光信號(hào)和低溫調(diào)控植物休眠研究進(jìn)展

楊立晨，李 平，劉偉超，鄭唐春

（花卉種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家花卉工程技術(shù)研究中心/城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室/園林環(huán)境教育部工程研究中心/林木花卉遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北京林業(yè)大學(xué) 園林學(xué)院，北京100083）

休眠和抗寒性是植物抵抗冬季低溫的2種方式，分別由不同的環(huán)境因素所激活，是高等植物通過長(zhǎng)期自然選擇后適應(yīng)環(huán)境周期性變化而形成的生物學(xué)特征。光周期和溫度是植物響應(yīng)外界環(huán)境變化的2個(gè)主要信號(hào)，在植物年生長(zhǎng)周期的時(shí)間調(diào)節(jié)上起關(guān)鍵作用［1］。非低溫條件下，短光周期可以使芽提前進(jìn)入休眠誘導(dǎo)期，而在長(zhǎng)光周期處理下，植物的休眠誘導(dǎo)因子是低溫［2］。大量研究報(bào)道了光信號(hào)和溫度在這2 種類型休眠的誘導(dǎo)和解除中起到至關(guān)重要卻相反的作用，但這些環(huán)境因素的閾值和綜合效應(yīng)仍有待確定，本文主要針對(duì)植物休眠越冬策略進(jìn)行綜述。

1 光信號(hào)誘導(dǎo)植物休眠機(jī)制

1.1 植物響應(yīng)光周期休眠機(jī)制

光周期是休眠誘導(dǎo)的重要信號(hào)，在該信號(hào)影響下，植物體內(nèi)許多基因和蛋白質(zhì)經(jīng)歷著從活躍狀態(tài)到休眠狀態(tài)的轉(zhuǎn)變［3］，同時(shí)不同植物種類或同種植物不同類型，響應(yīng)光信號(hào)進(jìn)入休眠的生理模式也有所不同。例如葡萄（Vitis vinifera）在接受短日照（Short day, SD） 光周期信號(hào)進(jìn)入休眠期（Endodormancy, ED）后，內(nèi)部的生理代謝活動(dòng)也隨之發(fā)生變化，使其能夠在冬季低溫下存活，并且隨著ED 加深，芽的呼吸速率逐漸降低，二者之間呈反比關(guān)系［4］；北美葡萄（Vitis riparia）與雜交葡萄品種‘Seyval’的雜交子代F2 中，在長(zhǎng)日照（Long day,LD）和SD 兩種處理?xiàng)l件下，通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)了具有光周期誘導(dǎo)休眠響應(yīng)性差異的2 個(gè)F2 個(gè)體（F2-110，F(xiàn)2-040），并發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)蛋白的表達(dá)可能是葡萄芽?jī)?nèi)休眠的起始標(biāo)志［5］；此外不同基因型的葡萄所需誘導(dǎo)休眠的條件不同，部分葡萄品種隨著光照時(shí)間的減短而進(jìn)入休眠，而其他葡萄品種則需要低溫或低溫與短日照這2 種環(huán)境因素來誘導(dǎo)休眠［5］。隨著光周期長(zhǎng)度的改變和其對(duì)植物的持續(xù)作用，植物外部形態(tài)和內(nèi)部生物合成會(huì)發(fā)生一系列相應(yīng)轉(zhuǎn)變，來應(yīng)對(duì)接下來的低溫環(huán)境，如隨著季節(jié)性氣候變化，當(dāng)光周期短于生長(zhǎng)的臨界閾值（短日照；SD）會(huì)導(dǎo)致濕地松（Pinus elliottii）的生長(zhǎng)停止，最終形成包圍莖尖分生組織的頂芽和停止生長(zhǎng)的葉原基［6］，生長(zhǎng)停止后，隨后的SD 會(huì)逐漸使芽過渡到休眠狀態(tài)。植物冬季休眠的建立對(duì)其在低溫環(huán)境下的生存至關(guān)重要，休眠的特點(diǎn)是芽分生組織無法對(duì)生長(zhǎng)促進(jìn)信號(hào)做出反應(yīng)［7］。雞蛋花（Plumeria rubra）盆栽幼樹枝條，在13 h 光周期中能夠保持繼續(xù)生長(zhǎng)，但在每天12 h 日照條件下生長(zhǎng)則會(huì)停止［8］，冬季日照長(zhǎng)度短于11.7 h，植株保持休眠狀態(tài)，而在一月份13 h 光周期條件下，幼苗和插條的頂端休眠芽則會(huì)開始萌動(dòng)［8］。光周期的變化影響內(nèi)源基因的表達(dá)，這不同于反映受損程度的非適應(yīng)性反應(yīng)，而是一種能夠調(diào)整植物的生長(zhǎng)至特定水平的適應(yīng)性反應(yīng)［9-10］，如短日照會(huì)提高楊樹（Populus tomentosa）內(nèi)Branched 1（BRC1）的表達(dá)量，從而抑制下游基因Flowering Locus T 2（FT2）的表達(dá)［11］；生長(zhǎng)停滯是芽休眠前的一個(gè)必要階段［12］，楊樹中晝夜節(jié)律鐘基因Gigantea（GI）能夠直接調(diào)控FT2表達(dá)，下調(diào)FT2會(huì)抑制下游基因APETALA1（AP1）和AINTEGUMENTA（AIN1）的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)楊樹短日照誘導(dǎo)的生長(zhǎng)停滯和頂端芽形成［13-15］，此外，BRC1-FT2-AP13 個(gè)基因之間形成一個(gè)負(fù)反饋環(huán)，能夠控制季節(jié)性的生長(zhǎng)以應(yīng)對(duì)短日照［11］。紫花苜蓿（Medicago sativa）秋眠（Fall dormancy,FD）的主要環(huán)境誘導(dǎo)因子是SD，SD 處理誘導(dǎo)了光敏色素（Phytochrome B, PhyB）和脫落酸（ABA）的生物合成［16］。在楊樹中，SD 誘導(dǎo)ABA 的生成，能促進(jìn)ACID-INSENSITIVE3（ABI3）的表達(dá)［17］，ABI3阻止SD 誘導(dǎo)的閉合頂芽形成，促進(jìn)芽發(fā)育并抑制植物生長(zhǎng)［18-19］。SD 處理也可以促進(jìn)云杉（Picea asperata）休眠，并誘導(dǎo)休眠相關(guān)基因和與冷凍耐受性相關(guān)基因的后期激活［20］。休眠的云杉幼苗經(jīng)試驗(yàn)處理后栽培至適宜條件下，可以通過恢復(fù)正常生長(zhǎng)的時(shí)間和能力來評(píng)估幼苗休眠深度［21］。光周期長(zhǎng)短與植物的抗寒性密切相關(guān)，而溫度則能夠影響與植物活躍生長(zhǎng)相關(guān)的光合速率強(qiáng)度［21］，如SD 抑制芽的發(fā)育和生長(zhǎng)，而LD 通過誘導(dǎo)植物生長(zhǎng)延長(zhǎng)了生長(zhǎng)季節(jié)，然而不論光周期長(zhǎng)短，低溫均能延遲芽的發(fā)育［6］。

1.2 光質(zhì)信號(hào)調(diào)控生命活動(dòng)代謝

光是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子，而光質(zhì)在植物產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)的光合作用過程中扮演著重要角色［22］，并隨著季節(jié)性物候的改變而變化［23］。季節(jié)性的光質(zhì)變化通過調(diào)控植物生理代謝過程，能夠間接影響到植物休眠的誘導(dǎo)和解除。如紫外線B（Ultraviolet-B, UV-B）屬于紫外光的一種，在UV-B 輻射下，植物可能同時(shí)出現(xiàn)形態(tài)學(xué)變化和逆境脅迫響應(yīng)。較長(zhǎng)的波長(zhǎng)和低劑量UV-B 均能夠刺激植物的形態(tài)發(fā)生異常改變［24］。在基因水平上，光形態(tài)建成的關(guān)鍵激活因子和抑制因子分別是bZIP 轉(zhuǎn)錄因子Elongated hypocotyl 5（HY5）和E3 泛素連接酶Constitutively photomorphogenic 1（COP1）［25］，然而，HY5 轉(zhuǎn)錄調(diào)控光形態(tài)建成的模式，尤其是在UV-B 光下轉(zhuǎn)錄調(diào)控的模式尚不清楚。B-Box（BBX）蛋白是一類可以調(diào)節(jié)光依賴性生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)錄因子家族［26］，有研究發(fā)現(xiàn)HY5 在白光和UV-B 下直接與BBX31啟動(dòng)子結(jié)合并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄，并通過對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了BBX31正調(diào)控UV-B 信號(hào)傳導(dǎo)［27］。大多數(shù)已知能夠調(diào)節(jié)植物光形態(tài)發(fā)生的BBX 蛋白，均是以依賴于HY5 的方式發(fā)生作用［26］。光質(zhì)信號(hào)除通過影響光形態(tài)建成間接改變植物對(duì)低溫的抗性外，還有多種其他的方式能夠增加植物的低溫抗性，如在秋冬季節(jié)轉(zhuǎn)變過程中，降低紅光/遠(yuǎn)紅光（Red light/Far red light, R/FR）比例，低比例的R/FR 不僅可以通過激素途徑（如ABA）、C-repeat binding transcription factor（CBF）途徑調(diào)控番茄（Solanum lycopersicum）的低溫抗性［28］，而且也可以通過SlHY5-ABI5-RBOH1 途徑激活依賴于Proton gradient regulation 5（PGR5）的環(huán)式電子流等光保護(hù)途徑緩解低溫對(duì)番茄造成的光抑制損傷［29］。

在植物生物鐘系統(tǒng)中，通過感知外界光信號(hào)改變而啟動(dòng)下游基因的表達(dá)，從而誘導(dǎo)或解除休眠的，主要包含紅光受體Phytochromes（PHYs）和藍(lán)光受體Cryptochrome（CRYs）在內(nèi)的輸入系統(tǒng)。PHYB 作為光受體，在黑暗條件下轉(zhuǎn)變?yōu)殁g化無生物活性的形式，導(dǎo)致下游靶標(biāo)蛋白PHYTOCHROMEINTERACTING FACTOR 1（PIF1）在細(xì)胞核中積累，PIF1 誘導(dǎo)了Gibberellic acidinsensitive（Gai）的表達(dá)，下調(diào)種子中赤霉素（GA）水平，從而抑制種子萌發(fā)［30］，并且光質(zhì)的不同也能改變PHY 活性水平。在紅光（R）下，PHY 能夠從無生物活性的形式轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨问?，而在FR 光下該過程則相反［31］，這一發(fā)現(xiàn)與秋冬季R/FR 比例降低這一自然規(guī)律相吻合。但在對(duì)生長(zhǎng)在高緯度的挪威云杉（Picea abies）幼苗的研究中發(fā)現(xiàn)，在等光譜光子通量下，F(xiàn)R 光能夠比R 光更好地去保持樹木正常生長(zhǎng)，并且同時(shí)使用FR 光和R 光對(duì)植物體進(jìn)行光照，維持生長(zhǎng)的效果更好，推測(cè)2 種光質(zhì)間可能存在相互作用［32］。此外，在短日照誘導(dǎo)木本植物休眠的早期階段，光信號(hào)的成分變化在眾多影響因子中占主導(dǎo)地位［33］。這些研究結(jié)論都充分說明了光質(zhì)在光信號(hào)誘導(dǎo)休眠中發(fā)揮著重要作用。

1.3 植物激素調(diào)控休眠機(jī)制

植物在感知到外界光信號(hào)后，內(nèi)部會(huì)經(jīng)歷一系列的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，而植物激素的合成與釋放與光信號(hào)的傳導(dǎo)密不可分，一些植物激素參與植物冬季休眠的誘導(dǎo)或解除，調(diào)節(jié)植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性［34］。如SD 誘導(dǎo)歐洲山楊（Populus tremula）中ABA 受體的表達(dá)并增加芽中ABA 水平，然后ABA 含量上升介導(dǎo)了細(xì)胞內(nèi)鈣質(zhì)沉積和胞間連絲的關(guān)閉，阻礙生長(zhǎng)促進(jìn)物質(zhì)的運(yùn)輸，并進(jìn)一步誘導(dǎo)芽的內(nèi)休眠。然而ABA 不會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)停滯，進(jìn)一步表明內(nèi)休眠和生長(zhǎng)停滯是2 個(gè)不同的生理過程［35-36］。ABA 在建立和維持內(nèi)休眠過程中起關(guān)鍵作用，而GA 可以促進(jìn)發(fā)芽（短日照抑制GA），在楊樹休眠芽?jī)?nèi)，合成GA 的重要基因Populus tremula×P.tremuloides gibberellin-20（PttGA-20ox）表達(dá)量下降，而編碼阻遏GA 信號(hào)傳遞蛋白的基因gibberellin repressor（PttRGA）表達(dá)量上升，當(dāng)休眠芽轉(zhuǎn)向生長(zhǎng)時(shí)，相關(guān)基因表達(dá)呈現(xiàn)相反趨勢(shì)［37-38］，類似現(xiàn)象在葡萄及懸鉤子（Rubus corchorifolius）等植物上也有發(fā)現(xiàn)［39-40］。

植物休眠其他調(diào)節(jié)方式還包括活性氧和表觀遺傳修飾［41］。誘導(dǎo)激素合成和釋放的基因，在不同條件下的不同表達(dá)將幫助植物適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境變化，例如Short vegetative phase（SVP）的異位表達(dá)影響高寒地區(qū)（品種）獼猴桃（Actinidia chinensis）的休眠持續(xù)時(shí)間，對(duì)低寒地區(qū)（品種）獼猴桃的休眠持續(xù)時(shí)間影響極小，并與ABA存 在 互 補(bǔ) 作 用［42］。Short vegetative phase-like（SVL）是促進(jìn)楊樹芽?jī)?nèi)休眠的重要轉(zhuǎn)錄因子，與Transcription factor 18（TCP18）在低溫條件下表達(dá)量降低，并且都能負(fù)調(diào)控植物芽休眠的解除。在短光周期和低溫的誘導(dǎo)下，SVL 能夠直接促進(jìn)ABA合成基因Nine-cis-epoxycarotenoid dioxygenase 3（NCED3）的表達(dá)，正反饋調(diào)節(jié)ABA 信號(hào)傳導(dǎo)［34-43］。在低溫條件下Early bud break 1（EBB1）活性上升，能夠抑制SVL的表達(dá)并下調(diào)EBB3的表達(dá)量，而EBB3能夠直接激活CYCD3.1，進(jìn)而有助于分生組織細(xì)胞分裂和芽的萌發(fā)［44］。

植物休眠的形成和解除過程中，基因表達(dá)發(fā)生一系列變化，其中一個(gè)重要方面就涉及到抗氧化反應(yīng)。休眠芽為了維持正常生理活動(dòng)，主動(dòng)清除由外界環(huán)境脅迫產(chǎn)生的有害物質(zhì)進(jìn)而引起相關(guān)基因的表達(dá)變化［39-40］。以廣泛存在于植物細(xì)胞中的活性氧（ROS）為例，在植物的生長(zhǎng)和發(fā)育過程中，ROS具有破壞活細(xì)胞和控制植物其他生命活動(dòng)如細(xì)胞分裂、根生長(zhǎng)和脅迫反應(yīng)［45］的雙重作用，因此解析控制活性氧平衡的調(diào)控機(jī)制具有極為重要意義。多種激素的釋放能夠?qū)?xì)胞內(nèi)活性氧含量產(chǎn)生影響，如在水稻（Oryza sativa）種子萌發(fā)中，ABA 可以抑制ROS 產(chǎn)生［46］。在臭氧誘導(dǎo)的程序性細(xì)胞死亡和病原體響應(yīng)中，乙烯可以促進(jìn)ROS 的積累；而在鹽脅迫條件下，乙烯通過減少ROS 積累從而保護(hù)幼苗［46-47］。以上研究暗示乙烯抑制活性氧的積累而ABA 促進(jìn)了活性氧的積累，另有研究發(fā)現(xiàn)這種對(duì)ROS 相反的調(diào)控作用是由抗壞血酸（AsA）介導(dǎo)的［48］，AsA 的生物合成是乙烯和ABA 調(diào)控ROS的關(guān)鍵因素［48-49］。利用乙烯和ABA 信號(hào)通路中關(guān)鍵基因的突變體驗(yàn)證表明，乙烯和ABA 通過調(diào)控Ethylene-insensitive3（EIN3） 和Abainsensitive 4（ABI4）來調(diào)控AsA 的生物合成［50-51］。在乙烯調(diào)控AsA 的生物合成過程中，EIN3 可以在轉(zhuǎn)錄水平 上 抑 制ABI4，而Vitaminc defective 2（VTC2）是ABI4的直接靶標(biāo)，可以影響AsA 的生物合成和ROS 積 累［50］。ABA 和 乙 烯 通 過EIN3-ABI4-VTC2 這一轉(zhuǎn)錄機(jī)制控制AsA 的生物合成，調(diào)控細(xì)胞中ROS 含量，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)逆境環(huán)境的響應(yīng)與適應(yīng)。有關(guān)光周期介導(dǎo)植物休眠調(diào)控機(jī)制的研究概述如圖1所示。

圖1 光周期介導(dǎo)的休眠調(diào)控機(jī)制Fig. 1 Dormancy regulation mechanism mediated by photoperiod

2 低溫誘導(dǎo)植物休眠

溫度升高可以解除種子休眠，如楓楊（Pterocarya stenoptera）種子在25 ℃條件下萌發(fā)效果最好［52］，而低溫則可以直接引起植物細(xì)胞中生物分子的物理或化學(xué)變化，從而觸發(fā)細(xì)胞的應(yīng)激反應(yīng)，但這種反應(yīng)的觸發(fā)大多由間接方式引起［53］。如低溫耐寒性（Cold hardiness, CH）主要通過植物細(xì)胞內(nèi)水的過冷發(fā)生，這是與低溫放熱（Low temperature exotherm, LTE）相關(guān)的現(xiàn)象。溫帶植物過冷已被公認(rèn)為一種抗凍機(jī)制，深度過冷水的低溫放熱是梅花（Prunus mume）凍害閾值的信號(hào)［54］。研究表明，梅花的皮部組織和木質(zhì)部在冰凍過程存在很大差異，皮部只有1 次放熱，而木質(zhì)部存在2 次或多次放熱［54］。植物通過內(nèi)部生理調(diào)節(jié)可以增強(qiáng)自身的耐寒性，如在葡萄休眠芽中發(fā)生的分生組織細(xì)胞，其中淀粉含量的增加和細(xì)胞壁（Cell wall, CW）的增厚，可能有利于增強(qiáng)植物的低溫耐寒性。與ED 相關(guān)的CW 增厚和淀粉的合成是由SD 光周期誘導(dǎo)的，而淀粉的水解，可溶性糖的積累和與CH 相關(guān)的脫水蛋白基因的上調(diào)表達(dá)，則是由低溫誘導(dǎo)［55］。低溫還可以通過調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)，從而誘導(dǎo)植物休眠，如梅花花芽轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表明，低溫誘導(dǎo)8 個(gè)CBFs基因的表達(dá)顯著上調(diào)，直接促進(jìn)6 個(gè)休眠相關(guān)MADS-box 基因表達(dá)，從而建立花芽休眠調(diào)控模型［54］。此外，梅花PmDAM基因在花芽中被低溫誘導(dǎo)表達(dá)，PmCBFs 和PmDAM 間通過相互作用共同參與花芽休眠與休眠解除調(diào)控［56］。在櫻桃（Prunus pseudocerasus）中，休眠過渡期中的DNA 甲基化和siRNA 參與到MAD-box 基因調(diào)控［57］，并且DNA甲基化可能作為低溫早期的傳感器，導(dǎo)致特異性基因型的重新編程，進(jìn)而改變基因的表達(dá)［58］。扁豆（Lablab purpureus）冷馴化轉(zhuǎn)錄組中，鑒定出能夠編碼富含甘氨酸的蛋白質(zhì)（Glycine-rich proteins,GRPs）和其他跨膜蛋白的基因，這些基因總體趨勢(shì)是在扁豆冷耐受植株中高表達(dá)［59］。在自然田間條件下秋季休眠的苜蓿通常表現(xiàn)出比非休眠品種更強(qiáng)的耐寒性，此外在秋季苜蓿品種硬化期，秋季休眠和植物所處環(huán)境對(duì)Cold-acclimation specific protein 18（CAS18），Vegetative storage protein（VSP）和Galactinol synthase基因的誘導(dǎo)表達(dá)有重要作用，并且持續(xù)的低溫可能會(huì)對(duì)苜蓿生產(chǎn)力產(chǎn)生顯著影響［60］。研究證明，相較于溫度，低溫持續(xù)時(shí)長(zhǎng)對(duì)于植物休眠的打破有著更大的作用［61］。在水稻群體中克隆并鑒定了抗寒性相關(guān)數(shù)量性狀位點(diǎn)(Quantitative trait locus, QTL)，其中的HAN1基因編碼一種氧化酶，催化具有活性的jasmonoyl-L-isoleucine(JA-Il) 轉(zhuǎn)化為非活性的12-hydroxy-JA-Ile (12OH-JA-Ile)，進(jìn)而調(diào)控JA 介導(dǎo)的低溫反應(yīng)［62］。最新研究表明，粳稻和秈稻的HAN1基因，在其馴化過程中，發(fā)生了自然變異。其中粳稻的一個(gè)亞群擴(kuò)展到東南亞的熱帶地區(qū)，并演變成熱帶粳稻，另一個(gè)亞群，被稱為溫帶粳稻；其原因是這2 種粳稻生態(tài)型分化過程中，一個(gè)來自溫帶粳稻的特異等位基因在HAN1啟動(dòng)子中獲得了與MYB 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的順式元件，增強(qiáng)了溫帶粳稻的抗寒性，使其能夠適應(yīng)溫帶氣候［62］。有關(guān)植物響應(yīng)低溫的休眠調(diào)控機(jī)制如圖2所示。

圖2 低溫介導(dǎo)的休眠調(diào)控機(jī)制Fig. 2 Dormancy regulation mechanism mediated by low temperature

3 光、溫耦合信號(hào)調(diào)控植物休眠

季節(jié)變化時(shí)（如夏季到秋季），植物必然會(huì)發(fā)生一系列內(nèi)部反應(yīng)，主動(dòng)適應(yīng)氣溫降低、日照時(shí)間變短以及R/FR 比例降低等環(huán)境變化［63-64］。如俄羅斯西北部地區(qū)的持續(xù)調(diào)查結(jié)果表明，隨著季節(jié)的改變，無論樺木（Betula platyphylla）的具體特征如何，主要分子量為17 kD 的低分子脫水蛋白（Dehydrin）表達(dá)水平都會(huì)發(fā)生顯著變化，在秋季，植物休眠期前合成的低分子脫水蛋白含量達(dá)到一年中的最高水平，并在寒冷期較長(zhǎng)時(shí)間維持高水平［65］；夏末，芽生長(zhǎng)能力的下降和喪失是芽進(jìn)入休眠狀態(tài)的直接表現(xiàn)［66］。植物長(zhǎng)期進(jìn)化形成了對(duì)季節(jié)變化的適應(yīng)性，主要表現(xiàn)為通過整合多種環(huán)境刺激和激素信號(hào)來合理平衡生長(zhǎng)和低溫抗性，使得植物通過減緩生長(zhǎng)與提前誘導(dǎo)抗寒性來適應(yīng)季節(jié)轉(zhuǎn)變。如低溫誘導(dǎo)了番茄光敏色素Phytochrome A（PhyA）基因的轉(zhuǎn)錄和bZIP 轉(zhuǎn)錄因子SlHY5的積累，并在低R/FR 比率的短日照條件下更為明顯。光溫耦合信號(hào)加強(qiáng)了SlHY5的轉(zhuǎn)錄積累，而該基因過表達(dá)能增強(qiáng)番茄的低溫耐受性［67］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，低溫下，SlHY5可以直接結(jié)合并激活編碼GA 失活酶的Gibberellin 2-oxidase 4基因，從而顯著降低GA 含量；同時(shí)，SlHY5通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控ABA 合成酶基因SlNCED6的表達(dá)，促進(jìn)ABA 積累。因此，溫度降低、日照變短及R/FR 比例下降，誘導(dǎo)依賴于PhyA 的SlHY5大量積累，引起ABA/GA 比例增加，導(dǎo)致植株生長(zhǎng)減緩且抗寒性增強(qiáng)［67］。此外，光溫耦合信號(hào)還是解除植物種子休眠，促進(jìn)萌發(fā)的重要方式，在單因素影響效果不明顯的情況下，利用光溫耦合因素可以起到很好效果，前人通過探究引種歐洲垂枝樺（Betula pendula） 的 適 宜 環(huán) 境 條 件， 發(fā) 現(xiàn) 在25 ℃和150 μmol/(m2·s)的光照條件下，種子萌發(fā)效果最好［68］。

模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）存在2類生態(tài)型，一類為早花的速生生態(tài)型（哥倫比亞型；Col，Columbia），一類為響應(yīng)“春化作用”的越冬生態(tài)型（蘭德博格型；Ler，Landsberg erecta）；速生型由越冬型突變而來。早在1955 年，就已發(fā)現(xiàn)在越冬生態(tài)型中，存在一個(gè)命名為Frigida（FRI）的位點(diǎn)，該位點(diǎn)決定擬南芥種子越冬習(xí)性的形成［69］。隨后的遺傳分析表明FRI位于開花抑制基因FLC的上游，通過促進(jìn)FLC表達(dá)，從而抑制植物在越冬（春化）前開花，這一機(jī)制廣泛存在于十字花科植物中。2000 年，F(xiàn)RI基因被圖位克隆，編碼一個(gè)植物特有的支架蛋白（Scaffold protein），該蛋白并不直接與DNA 序列結(jié)合［70］。近二十年來，已發(fā)現(xiàn)20 多個(gè)蛋白參與FRI對(duì)FLC位點(diǎn)的激活，多數(shù)為染色質(zhì)修飾因子如組蛋白H3K36 甲基轉(zhuǎn)移酶（Methyltransferase）、組蛋白H3K4 甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合體（Methyltransferase complex）、組蛋白H2B 泛素化的UBC-HUB（ubiquitin conjugating enzymehistone mono ubiquitination）復(fù) 合 體 等［71-73］。何躍輝等發(fā)現(xiàn)FRI 作為一個(gè)支架蛋白，起到“分子膠水”(Molecular glue) 作用，將參與FLC表達(dá)激活的染色質(zhì)因子及其它調(diào)控因子聚合在一起，形成一個(gè)超級(jí)蛋白復(fù)合體（Supercomplex），在FLC位點(diǎn)5'端富集，從而激活FLC 表達(dá)。這個(gè)超級(jí)復(fù)合體的成員還在FLC3'端下游區(qū)域富集，促進(jìn)FLC位點(diǎn)空間結(jié)構(gòu)的改變，形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)（5' to 3'gene looping）［74］。因此FRI不僅激活FLC的表達(dá)，也促進(jìn)FLC位點(diǎn)3'端的反義非編碼基因RNACOOLAIR表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，常溫下FLC 位點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物包括正向的FLC和反向的COOLAIR，F(xiàn)LC表達(dá)的同時(shí)，COOLAIR被FRI超級(jí)復(fù)合體激活，且COOLAIR高水平表達(dá)能抑制FLC表達(dá)［75］。綜上，擬南芥種子通過FRI 和FLC 2 種蛋白質(zhì)，整合包括溫度和光周期等季節(jié)信號(hào)以優(yōu)化發(fā)育過渡的時(shí)間，F(xiàn)RI 通過超級(jí)復(fù)合體改變FLC 位點(diǎn)的局部染色質(zhì)環(huán)境，從而激活FLC 表達(dá)、促進(jìn)轉(zhuǎn)錄延伸和共轉(zhuǎn)錄加工（圖3），使其經(jīng)歷冬季低溫積累后才具備開花能力，保護(hù)植物安全越冬。

圖3 擬南芥響應(yīng)外界環(huán)境變化的休眠過程Fig. 3 Dormancy process of Arabidopsis thaliana in response to changes in external environment

4 結(jié)語

研究外界環(huán)境信號(hào)誘導(dǎo)植物休眠的分子機(jī)制，對(duì)于抗寒植物育種具有重要意義。本文系統(tǒng)梳理了國(guó)內(nèi)外植物抗寒性研究的最新進(jìn)展，分別從光信號(hào)誘導(dǎo)植物休眠的機(jī)制及其對(duì)越冬的影響、低溫誘導(dǎo)植物休眠和光溫耦合信號(hào)對(duì)植物休眠的影響3 方面系統(tǒng)介紹了植物應(yīng)對(duì)冬季低溫的策略，其中的光質(zhì)信號(hào)和光溫耦合信號(hào)調(diào)控植物休眠的相關(guān)內(nèi)容較少見于其他同類綜述，涵蓋的植物除傳統(tǒng)的模式植物擬南芥、水稻和楊樹外，還包括了樺木、梅花、葡萄、番茄、苜蓿等林木及園藝作物。然而有關(guān)植物休眠機(jī)制的研究中，仍有一些重要的問題需要進(jìn)一步深入研究。

（1）以往研究多集中在植物營(yíng)養(yǎng)器官上，而對(duì)生殖器官（如木本植物的花芽）等研究較少，花芽休眠對(duì)果樹的生產(chǎn)具有重要影響；

（2）芽的內(nèi)休眠一般發(fā)生在秋季，此時(shí)一些地區(qū)仍處于溫暖氣候下，雖然人工環(huán)境中的低溫和短日照能夠誘導(dǎo)植物內(nèi)休眠，但尚不清楚自然環(huán)境下是否存在更復(fù)雜的環(huán)境信號(hào)綜合調(diào)控植物休眠過程；

（3）通過分子生物學(xué)手段，敲除或提高某些基因的表達(dá)能夠顯著增強(qiáng)植物的抗寒性，但同時(shí)會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育也產(chǎn)生不利影響，如致使植株生長(zhǎng)緩慢，矮化等。如何綜合利用生物工程技術(shù)避免無益性狀的產(chǎn)生是研究成果落地的重要參考依據(jù)。

綜上所述，未來研究應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)植物生殖器官響應(yīng)外界環(huán)境信號(hào)變化的分子調(diào)控機(jī)制研究；由于誘導(dǎo)植物休眠的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑眾多，探究不同途徑之間的相互影響是新的研究方向；同時(shí)科研工作者還需要加強(qiáng)科學(xué)研究與生產(chǎn)實(shí)踐之間的聯(lián)系，將抗寒性研究與植物品種栽培技術(shù)體系聯(lián)系起來，以期為今后的植物抗寒育種體系的建立提供理論基礎(chǔ)。