小分子熱激蛋白參與植物抗逆性方面的研究進(jìn)展

王敏　江彪　林毓娥　彭慶務(wù)　劉文睿　梁肇均　何曉明

摘要 小分子熱激蛋白（sHSPs）是植物面臨逆境脅迫時，被激活且表達(dá)增強(qiáng)的一類蛋白，屬于熱激蛋白的一個亞家族。sHSPs作為分子伴侶，在植物抵抗高溫?zé)岷?、低溫冷害以及種子發(fā)育中具有重要的作用。綜述了sHSPs的分類、特點(diǎn)和功能，重點(diǎn)講述了其參與植物抗逆性方面的研究進(jìn)展，對目前研究中存在的問題進(jìn)行了討論，并對今后的研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 小分子熱激蛋白；抗逆性；功能

中圖分類號 S188 文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A 文章編號 0517-6611（2018）18-0029-04

Advances of Small Heat Shock Proteins Participating in Plant Resistance

WANG Min1，2，JIANG Biao1，2，LIN Yue1，2 et al （1.Vegetable Research Institute of Guangdong Academy of Agricultural Sciences，Guangzhou，Guangdong 510640；2.Key Laboratory of Guangdong Vegetable New Technology Research，Guangzhou，Guangdong 510640）

Abstract sHSPs，a subfamily of heat shock proteins，are activated and highly expressed when plants exposed to adverse stresses.As a molecular chaperone，sHSPs play crucial roles in the resistance of heat，cold and seed development.The classification，characteristics and function were reviewed，especially the role in plant resistance.And related problems in the current study were discussed and the future research fields were prospected.

Key words Small heat shock proteins；Stress resistance；Function

非生物脅迫因子，如干旱、鹽漬化、高低溫以及化學(xué)污染物等，會引起植物細(xì)胞破壞和次生代謝物的產(chǎn)生[1]。高溫會影響植物的代謝系統(tǒng)，特別是細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和生理過程，如光合作用、蒸騰作用等，而植物通過增強(qiáng)分子伴侶的轉(zhuǎn)錄和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，釋放活性氧（ROS），合成抗氧化物質(zhì)，積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[2]。由于高溫脅迫而產(chǎn)生的熱激蛋白（heat shock proteins，HSPs）[3]，又被稱為“逆境誘導(dǎo)的蛋白”或“逆境蛋白”[4-6]，幾乎存在于所有的生物體內(nèi)，且高度保守[6]，正常條件下的含量較低（低于蛋白總量的5%），但在外界環(huán)境不利條件刺激時，會大量合成（約占蛋白總量的15%）[7]。其中，小分子熱激蛋白（sHSPs）屬于熱激蛋白的一個亞家族，其作為分子伴侶，在植物抵抗高溫?zé)岷?、低溫冷害以及種子發(fā)育中具有重要的作用。筆者綜述了sHSPs的特點(diǎn)、分類和生物功能，對其參與植物抗逆性方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了重點(diǎn)描述，對目前研究中存在的問題進(jìn)行了討論，并對今后的研究方向進(jìn)行了展望。

1 熱激蛋白的特點(diǎn)

據(jù)報(bào)道，意大利科學(xué)家Ritossa將果蠅放在高溫環(huán)境下研究其基因和蛋白質(zhì)變化時，首先發(fā)現(xiàn)了熱激蛋白[8]。隨后，在幾乎所有的生物中均發(fā)現(xiàn)了熱激蛋白[9]，且其羧基端有一個被稱為“heat-shock”的結(jié)構(gòu)域[10]。熱激蛋白的分子量為10～200 kD，在熱脅迫時，作為分子伴侶參與信號的傳導(dǎo)[11]。植物熱激蛋白根據(jù)分子量大小，可以分為HSP60、HSP70、HSP90、HSP100和小分子HSP家族（sHSPs）[11-13]。不同植物中的熱激蛋白的數(shù)目差異較大[14]，例如，在擬南芥中有13個HSP20、8個HSP70、7個HSP90、8個HSP100以及21個熱激蛋白轉(zhuǎn)錄因子（Hsfs）[15]，但是在番茄中有15個Hsfs[16]。

小分子熱激蛋白（sHSPs）的分子量為12～43 kD，且大部分蛋白的C端都包含1個80～100個氨基酸序列的α-晶體蛋白（ACD）結(jié)構(gòu)域[17-18]。高等植物中含有20種以上的sHSPs[19]。sHSPs在正常的生長條件下是檢測不到的，但逆境條件能激活其表達(dá)[20-22]。熱激蛋白的特點(diǎn)一般包括保守性，反應(yīng)短時性，影響因素多樣性，交叉耐受性以及種類多樣性[23]。一般情況下，生物脅迫和非生物脅迫均可以誘導(dǎo)小分子熱激蛋白的表達(dá)，其中高溫脅迫是最主要的因素[24]。有研究表明，正常條件下，sHSPs的含量很低，但是高溫脅迫時，在短時間內(nèi)含量急劇增加，且種類比其他熱激蛋白多[7，25]。

2 小分子熱激蛋白的分類

sHSPs具有豐富的功能和遺傳多樣性[26]，在生物體應(yīng)對生物或非生物脅迫中，能夠維持天然蛋白的穩(wěn)定性，并在保護(hù)膜結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮重要的作用。小分子熱激蛋白在高等植物中極為豐富，且為核基因編碼，分布在細(xì)胞的各個部位[27]。根據(jù)蛋白的亞細(xì)胞定位和氨基酸序列的同源性可以將植物的sHSPs分為5個大的亞家族：①定位在細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核的CⅠ、CⅡ、CⅢ、CⅣ、CⅤ、CⅥ和CⅦ亞家族；②定位于線粒體的MⅠ和MⅡ亞家族；③定位于質(zhì)體的P亞家族；④定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的ER亞家族；⑤定位于過氧化物酶體的Po亞家族[28-29]。

不同植物中，小分子熱激蛋白的種類和數(shù)目也各異，這可能與植物的種類以及生活習(xí)性有關(guān)。在擬南芥中有19個sHSPs基因，其中定位在細(xì)胞質(zhì)/細(xì)胞核中的sHSPs有13個，定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中和過氧化物酶體中的sHSP各1個，定位在線粒體和葉綠體中的sHSPs各2個[21]。在水稻中鑒定出了23個sHSPs基因，分布在不同細(xì)胞器中的sHSPs個數(shù)也不盡相同[30]。其他作物中，大豆中有51個sHSPs基因[31]，大白菜[32]和小麥中[33]各自至少有27個sHSPs基因，番茄中至少有42個sHSPs基因[34]，辣椒的至少有35個sHSPs基因[35]。雖然不同作物的sHSPs數(shù)目差異較大，但是相同點(diǎn)是定位于細(xì)胞質(zhì)/細(xì)胞核中的sHSPs所占比例較大。

3 小分子熱激蛋白的功能

任何蛋白的功能都是由其構(gòu)造和三維結(jié)構(gòu)的折疊方式所決定的[36]。熱激蛋白（HSPs）能夠保護(hù)細(xì)胞免受傷害，幫助蛋白質(zhì)折疊[25]。sHSPs發(fā)揮其分子伴侶的作用，形成的聚合體能夠與體內(nèi)受脅迫后產(chǎn)生的損傷蛋白相結(jié)合以防止它們聚集；在ATP 存在的條件下與HSP100或HSP70相互作用，幫助受損蛋白重新折疊，恢復(fù)其生物功能[17-18]。

3.1 分子伴侶，防止蛋白降解 作為分子伴侶，在所有的動植物中，sHSPs能調(diào)控蛋白質(zhì)的折疊、積累及其定位和降解[37-40]。在依賴ATP酶的條件下，能夠識別并結(jié)合到未展開的蛋白質(zhì)，從而抑制蛋白質(zhì)的聚集，這樣可以保護(hù)細(xì)胞不受高溫傷害，且能夠修補(bǔ)被損傷的蛋白質(zhì)[41]。豌豆的sHSP18.1能夠結(jié)合到未展開的蛋白質(zhì)，并與其他熱激蛋白如HSP70或HSP100作用，形成復(fù)合體，以維持蛋白的正常結(jié)構(gòu)和功能[42]。

3.2 參與種子發(fā)育 有研究表明，sHSPs在玉米種子發(fā)育過程中大量表達(dá)，例如HSP60和HSP70 熱激蛋白[43]。另外，貯藏的種子暴露于過熱的環(huán)境中，會產(chǎn)生一系列的細(xì)胞代謝反應(yīng)，一些正常的蛋白質(zhì)合成會減少，但小分子熱激蛋白的含量會顯著升高[44-45]。過表達(dá)AtHSP22.0基因后，擬南芥種子耐受衣霉素脅迫的能力明顯提高，種子萌發(fā)率明顯高于野生型[46]。細(xì)胞質(zhì)CI型小熱激蛋白（sHSP）在種子的胚胎形成以及成熟過程中表達(dá)量均會升高[47]。另外，小分子熱激蛋白可以減輕番茄種子萌芽對光照的依賴性[48]。Ca2+-CaM在熱激信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中通過激活熱激轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合活性來實(shí)現(xiàn)[49]。研究表明，熱激后，擬南芥AtCaM3基因的表達(dá)水平明顯升高，說明該基因可能參與了熱激信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[50]。

3.3 參與植物抗逆性 sHSPs在植物面臨生物脅迫和非生物脅迫時發(fā)揮著重要的作用，且抗脅迫能力具有多樣性[6]。但目前研究較多的是sHSPs在植物面臨高溫、低溫和鹽漬化等非生物脅迫下起的作用（表1）。

3.3.1 耐熱性。高溫脅迫下，植物的生長緩慢，光合效率下降，葉綠體的小分子熱激蛋白（CPsHSP）作為細(xì)胞質(zhì)體中含量最豐富的熱激蛋白[19，26]，在植物遇到熱脅迫時，它對參與光合作用的細(xì)胞器有保護(hù)作用[51]，因?yàn)镃PsHSP的生成可以減輕光系統(tǒng) Ⅱ（PS Ⅱ）的光抑制[52]，且同種植物的不同基因型中，耐熱性的強(qiáng)弱與CPsHSP的表達(dá)水平有關(guān)[53]。另外，CPsHSP在植物遇到高溫脅迫時可以保護(hù)葉綠體膜，與膜結(jié)合，并穩(wěn)定細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)[54-55]。研究者通過轉(zhuǎn)基因試驗(yàn)也驗(yàn)證了CPsHSP在熱脅迫中的作用。高溫脅迫時，在煙草中過量表達(dá)CPsHSPs可以增加光系統(tǒng) Ⅱ 的穩(wěn)定性[56]。番茄的CPsHSPs只有在高溫脅迫下（47 ℃）才會對PS Ⅱ起到保護(hù)作用，但是在常溫下（25 ℃）沒有此作用[57]。小分子熱激蛋白在水稻中的過表達(dá)能夠顯著提高轉(zhuǎn)基因植物的耐熱性。研究表明，在水稻中過表達(dá)小分子熱激蛋白基因sHSP17.7可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植物的耐熱性和對B類紫外線的抗性[58]，另外還發(fā)現(xiàn)該基因在水稻的抗旱中也起到重要作用[59]。水稻OsHSP18.6的轉(zhuǎn)基因植物的耐熱性和抵抗其他非生物脅迫的能力明顯提高[60]。RNAi干擾水稻OsHSP18.0降低了植物對細(xì)菌的抗性，以及耐熱性和耐鹽性[61]。過表達(dá)線粒體的熱激蛋白基因可以明顯抑制植物的細(xì)胞程序性死亡PCD反應(yīng)[62]。小分子熱激蛋白之間可以發(fā)生相互作用，如水稻HSP17.7可以與HSP16.9A互作，從而形成復(fù)合體參與植物的耐熱反應(yīng)[63]。

線粒體的sHSPs在植物耐熱性方面發(fā)揮了重要的作用，其可以保護(hù)光系統(tǒng) Ⅱ 蛋白質(zhì)復(fù)合物不受損傷，保證細(xì)胞正常的電子傳遞、ATP 合成，使得植物在高溫脅迫下保持正常生長[64]。研究表明，番茄線粒體HSP22蛋白的積累可以提高其細(xì)胞的抗氧化脅迫能力和適應(yīng)性[65]。研究者將辣椒的小熱激蛋白基因CaHSP24進(jìn)行了分子克隆和逆境表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)該基因在非生物脅迫下的表達(dá)量明顯上升，說明該基因參與了植物的逆境響應(yīng)[66]。另外，將辣椒的CaHSP26基因在擬南芥中異位過表達(dá)，可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植物耐熱能力[67]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小分子熱激蛋白在高溫下的表達(dá)量會顯著升高，例如番茄的LeHSP21.3和擬南芥的AtHSP22.0對高溫有一定的抵御作用[68-69]。在煙草中過表達(dá)甜椒細(xì)胞質(zhì)小分子熱激蛋白基因CaHSP26可以顯著提高轉(zhuǎn)基因植物的耐熱能力[70]?；ㄉ男峒さ鞍谆颍╯HSP）的誘導(dǎo)表達(dá)可以增強(qiáng)其在高溫下的生理性適應(yīng)能力[71]。有研究者結(jié)合高溫脅迫下的牡丹的轉(zhuǎn)錄組測序，確定了小熱激蛋白參與牡丹對高溫的抵抗能力[72]。

3.3.2 耐冷性與抗旱性。低溫環(huán)境會誘導(dǎo)一些蛋白的表達(dá)，包括脫水蛋白[73]、熱穩(wěn)定蛋白[74]和熱激蛋白[75]等，這些蛋白可以在一定程度上減緩低溫給植物造成的傷害。低溫可以誘導(dǎo)番茄葉片中線粒體小熱激蛋白的表達(dá)[68]。過表達(dá)葉綠體小分子熱激蛋白可以增強(qiáng)番茄植物的耐冷性[76]。研究報(bào)道，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小熱激蛋白的積累可以增強(qiáng)桑樹對于寒冷季節(jié)的低溫馴化能力[77]。綠豆苗經(jīng)過熱激后產(chǎn)生的熱激蛋白可以在一定程度上增強(qiáng)植物對低溫的抗性[78]。與此類似，有研究者將經(jīng)過熱激的番茄放到低溫環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過熱激處理的番茄較對照的耐低溫能力增強(qiáng)[79]。關(guān)于sHSP提高植物耐冷性的原因，一方面可能是因?yàn)槠淇梢蕴岣呒?xì)胞膜的流動性，另一方面可以與細(xì)胞膜結(jié)合相互作用，從而保護(hù)膜系統(tǒng)的完整性，增強(qiáng)植物的耐冷能力[55]。

研究表明，擬南芥中過表達(dá)AtHSP17.6A可以增強(qiáng)植物的耐鹽和抗旱能力[80]。也有研究表明，在擬南芥中異位過表達(dá)百合的小分子熱激蛋白基因LimHSP16.45，通過阻止不可逆蛋白的聚集和清除細(xì)胞內(nèi)的活性氧等途徑，提高轉(zhuǎn)基因植物對逆境脅迫的抵抗能力[81]。植物在缺水逆境條件下，會破壞細(xì)胞質(zhì)膜分子排列，改變膜的透性，影響其正常代謝過程；研究表明植物在抵抗高溫和抗旱的機(jī)制上會存在一定的交叉性[82]。研究表明，干旱敏感突變株的小分子熱激蛋白基因HSP17.4表達(dá)量很低，熱誘導(dǎo)后HSP17.4大量表達(dá)，并提高了擬南芥的抗旱性，表明小熱激蛋白HSP17.4在干旱脅迫下同樣可以通過保護(hù)細(xì)胞組分，使植物維持生長發(fā)育[83]。

3.3.3 其他。有研究表明，紫花苜蓿的小熱激蛋白基因（MsHSP17.7）在高溫、高鹽、氧化脅迫以及干旱環(huán)境中均可以被誘導(dǎo)表達(dá)，且MsHSP17.7過表達(dá)轉(zhuǎn)基因植物可以顯著提高植物對高鹽脅迫的抗性能力，表明該基因在植物抵抗鹽漬化脅迫方面具有重要的作用[84]。研究者在番茄中分離了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小熱激蛋白基因（ERsHSP），過表達(dá)該基因的轉(zhuǎn)基因植物的抗衣霉素能力較對照顯著增強(qiáng)，說明該基因可以在一定程度上減輕外界給內(nèi)質(zhì)網(wǎng)帶來的脅迫壓力[85]。通過將水稻的OsMSR3基因（小熱激蛋白的家族I成員之一）在擬南芥中異位表達(dá)，可以增強(qiáng)其對鎘（Cd）的抵抗性[40]。

4 存在問題與展望

近年來，不同的非生物脅迫因素嚴(yán)重影響了植物的生長與發(fā)育。增強(qiáng)植物本身的抗逆能力以及選育優(yōu)良的抗逆品種是提高抗脅迫性的主要途徑。植物對高溫以及其他逆境脅迫響應(yīng)也是一個多基因控制的復(fù)雜的生物過程，許多研究已證明小熱激蛋白能夠在植物面臨逆境脅迫時激活表達(dá)，通過分子伴侶功能保護(hù)正常的蛋白免被降解，維持植物生長與發(fā)育。雖然sHSPs在許多植物中已經(jīng)被報(bào)道，但大部分是圍繞過表達(dá)量的變化來改變植物抗逆性方面，sHSPs如何提高植物的抗性，具體通過什么信號途徑尚不清楚。

因此，今后關(guān)于小分子熱激蛋白的研究方向主要集中在以下方面：①挖掘與鑒定新的小分子熱激蛋白基因，豐富sHSPs家族；②篩選與sHSPs互作的蛋白，深入研究其機(jī)制；③鑒定小分子熱激蛋白轉(zhuǎn)錄因子的靶蛋白，了解其在植物抗逆性方面的遺傳網(wǎng)絡(luò)；④分析定位在細(xì)胞不同位置的sHSPs蛋白的進(jìn)化和分子關(guān)系，為植物的耐熱性分子輔助育種提供理論指導(dǎo)。

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