植物低溫脅迫下的逆境耐受機(jī)制綜述

張慧仙+李科

摘 要：低溫脅迫是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育及作物產(chǎn)量最主要的逆境脅迫之一，發(fā)展低溫脅迫耐受植物是十分重要的。通常低溫會(huì)導(dǎo)致植物機(jī)械損傷，在膜水平上的信號(hào)受體是接受脅迫信號(hào)的第一步，之后把信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)入細(xì)胞，影響脅迫應(yīng)答基因，以調(diào)控對(duì)逆境的耐受性。了解在眾多基因中的逆境耐受機(jī)制，包括逆境脅迫的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于作物產(chǎn)量的提高是非常重要的。

關(guān)鍵詞：植物低溫脅迫；鈣離子；基因調(diào)控；綜述

中圖分類號(hào) Q945 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2014）18-19-03

1 引言

植物生長(zhǎng)發(fā)育及作物產(chǎn)量都受大自然的影響，影響形式包括各種各樣的逆境脅迫和生物災(zāi)害因素。事實(shí)上，世界上糧食減產(chǎn)的主要原因之一就是逆境脅迫，對(duì)大多數(shù)主要的農(nóng)作物來(lái)說(shuō)，因?yàn)樵撘蛩販p產(chǎn)超過(guò)50%[1]，因逆境脅迫每年導(dǎo)致糧食減產(chǎn)和作物死亡造成的損失近億美元，這些脅迫威脅著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)逆境脅迫，多種能夠緩和脅迫的影響并能使細(xì)胞和植物對(duì)逆境脅迫耐受的基因已被研究。在自然界中，脅迫并不全是來(lái)自于突變，許多脅迫都是互相影響的，大自然為了響應(yīng)這些互相交叉的脅迫信號(hào)，演化出對(duì)逆境脅迫的多種抵抗和耐受途徑，通過(guò)這些途徑的相互作用，減輕了脅迫帶來(lái)的傷害。

在自然界中，脅迫的定義是單位面積對(duì)某一目標(biāo)物體施加的機(jī)械傷害。受到脅迫后，目標(biāo)物體會(huì)在面積上有所改變，通常也被稱為皺縮。由于植物無(wú)法移動(dòng)，所以很難準(zhǔn)確衡量脅迫對(duì)其造成的傷害，因此在生物層面很難定義脅迫。同一種生物環(huán)境，可能對(duì)一種植物來(lái)說(shuō)是脅迫環(huán)境，然而對(duì)另一種就是有利環(huán)境。生物學(xué)脅迫的普遍認(rèn)可的定義是指一種可以展現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的功能并且在生物系統(tǒng)（例如植物）中廣泛存在的不利的外力或環(huán)境條件[2]。

細(xì)胞由細(xì)胞膜使其與周圍的細(xì)胞外環(huán)境相分離的，這層膜只允許一些小分子的脂質(zhì)分子通過(guò)，例如類固醇激素，它可以通過(guò)細(xì)胞膜擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)基質(zhì)，而不允許水溶性物質(zhì)的通過(guò)，例如離子、蛋白質(zhì)以及其他生物大分子。細(xì)胞內(nèi)的變化主要是由細(xì)胞外物質(zhì)和膜載體蛋白的共同作用下起始的，包括生物的和非生物的多種脅迫信號(hào)。

多種脅迫響應(yīng)基因都可以廣義地分為早期和晚期誘導(dǎo)基因。早期誘導(dǎo)基因在接收脅迫信號(hào)之后的幾分鐘內(nèi)就有所反應(yīng)，并且表達(dá)量短期內(nèi)發(fā)生變化。早期誘導(dǎo)基因包括多種轉(zhuǎn)錄因子，因?yàn)檫@些基因的誘導(dǎo)不需要合成新的蛋白，并且信號(hào)組分已經(jīng)待命。相反的，其他對(duì)脅迫響應(yīng)較慢的基因（即在脅迫后數(shù)小時(shí)后才會(huì)有表達(dá)量變化）包含了后一種類型，這些基因包括了主要的脅迫響應(yīng)基因，例如RD（響應(yīng)脫水的基因）、KIN（低溫誘導(dǎo)基因）、COR（低溫響應(yīng)基因），這些基因編碼并調(diào)控了蛋白質(zhì)的合成，例如LEA類似蛋白（后期胚胎發(fā)生大量蛋白）、抗氧化物、穩(wěn)固細(xì)胞質(zhì)膜蛋白和滲透壓調(diào)節(jié)劑的合成。

2 低溫對(duì)植物生理方面的影響

每種植物都有其獨(dú)特的最適溫度，在最適溫度下對(duì)植物的生長(zhǎng)和繁殖都有積極的影響，對(duì)某種植物積極促進(jìn)生長(zhǎng)的一系列溫度條件，很可能對(duì)另一種植物是抑制生長(zhǎng)的。對(duì)于很多植物，尤其是那些適應(yīng)于溫暖環(huán)境的植物，當(dāng)它們處于低溫（非冰點(diǎn)溫度）時(shí)會(huì)出現(xiàn)凍傷的癥狀[3]。這些植物包括玉米（Zea mays），大豆（Glycine max），棉花（Gossypium hirsutum），西紅柿（Lycopersicon esculentum）和香蕉（Musa sp.），這些植物對(duì)于低于10～15℃的溫度十分敏感，并且會(huì)在低溫下出現(xiàn)可見(jiàn)的凍傷表征。對(duì)這類植物低溫脅迫的損傷癥狀在48～72h出現(xiàn)，然而對(duì)于低溫的耐受時(shí)間各種植物都是不同的，也取決于植物對(duì)低溫脅迫的敏感度。響應(yīng)低溫脅迫的不同癥狀表型包括葉片面積減小、萎蔫、黃化（葉子變黃），并且可能導(dǎo)致壞死（植物組織死亡）。寒冷也會(huì)嚴(yán)重妨礙植物的生殖生長(zhǎng)，例如，將開(kāi)花期（花苞即將開(kāi)放的時(shí)期）的水稻植株置于寒冷的溫度條件下將會(huì)導(dǎo)致花朵不育[4]。

低溫引起的主要的負(fù)面影響是導(dǎo)致細(xì)胞膜的嚴(yán)重?fù)p失[5-6]，由于寒冷伴隨著急性脫水，因而這種損傷是大范圍的。膜脂主要是由飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸2種構(gòu)成，不飽和脂肪酸包含一個(gè)或多個(gè)碳碳雙鍵（-CH=CH-），而飽和脂肪酸中碳原子全部被氫原子飽和（-CH2-CH2-）。眾所周知，由飽和脂肪酸組成的脂質(zhì)的凝固溫度要比不飽和脂肪酸構(gòu)成的脂質(zhì)的凝固點(diǎn)高，因此在細(xì)胞膜中的不飽和脂肪酸的相對(duì)比率對(duì)膜的流動(dòng)性影響很大[6]。細(xì)胞膜從半流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)榘刖w狀態(tài)的臨界溫度被稱為轉(zhuǎn)變溫度。對(duì)低溫敏感的植物通常都有較高的飽和脂肪酸含量，因而也有一個(gè)較高的轉(zhuǎn)變溫度。相對(duì)的，對(duì)低溫耐受的植物物種就明顯的有較高的不飽和脂肪酸的含量，對(duì)應(yīng)一個(gè)較低的轉(zhuǎn)變溫度。

許多農(nóng)作物依賴于其耐寒的能力，從而能夠成功地度過(guò)春末的冰點(diǎn)溫度和秋初的霜凍災(zāi)害，因而對(duì)低溫的耐受力對(duì)于農(nóng)作物的可持續(xù)發(fā)展是極其重要的。發(fā)展耐霜凍農(nóng)作物的關(guān)鍵在于了解低溫是如何對(duì)植物造成傷害的。低溫對(duì)植物引起的真正的傷害在于冰晶的形成，而不是低溫。值得一提的是，已經(jīng)脫水的組織，如種子和真菌孢子，都能在很低的溫度下存活，并且不會(huì)出現(xiàn)任何凍傷的癥狀，甚至冷凍保存已經(jīng)成為一種常用的保存種子及其他生物活性材料的方法，而這一方法正是基于水分揮發(fā)后就不會(huì)有冰晶形成的事實(shí)。

植物中冰晶的形成始于細(xì)胞質(zhì)空間，因?yàn)樗哂邢鄬?duì)低的溶質(zhì)濃度。由于在任何溫度下冰晶的蒸汽壓力都要比液體水的低很多，在細(xì)胞質(zhì)空間形成的冰晶都會(huì)在細(xì)胞質(zhì)和周圍細(xì)胞間構(gòu)成一個(gè)蒸汽壓力梯度。沒(méi)有結(jié)冰的細(xì)胞質(zhì)水分子從細(xì)胞溶質(zhì)到質(zhì)外體沿著梯度向下遷移，而這種遷移會(huì)增大已經(jīng)存在的冰晶，也會(huì)引起細(xì)胞壁和膜脂的硬化，從而導(dǎo)致細(xì)胞破裂[7-8]。冰凍引起細(xì)胞脫水，造成細(xì)胞膜的多種傷害形式，包括細(xì)胞延展性能減小，細(xì)胞破裂損傷，以及薄片狀向六邊形的二相轉(zhuǎn)變。盡管冰凍傷害主要是由劇烈脫水引起的細(xì)胞膜的損傷，一些附加因素也會(huì)加劇冰凍引起的損傷。endprint

ROS的產(chǎn)生是對(duì)低溫脅迫引起的細(xì)胞膜損傷的應(yīng)答。低溫敏感植株特異性的存在一種結(jié)構(gòu)損傷，并且也很可能會(huì)在低溫環(huán)境下發(fā)生代謝障礙[9]。總之，低溫脅迫本質(zhì)上是損害質(zhì)膜的完整性，這種損傷又會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)的流失。胞內(nèi)細(xì)胞器的完整性也被破壞，這將導(dǎo)致光合作用、蛋白合成及大部分細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)過(guò)程的不完整和減產(chǎn)。而對(duì)于誘導(dǎo)植物對(duì)低溫的耐受力的最主要的環(huán)境因素，被稱作低溫適應(yīng)現(xiàn)象，這是一個(gè)對(duì)于某些植物增強(qiáng)它們暴露與低溫（非冰點(diǎn)溫度）環(huán)境中的低溫耐受力。

3 植物低溫適應(yīng)及其在提高低溫耐受力中的作用

低溫適應(yīng)的主要功能在于強(qiáng)化細(xì)胞膜抵御冰凍損害的能力，適應(yīng)低溫的結(jié)果是增加細(xì)胞膜中不飽和脂肪酸的比率。低溫適應(yīng)通過(guò)阻止在黑麥或其他植物中細(xì)胞延展性退化和形成六邊形的雙層質(zhì)膜來(lái)起作用[6，11]。低溫適應(yīng)通過(guò)改變脂質(zhì)的位置和引入其他非酶蛋白，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜的物理和生化結(jié)構(gòu)的重組，以此改變細(xì)胞中水分子的冰點(diǎn)。溶劑的增加降低了水分子的冰點(diǎn)，使其降至更低的溫度值，因而能阻止冰晶的形成。

低溫導(dǎo)致細(xì)胞組成的改變，包括不飽和脂肪酸的含量[12]，甘油糖脂的位置[13]，蛋白質(zhì)、碳水化合物和活躍的離子通道的位置改變[14]。隨著低溫適應(yīng)的產(chǎn)生，蔗糖和其他單糖逐漸積累，也會(huì)有助于加強(qiáng)細(xì)胞質(zhì)膜的堅(jiān)固性，因?yàn)檫@些分子可以保護(hù)細(xì)胞質(zhì)膜免受冰凍傷害。低溫耐受力是多基因共同調(diào)控的，低溫會(huì)活化許多寒冷誘導(dǎo)基因[15]，例如那些編碼脫水、脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白、翻譯延長(zhǎng)因子和延遲胚胎發(fā)生期和數(shù)量的蛋白的基因[16]。另外，細(xì)胞內(nèi)冰晶的形成也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的機(jī)械損傷，從而導(dǎo)致細(xì)胞破裂[7-8]。也有證據(jù)表明，植株在低溫下會(huì)發(fā)生蛋白質(zhì)的變形，也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞損傷[17]。

總之，低溫適應(yīng)可以保護(hù)和堅(jiān)固細(xì)胞膜的完整性，加強(qiáng)抗氧化機(jī)制，增加細(xì)胞內(nèi)糖含量和其他抗凍物質(zhì)的積累，這些抗凍物質(zhì)包括通過(guò)誘導(dǎo)編碼分子伴侶的基因來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的多胺類物質(zhì)[18]。所有這些改變都有助于植物可以承受并克服伴隨著低溫脅迫的劇烈脫水傷害。

4 植物低溫誘導(dǎo)基因在低溫適應(yīng)中的作用

當(dāng)前在植物低溫誘導(dǎo)基因本質(zhì)的探索及其在低溫耐受中的角色建立方面，已經(jīng)取得了顯著的成果。如擬南芥FAD8基因[19]編碼了一個(gè)脂肪酸脫氫酶，這個(gè)脫氫酶可以通過(guò)改變脂質(zhì)的組成，而有助于提高低溫耐受性。

編碼分子伴侶的低溫應(yīng)答基因，包括菠菜hsp70基因[20]和油菜籽（Brassica napus）hsp90基因[21]，通過(guò)穩(wěn)定蛋白結(jié)構(gòu)以抵御低溫誘導(dǎo)的蛋白變性來(lái)加強(qiáng)植物對(duì)于低溫的耐受力。編碼多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和調(diào)控蛋白的低溫敏感基因都已被鑒定，這其中包括裂原活化蛋白（MAP）激酶[22]，MAP激酶的激酶的激酶（MAPKKK）[23]和鈣調(diào)蛋白[24]。這些蛋白可能通過(guò)控制或調(diào)控對(duì)脅迫響應(yīng)的主要基因的表達(dá)及蛋白質(zhì)的活性，從而有助于提高低溫耐受性以及其他脅迫的耐受性。

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（責(zé)編：張宏民）endprint