水稻耐高溫相關(guān)基因功能及其信號(hào)通路研究進(jìn)展

欽 鵬，樊世軍，高 鵬，李仕貴

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，成都 611130）

隨著全球氣候變暖加劇，高溫?zé)岷σ殉蔀橄拗妻r(nóng)作物產(chǎn)量形成的重要外在因素[1]。相關(guān)研究表明[2]：氣溫每升高1℃，小麥產(chǎn)量將下降6%，玉米下降約7.4%，水稻則下降3.2%。水稻是我國(guó)重要的糧食作物，也是全球一半以上人口的主食，我國(guó)主要的水稻產(chǎn)區(qū)常常在抽穗灌漿期因7月中旬至8月中下旬副熱帶高壓影響遭遇持續(xù)極端高溫天氣，造成大面積減產(chǎn)甚至絕收[3]。因此，克隆一些重要的耐高溫相關(guān)基因，解析分子機(jī)理并進(jìn)一步挖掘其育種應(yīng)用價(jià)值對(duì)水稻育種和糧食安全具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

過高或過低的環(huán)境溫度對(duì)水稻各個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育階段均具有明顯的影響，導(dǎo)致植株生長(zhǎng)遲緩、花期延遲、小穗不育和米質(zhì)變差等[2]。在細(xì)胞水平上，熱脅迫會(huì)改變?nèi)~綠體結(jié)構(gòu)，破壞光合系統(tǒng)，誘導(dǎo)胞內(nèi)毒性蛋白積累和代謝紊亂等[4]。由于高溫相關(guān)表型屬于復(fù)雜的數(shù)量性狀，且難以準(zhǔn)確穩(wěn)定評(píng)價(jià)，導(dǎo)致水稻耐高溫分子機(jī)理研究較為緩慢。儲(chǔ)成才和林鴻宣團(tuán)隊(duì)分別從高溫對(duì)水稻生理變化和信號(hào)響應(yīng)機(jī)理角度綜述了水稻熱脅迫研究進(jìn)展[5-6]。本文在此基礎(chǔ)上，著眼當(dāng)前水稻耐高溫領(lǐng)域相關(guān)研究工作，重點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵的耐高溫基因功能及其信號(hào)通路進(jìn)行分類闡釋，旨在總結(jié)該領(lǐng)域已有研究基礎(chǔ)并對(duì)未來可能亟待開展的研究問題提出見解，為進(jìn)一步揭示新的耐高溫基因、明確分子機(jī)理并挖掘其育種應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 水稻耐高溫相關(guān)基因研究

目前水稻中已克隆大量與高溫相關(guān)基因，從基因功能上大致可將其分為5類，包括熱激蛋白、熱激轉(zhuǎn)錄因子、逆境相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子、酶蛋白和其他相關(guān)蛋白（表1）。以下將對(duì)這些基因功能進(jìn)行分類闡述。

表1 水稻耐高溫基因分類Table 1 Classification of genes related to rice high temperature resistance

1.1 熱激蛋白

熱激蛋白又名熱休克蛋白（HSPs，heat shock proteins），因最初在果蠅體內(nèi)熱誘導(dǎo)試驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)而得名。這類蛋白在植物中種類繁多且含量豐富，是目前發(fā)現(xiàn)的主要分子伴侶蛋白之一，在植物脅迫應(yīng)激過程中幫助蛋白質(zhì)正確折疊并協(xié)助其跨膜轉(zhuǎn)移，對(duì)增強(qiáng)植物體脅迫承受能力具有重要的生物學(xué)意義。水稻中已報(bào)道該類蛋白約17個(gè)，它們多數(shù)僅被報(bào)道受到熱激誘導(dǎo)，具體生物學(xué)功能尚未明確[8，12]。其中，OsHSP26.7被報(bào)道編碼一個(gè)葉綠體定位的熱激蛋白，在保護(hù)葉綠體免受高溫和紫外線引起的氧化損害中發(fā)揮重要作用[51]；sHSP17.7是從熱應(yīng)激脅迫的水稻中分離出來的一個(gè)新的熱激蛋白，過表達(dá)試驗(yàn)顯示該基因表達(dá)量提升帶來植株耐熱性的顯著提高[9]；HSA32和HSP101被證明相互作用形成正反饋調(diào)節(jié)環(huán)在轉(zhuǎn)錄后水平發(fā)揮作用，幫助水稻延長(zhǎng)熱鍛煉效應(yīng)形成高溫記憶[10]。

1.2 熱激轉(zhuǎn)錄因子

熱應(yīng)激轉(zhuǎn)錄因子（HSFs，heat stress factors）是熱脅迫響應(yīng)的調(diào)節(jié)樞紐，其負(fù)責(zé)在熱應(yīng)激過程中將信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)并激活熱激蛋白表達(dá)。序列同源比對(duì)發(fā)現(xiàn)水稻中至少存在25個(gè)熱激轉(zhuǎn)錄因子，其中受到熱激誘導(dǎo)的約13個(gè)（表1），但關(guān)于該類基因功能的研究尚缺乏深入探究，分子機(jī)制有待揭示[19]。其中OsHsfA2d被報(bào)道編碼兩種剪切異構(gòu)體，分別在正常溫度和高溫脅迫下發(fā)揮功能，幫助細(xì)胞建立蛋白折疊平衡[16]；OsHsfA2e定位于細(xì)胞核并具有C端轉(zhuǎn)錄活性，在擬南芥中超表達(dá)該基因可以顯著增強(qiáng)擬南芥耐受環(huán)境脅迫能力[17]；OsHsfA2a存在多個(gè)轉(zhuǎn)錄本，它們?cè)谒旧L(zhǎng)發(fā)育和脅迫應(yīng)答過程中扮演重要角色[14]。

1.3 逆境相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子

除HSF外，一些含逆境脅迫元件的轉(zhuǎn)錄因子也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)參與高溫脅迫。OsDREB1B是一個(gè)AP2/EREBP轉(zhuǎn)錄因子，該基因同時(shí)受到低溫和高溫誘導(dǎo)表達(dá)，在擬南芥中表達(dá)后可以顯著提高植株耐冷和耐熱能力[20]；OsWRKY11編碼一個(gè)含WRKY結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子，在水稻中受到熱脅迫誘導(dǎo)，用HSP101啟動(dòng)子啟動(dòng)OsWRKY11表達(dá)后轉(zhuǎn)入水稻可以顯著提升后代耐熱性和耐旱性[21]；OsAREB1和OsbZIP60分別編碼一個(gè)bZIP轉(zhuǎn)錄因子，二者均被發(fā)現(xiàn)受熱脅迫誘導(dǎo)并作為正向調(diào)控因子對(duì)水稻耐高溫具有重要貢獻(xiàn)[22-23]；HYR是一個(gè)直接激活光合作用的關(guān)鍵調(diào)控因子，在干旱和高溫脅迫下HYR可以調(diào)控下游碳代謝基因影響形態(tài)-生理程序以穩(wěn)定水稻產(chǎn)量[26]；SNAC3作為一個(gè)NAC轉(zhuǎn)錄因子過表達(dá)會(huì)顯著增強(qiáng)水稻抗高溫能力，該基因介導(dǎo)活性氧代謝調(diào)控水稻脅迫耐受性[25]；OsMYB55作為R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控氨基酸代謝，過表達(dá)該基因可以顯著提升水稻高溫耐受性，降低高溫對(duì)產(chǎn)量帶來的負(fù)面影響[24]。

1.4 酶蛋白

近年來，大量酶蛋白被報(bào)道參與水稻溫度脅迫過程，它們涉及多個(gè)生物學(xué)途徑。GAD3和OsGSr分別編碼一個(gè)谷氨酸脫羧酶和谷氨酰胺合成酶，它們被OsMYB55激活后高表達(dá)促進(jìn)逆境相關(guān)氨基酸合成，對(duì)水稻耐高溫具有重要貢獻(xiàn)[24]；OsHCI1編碼一個(gè)環(huán)指E3連接酶，高溫下該蛋白在核內(nèi)大量積累介導(dǎo)核底物輸出泛素化，在擬南芥中異源表達(dá)該基因可以顯著增強(qiáng)植株高溫耐受性[27]；OsHTAS編碼一個(gè)泛素連接酶，該基因同時(shí)定位在核和胞質(zhì)，介導(dǎo)過氧化氫誘導(dǎo)的氣孔開閉，對(duì)水稻耐熱具有正向調(diào)控作用[28]；OsTT1是從非洲稻CG14中被鑒定到的一個(gè)耐高溫位點(diǎn)，該基因編碼26S蛋白酶體α2亞基，參與有毒蛋白泛素化降解過程，對(duì)水稻高溫應(yīng)答具有重要意義[29]；OsGIRL1編碼一個(gè)富亮氨酸重復(fù)類受體蛋白激酶，熱脅迫刺激下該基因過表達(dá)植株苗期存活率顯著高于野生型[30]；TOGR1編碼一個(gè)RNA解旋酶，在25～40℃ 范圍內(nèi)該基因酶活持續(xù)增加，參與高溫情況下rRNA前體的加工，對(duì)高溫下的細(xì)胞增殖十分重要[31]；AET1是一個(gè)tRNAHis鳥苷轉(zhuǎn)移酶，該基因具有鳥苷轉(zhuǎn)移酶活性，調(diào)控核糖體蛋白翻譯過程，對(duì)維持高溫下蛋白翻譯穩(wěn)定性具有重要意義[32]；OsNSUN2編碼一個(gè)mRNA m5C甲基轉(zhuǎn)移酶，通過調(diào)節(jié)mRNA翻譯效率維持高溫下水稻生長(zhǎng)發(fā)育的正常進(jìn)行[33]；PGL編碼葉綠素a氧化酶1，主要在綠色組織中表達(dá)，其突變體對(duì)熱脅迫敏感[34]；TCM5是一個(gè)Deg蛋白酶，該基因被證明參與高溫下葉綠體發(fā)育，對(duì)光合系統(tǒng)Ⅱ的功能維持至關(guān)重要[35]；EG1是一個(gè)高溫介導(dǎo)的線粒體脂肪酶，它可以保護(hù)高溫下花器官基因表達(dá)，維持花器官發(fā)育穩(wěn)定[36]；OsAPX2是水稻細(xì)胞質(zhì)抗壞血酸過氧化物酶基因，參與水稻苗期熱誘導(dǎo)下抗壞血酸過氧化物酶的表達(dá)[37]；OsGSK1是擬南芥BR信號(hào)通路關(guān)鍵調(diào)控因子BIN2的同源蛋白，該激酶敲除后對(duì)熱脅迫敏感[38]；GSA1編碼一個(gè)水稻糖基轉(zhuǎn)移酶UGT83A1，該蛋白具有廣譜糖基轉(zhuǎn)移酶活性，調(diào)控黃酮類代謝物合成，同時(shí)調(diào)控水稻產(chǎn)量和抗逆，在耐高溫育種中具有重要貢獻(xiàn)[39]。

1.5 其他相關(guān)蛋白

除以上幾大類基因外，還有一些與高溫相關(guān)的基因被報(bào)道。FLO2是一個(gè)含三十四肽重復(fù)序列的蛋白，其被報(bào)道可以控制水稻種子直鏈淀粉含量，過表達(dá)引起谷粒增大，高溫脅迫下不同水稻品種間FLO2表達(dá)差異顯著表明該基因可能參與種子灌漿過程中耐高溫[40]；Fie1是一個(gè)不依賴于受精的胚乳自主發(fā)生基因，該基因調(diào)控種子大小并調(diào)控灌漿過程中種子夜間高溫敏感性，對(duì)高溫下水稻產(chǎn)量維持具有重要意義[42]；RBG1是一個(gè)新的正調(diào)控籽粒大小的基因，該基因被報(bào)道可通過生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素途徑增強(qiáng)水稻對(duì)熱、滲透、鹽脅迫的耐受性[41]；OsLEA4和OsLEA5編碼兩個(gè)晚期胚胎富集蛋白，在大腸桿菌中表現(xiàn)出顯著的高溫耐受，暗示其可能對(duì)逆境耐受性具有一定貢獻(xiàn)[43]；ZFP177編碼一個(gè)A20/AN1型鋅指蛋白，該基因受熱脅迫誘導(dǎo)，在煙草中過表達(dá)該基因能夠提升熱脅迫耐受能力[45]；OsRZFP34編碼一個(gè)環(huán)鋅指蛋白，該基因同樣受熱誘導(dǎo)，缺失功能后會(huì)導(dǎo)致氣孔直徑變小，溫度耐受性降低[46]；OsANN1是一個(gè)鈣結(jié)合蛋白，具有ATP酶活性，該基因敲除后對(duì)熱脅迫敏感，導(dǎo)致體內(nèi)氧化還原嚴(yán)重失衡[47]；OsCNGC14和OsCNGC16是兩個(gè)環(huán)核苷酸門控離子通道蛋白，定位于質(zhì)膜，負(fù)責(zé)調(diào)控細(xì)胞質(zhì)鈣離子內(nèi)流，其突變體對(duì)溫度脅迫敏感[48]；SLG1編碼一個(gè)保守的細(xì)胞質(zhì)tRNA 2-硫醇化蛋白2（RCTU2），參與tRNA修飾，在水稻幼苗和生殖發(fā)育階段耐高溫均具有重要貢獻(xiàn)，過表達(dá)后可顯著增強(qiáng)水稻耐高溫能力[49]；OsGR-RBP4是一個(gè)富含甘氨酸RNA結(jié)合蛋白，該基因從水稻CDNA熱激文庫中篩選獲得，在幼苗中組成性表達(dá)且受熱脅迫誘導(dǎo)，酵母細(xì)胞中過表達(dá)該基因可顯著提高酵母高溫脅迫耐受性[50]。

2 調(diào)控水稻耐高溫的關(guān)鍵信號(hào)通路研究

溫度作為復(fù)雜的物理信號(hào)，對(duì)生物體影響的表型難以準(zhǔn)確鑒定，其分子機(jī)制的解析相較于其他非生物脅迫也更為困難。近年來，隨著大量高溫相關(guān)基因的克隆，水稻中一些關(guān)鍵的耐高溫信號(hào)通路被逐步明確。筆者將這些通路主要?dú)w納為轉(zhuǎn)錄后調(diào)控、泛素蛋白酶體途徑、物質(zhì)代謝途徑、鈣離子信號(hào)、活性氧信號(hào)和激素信號(hào)途徑六大類（圖1）。

圖1 水稻耐高溫關(guān)鍵信號(hào)通路Figure 1 Signal pathway about rice high temperature resistance

2.1 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控

擬南芥中研究早已表明，轉(zhuǎn)錄修飾對(duì)環(huán)境溫度感知和熱脅迫應(yīng)答具有重要意義[52]。水稻中近年已報(bào)道4個(gè)與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控相關(guān)的耐高溫相關(guān)基因，包括RNA 解旋酶TOGR1[31]、tRNAHis鳥苷轉(zhuǎn)移酶AET1[32]、RNA甲基轉(zhuǎn)移酶OsNSUN2[33]和細(xì)胞質(zhì)tRNA 2-硫醇化蛋白2基因SLG1[49]。其中TOGR1是核仁中SSU復(fù)合體的伴侶蛋白，參與高溫下rRNA前體的加工過程[31]；AET1則對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和核糖體上前體tRNAHis成熟和后期蛋白質(zhì)翻譯具有決定性作用[32]；OsNSUN2介導(dǎo)高溫下細(xì)胞核中光合作用相關(guān)解毒蛋白的mRNA甲基化修飾，提升翻譯效率以保證水稻高溫下正常生長(zhǎng)[33]；SLG1負(fù)責(zé)胞質(zhì)中tRNA硫醇化修飾，正向調(diào)控水稻耐熱性[49]。

2.2 泛素蛋白酶體途徑

在高等植物中，泛素分子與底物的連接可以通過Ub/26S蛋白酶體系統(tǒng)介導(dǎo)各種細(xì)胞功能，此途徑也是植物耐高溫的重要機(jī)制[53]。水稻中目前已報(bào)道3個(gè)參與此途徑的基因，分別是OsHCI1[27]、HTAS[28]和OsTT1[29]。其中HTAS和OsHCI1均屬于E3泛素連接酶，HTAS體外具有泛素連接酶活性，可以與抗壞血酸過氧化物酶互作介導(dǎo)氣孔開閉影響高溫耐受性，OsHCI1高溫下在核中大量積累，介導(dǎo)核中底物蛋白沿細(xì)胞骨架快速輸出泛素化降解[27-28]；OsTT1作為一個(gè)26S蛋白酶體α2亞基可以幫助水稻更高效降解有毒蛋白維持高溫應(yīng)答[29]。

2.3 物質(zhì)代謝

植物對(duì)高溫的響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，一些代謝物的累積對(duì)耐高溫過程具有顯著貢獻(xiàn)。如水稻中MYB55轉(zhuǎn)錄因子被報(bào)道可以調(diào)控下游谷氨酸脫氫酶GAD3和谷氨酰胺合成酶OsGS1.2的表達(dá)，在高溫下促進(jìn)L-谷氨酸、氨基丁酸等逆境脅迫相關(guān)氨基酸的積累增強(qiáng)植株耐高溫能力[24]。此外，UDP葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶基因GSA1可以在非生物脅迫下促進(jìn)代謝流下類黃酮和花青素合成，增強(qiáng)水稻抗逆能力[39]。脂肪酶基因EG1定位在線粒體和質(zhì)體，介導(dǎo)高溫下線粒體脂肪酶通路，調(diào)控脂質(zhì)代謝和下游基因表達(dá)[36]。

2.4 鈣離子信號(hào)

鈣離子作為第二信使在植物響應(yīng)非生物脅迫中具有重要作用，在熱脅迫早期，胞內(nèi)鈣離子濃度上調(diào)是一個(gè)關(guān)鍵的逆境信號(hào)，但其具體的分子機(jī)制仍有待解析[54]。水稻中目前報(bào)道了3個(gè)鈣離子相關(guān)蛋白參與熱脅迫過程，其中CNGC14和CNGC16作為環(huán)核苷酸門控離子通道調(diào)控高溫下質(zhì)膜上的鈣離子內(nèi)流[48]，而胞質(zhì)中的鈣結(jié)合蛋白OsANN1則通過提高活性氧清除酶活性調(diào)控高溫下的氧化還原平衡[47]。

2.5 活性氧信號(hào)

ROS信號(hào)是高溫脅迫下胞內(nèi)另一個(gè)重要的信號(hào)分子，擬南芥中42熱激45℃即可檢測(cè)到強(qiáng)烈的活性氧信號(hào)[54]。水稻中大多數(shù)高溫相關(guān)基因突變也伴隨著胞內(nèi)ROS失衡，其中APX2和SNAC3是兩個(gè)被報(bào)道與ROS清除直接相關(guān)的基因[25，37]。抗壞血酸過氧化物酶基因APX2高溫下在胞質(zhì)中大量合成，增強(qiáng)水稻過氧化氫清除能力，保護(hù)小穗免于脂質(zhì)過氧化進(jìn)而維持育性[37]。轉(zhuǎn)錄因子SNAC3在核內(nèi)正調(diào)控ROS清除基因的表達(dá)，介導(dǎo)活性氧代謝，增強(qiáng)水稻高溫耐受性[25]。

2.6 激素信號(hào)途徑

高溫脅迫下，多種激素信號(hào)在水稻體內(nèi)交互發(fā)生。其中OsGSK1作為BR信號(hào)負(fù)調(diào)控因子介導(dǎo)水稻熱脅迫應(yīng)答過程[38]，質(zhì)膜受體激酶OsGIRL1通過響應(yīng)ABA或SA信號(hào)參與熱脅迫調(diào)控[30]，熱脅迫相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子OsAREB1是ABA信號(hào)的正向調(diào)節(jié)子[22]，OsRZFP34則參與熱脅迫下ABA介導(dǎo)的氣孔開閉[46]。

3 總結(jié)與展望

隨著全球氣候變暖加劇，選育耐高溫水稻品種對(duì)糧食安全至關(guān)重要，因此克隆高溫相關(guān)基因、解析其分子機(jī)理且挖掘優(yōu)異等位基因?qū)Υ_保水稻糧食安全具有重要意義。目前水稻中已克隆的與高溫相關(guān)基因，多數(shù)局限于分子機(jī)理研究，可直接用于改良水稻耐高溫性的優(yōu)異等位基因極少。因此未來該領(lǐng)域研究需要更多地與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，克隆關(guān)鍵的耐高溫基因，挖掘更優(yōu)自然優(yōu)異等位基因，為培育耐高溫水稻新品種提供更多的基因資源。另外，隨著更多高溫相關(guān)基因相繼被報(bào)道，部分與高溫相關(guān)信號(hào)通路逐步明確，但關(guān)于水稻如何感知高溫信號(hào)并向下游傳遞信號(hào)的分子機(jī)制和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究仍十分有限，因此研究植物如何將溫度的物理信號(hào)編碼為體內(nèi)的化學(xué)信號(hào)，并傳遞給下游調(diào)控網(wǎng)絡(luò)將是該研究領(lǐng)域熱門方向之一。