸酶具有高度依賴性[11]。最常見的磷酸酶OST1(Open Stomata 1)/SnRK2.6/SRK2E是 ABA 信號傳導(dǎo)中的絲氨酸/蘇氨酸 (Ser/Thr)蛋白激酶,可以磷酸化ICE1基因,幫助其增加轉(zhuǎn)錄穩(wěn)定性。同時,OST1蛋白還通過干擾HOS1蛋白與ICE1蛋白的結(jié)合,來抑制HOS1介導(dǎo)的ICE1降解,雙重作用下增強CBF基因的活性,來緩解冷應(yīng)激效應(yīng)[63]。除OST1外,絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-Activated Protein Kinase,MAPK)級聯(lián)也通過磷酸化作用參與植物低溫脅迫反應(yīng)。MAPK是一組能被細(xì)胞因子、神經(jīng)遞質(zhì)、激素、細(xì)胞應(yīng)激及細(xì)胞黏附等細(xì)胞外刺激激活的絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶。其級聯(lián)過程由MAPK激酶激酶(MAP Kinase Kinase Kinase,MAPKKK)、MAPK激酶(MAP Kinase Kinase,MAPKK)和MAPK組成[64]。在植物感知外界信號刺激后,首先MAPKKKs磷酸化并激活MAPKKs,激活的MAPKKs隨后磷酸化MAPKs,最后活化的MAPKs磷酸化特定的下游底物,如轉(zhuǎn)錄因子、激酶或其他酶等,共同調(diào)控植物的生長和發(fā)育、生物和非生物脅迫反應(yīng)以及植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等過程[65]。響應(yīng)寒冷的級聯(lián)包括MEKK1、MKK2、MPK4和(或)MPK6激酶[66]。受到冷脅迫后MEKK1被上調(diào),MEKK1激活下游的MKK2,MKK2的直接下游靶標(biāo)MPK4被MKK2特異性磷酸化和激活,同時MPK3、MPK6也因冷處理而被激活[67]?；罨腗PK3/MPK6級聯(lián)通路通過在Ser94、Thr366、Ser403位點處磷酸化而促進ICE1的降解,從而減少CBF基因的轉(zhuǎn)錄來實現(xiàn)負(fù)調(diào)控,而MEKK1-MKK2-MPK4級聯(lián)則是正向調(diào)節(jié)冷反應(yīng),并會對MPK3、MPK6激酶活性造成抑制[68]。

2.4.2 泛素化和SUMO化修飾 泛素化是指泛素分子在一系列特異性酶作用下,將細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)進行分類,選中特定的靶蛋白,對其進行特異性修飾的過程[69]。泛素化修飾涉及泛素激活酶E1、泛素結(jié)合酶E2、泛素連接酶E3所連接的一系列酶促反應(yīng)。其中,E3-泛素連接酶通過與靶分子相互作用并為泛素化反應(yīng)提供支架而起最重要的作用[70]。HOS1(High Expression of Osmotically Responsive Gene 1)是一種功能性無名指蛋白,具有泛素E3連接酶活性,包含一個變異型RING指結(jié)構(gòu)域,靶向ICE1進行泛素化介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解,負(fù)調(diào)控CBF的表達,最終降低植物的耐寒性[71]。

另外一種蛋白翻譯后的修飾方式為SUMO化修飾。SUMO分子通過在E1活化酶、E2結(jié)合酶、E3連接酶級聯(lián)與靶蛋白偶聯(lián),調(diào)控靶蛋白的結(jié)構(gòu)與功能[72]。而SUMO修飾蛋白SENPs與SUMO分子共同調(diào)節(jié)受體蛋白的SUMO化狀態(tài),特異性地對底物蛋白進行去SUMO化修飾,進而改變細(xì)胞功能[73]。目前,SUMO化修飾在控制細(xì)胞周期、維持基因組完整性、控制亞細(xì)胞運輸和調(diào)控轉(zhuǎn)錄機制等方面發(fā)揮著重要作用[74]。SIZ1(SUMO ligase)是一種SUMO E3連接酶,介導(dǎo)與ICE1的偶聯(lián),在低溫下增強ICE1的穩(wěn)定性,有助于誘導(dǎo)CBF3/DREB1A的表達,正向調(diào)節(jié)植物的耐寒性[75]。

基于以上對植物響應(yīng)低溫脅迫信號相關(guān)研究進行的綜述,歸納出植物響應(yīng)低溫脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的分子機制模式圖(圖1)。

3 利用基因工程改良植物抗冷性的相關(guān)研究進展

受溫室效應(yīng)的影響,極端天氣頻頻發(fā)生。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,農(nóng)林類作物常常遭受低溫侵襲,生理發(fā)育過程遭到破壞,作物生長不良,最終造成結(jié)實率低、產(chǎn)量下降甚至植株死亡。隨著全球人口的不斷增加,人們對各種作物產(chǎn)品特別是糧食的需求越來越大[78]。利用基因工程手段改良植物的抗逆性,并培育抗寒能力優(yōu)越的品種,收獲更多的作物產(chǎn)量,對農(nóng)業(yè)發(fā)展及社會經(jīng)濟增長具有重要意義。

研究表明,在水稻中過表達bZIP73、bZIP71,二者形成異二聚體,可以抑制ABA生物合成,促進從花藥到花粉的可溶性糖轉(zhuǎn)運,從而提高水稻在生育期的抗寒性,最終提高結(jié)實率和籽粒產(chǎn)量[79]。過表達DREB1A的轉(zhuǎn)基因水稻,可以增加脯氨酸和各種糖類等滲透保護劑的含量,提高水稻對干旱、高鹽、低溫脅迫的耐受性[80]。水稻中表達R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子家族中的OsMYB2則增強植物對鹽、低溫、脫水脅迫的耐受性,并提高種子萌發(fā)率,積累更多的可溶性糖和游離脯氨酸,以促進滲透調(diào)節(jié),提高水稻抗寒性[81]。過表達NAC轉(zhuǎn)錄因子家族成員SNAC2基因,則可以幫助水稻增強細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,提高對滲透脅迫的耐受性,并生成一系列過氧化物酶、鳥氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、賴氨酸酮戊二酸還原酶、重金屬相關(guān)蛋白、鈉/氫交換劑、熱休克蛋白、GDSL樣脂肪酶等產(chǎn)物,最終使植株出現(xiàn)對寒冷、鹽、脫水脅迫耐受性顯著提高的表型[82]。研究表明,核小GTP酶RAN2在植物體內(nèi)主要起介導(dǎo)細(xì)胞核中GTP和細(xì)胞質(zhì)中GDP交換的作用,因此在水稻中過表達RAN2基因,可以促進植物細(xì)胞核內(nèi)微管蛋白的正常輸出,從而維持穩(wěn)定的細(xì)胞分裂,最終提高水稻的抗寒性[83]。

研究表明,在玉米中過表達ZmbZIP4,與野生型相比,轉(zhuǎn)基因植物的側(cè)根數(shù)量明顯增加,植物的主根變得更長,其根系得到改善,并且生成了許多應(yīng)激反應(yīng)基因和脫落酸合成相關(guān)基因來增加植物抵抗非生物脅迫的能力[84]。過表達ZmMYB31基因則提高了玉米體內(nèi)相關(guān)冷應(yīng)激基因的表達,并且降低了在冷脅迫中造成的離子外滲、ROS含量、低溫光抑制現(xiàn)象,從而在寒冷和過氧化物脅迫中發(fā)揮正向調(diào)控作用[85]。ZmICE1基因能夠抑制Glu/Asn生物合成基因天冬酰胺合成酶的表達,來減少ROS的產(chǎn)生,并可以直接調(diào)控DREB1的表達,且ZmICE1啟動子與正調(diào)節(jié)因子ZmMYB39結(jié)合,均可顯著增加玉米的抗寒性;過表達ZmICE1對玉米產(chǎn)量相關(guān)性狀沒有明顯的負(fù)面影響,表明過表達ZmICE1基因既可培育耐寒玉米新品種,又不會對玉米產(chǎn)量造成影響[86]。

有關(guān)轉(zhuǎn)基因小麥和大麥的研究進展表明,從小麥的HD-ZipⅠ基因中克隆出HDZI-3、HDZI-4啟動子,成功優(yōu)化轉(zhuǎn)基因小麥和大麥中TaCBF5L、TaDREB3基因在非生物脅迫下的表達,可以提高轉(zhuǎn)基因植物的抗寒性,并減少轉(zhuǎn)基因?qū)χ参锇l(fā)育和籽粒產(chǎn)量的負(fù)面影響[87]?？寺〕鏊镜腤RKY71基因啟動子和小麥的Cor39基因啟動子優(yōu)化TaDREB3的表達,構(gòu)建大麥轉(zhuǎn)基因株系;與野生型相比,過表達TaDREB3明顯提高了大麥的抗凍性,并提高了冷響應(yīng)基因的表達量,同時沒有對植物特性和籽粒產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響[88]。從小麥中分離出DREB/CBF基因TaRAP2.1L,作為一種脅迫響應(yīng)型轉(zhuǎn)錄抑制因子,生成的TaRAP2.1L突變體植株可以激活DREB/CBF下游基因的表達,從而增強小麥抗凍和抗干旱能力,同時沒有對小麥的生長和生產(chǎn)造成負(fù)面影響[89]。

在番茄中過表達冷調(diào)節(jié)基因LeCOR413PM2(Cold-Regulated413-PlasmaMembrane2),可減輕植物細(xì)胞膜的損傷,降低植物體內(nèi)ROS的積累和PSⅡ的光抑制現(xiàn)象,而且可以維持體內(nèi)抗氧化酶的高活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量,從而提高轉(zhuǎn)基因番茄植株的耐寒性[90]。HY5-MYB15-CBFs轉(zhuǎn)錄級聯(lián)反應(yīng)已被研究證實在番茄的冷反應(yīng)中起重要作用,當(dāng)在番茄中過表達HY5或MYB15基因時,均能激活CBF1、CBF2、CBF3的表達,從而增強番茄作物的耐寒性[91]。在番茄中過表達油菜類固醇受體SlBRI1(BrassinosteroidInsensitive1),則可以降低MDA、ROS的積累,提高SOD、POD、CAT的活性。并且在過表達SlBRI1的轉(zhuǎn)基因植株中,ICE1、CBFs相關(guān)基因表達量明顯增高,說明SlBRI1通過影響ICE1-CBF-COR途徑的轉(zhuǎn)錄水平,并正向影響ROS清除系統(tǒng)、光系統(tǒng)的光抑制以及植物激素的生物合成和信號傳導(dǎo),來增加番茄對寒冷壓力的耐受性[92]。而在番茄中過表達SlDREB3,可以幫助番茄在冷應(yīng)激下減輕ROS積累和因冷凍引起的細(xì)胞損傷,與此同時,還可通過激活SlLEA基因的表達,提高轉(zhuǎn)基因品系對低溫脅迫的耐受性[93]。

4 總結(jié)與展望

低溫脅迫作為一種主要的非生物脅迫,對植物影響巨大,是影響全球農(nóng)林作物生長及生產(chǎn)的主要因素之一;對相關(guān)農(nóng)作物進行耐低溫能力研究,對于糧食生產(chǎn)及社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。到目前為止,植物的耐寒機制研究已經(jīng)取得重大突破,其中ICE1-CBF-COR信號級聯(lián)通路在植物抗寒方面起著至關(guān)重要的作用。本綜述總結(jié)了植物在耐寒性方面所發(fā)揮的多重調(diào)控作用,包括CBF依賴型信號途徑和非CBF依賴型信號途徑,并著重介紹了關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子CBF在植物感知低溫信號過程中發(fā)揮的功能及其依賴于CBF信號通路對于植物平衡生長、發(fā)育和對低溫脅迫響應(yīng)方面的所發(fā)揮的作用。目前,基因工程技術(shù)已廣泛應(yīng)用于改良植物性狀,將外源基因通過轉(zhuǎn)化插入植物的基因組中,定向改變植物的功能性狀,同時克服了傳統(tǒng)育種的周期長、效率低等弊端[94]。本文歸納了多個農(nóng)業(yè)作物物種(水稻、小麥、番茄等)利用基因工程技術(shù)在抗寒性方面已經(jīng)取得的成就,旨在為今后改良植物抗性研究提供一定基礎(chǔ)。

由于低溫脅迫影響植物從體外到細(xì)胞的各個方面,形成了錯綜復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò),需要從細(xì)胞、蛋白、代謝等水平對其進行研究,因此仍需要進一步研究揭示冷馴化過程中植物通過感知環(huán)境變化來調(diào)整自身發(fā)育的機制。隨著溫室效應(yīng)的逐年增強,極端環(huán)境出現(xiàn)的頻率越來越高,因此對植物進行更多的抗寒性研究,提高植物抗寒冷的能力,進而培育出抗凍能力優(yōu)越的植物新品種和種質(zhì)資源,仍具有非常重要的意義。