王雪妍，崔云斌，李 妍，拉門措，韓富忠，鄒登朗

(1.青海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 青海省青藏高原生物多樣性形成機(jī)制與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008；2.青海省黃南州麥秀林場，青海 麥秀 811401)

引言

被譽(yù)為“世界屋脊”的青藏高原是世界上海拔最高的高原[1]，平均海拔4 000 m，絕大多數(shù)地區(qū)平均氣溫不到0 ℃，是高寒區(qū)域。海拔高、輻射強(qiáng)、氣溫低是青藏高原獨(dú)有的生態(tài)環(huán)境，因此這里是研究生物、環(huán)境、地理、資源等方面的天然實(shí)驗(yàn)場地[2]。

低溫是青藏高原限制生物生活繁衍的主要因素之一，影響著動(dòng)植物的分布，在此區(qū)域生存的生物在長期的進(jìn)化過程中形成了適應(yīng)低溫環(huán)境的機(jī)制[3]，以抵抗惡劣環(huán)境的影響。本文就青藏高原生物對(duì)于低溫適應(yīng)機(jī)制展開論述，為低溫適應(yīng)機(jī)制的研究和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 青藏高原植物低溫適應(yīng)的研究

青藏高原高山密布，地形復(fù)雜險(xiǎn)峻，海拔平均在4 000 m以上，各處的高山落差大，層次不齊；氣候方面，紫外輻射強(qiáng)、日照多、溫度低、溫差大。其中溫度低這一因素限制著高原地區(qū)植物的生產(chǎn)[4]，有關(guān)研究表明，每年因?yàn)榈蜏卦斐芍参锂a(chǎn)量的降低而損失數(shù)千億元，研究植物適應(yīng)高原低溫的機(jī)制，具有很重要的科學(xué)意義[5]。

1.1 植物低溫下生理機(jī)制研究

低溫是青藏高原植物生長的抑制因子之一，高原植物的細(xì)胞膜因低溫受損是影響其生長繁殖的根本原因[6]。在低溫條件下細(xì)胞內(nèi)部活性氧代謝受到影響，膜脂增大過氧化作用，使細(xì)胞膜發(fā)生一系列嚴(yán)重?fù)p傷[7]。膜脂過氧化分解的最終產(chǎn)物是丙二醛，通過丙二醛的含量可以推斷細(xì)胞膜受損的程度。高等植物經(jīng)過多年對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，形成了較完善的抗氧化機(jī)制以應(yīng)對(duì)不良環(huán)境，包括抗氧化酶系統(tǒng)(如過氧化物酶POD、過氧化氫酶CAT、超氧化物歧化酶SOD)以及其他抵抗氧化的物質(zhì)[8]，例如類胡蘿卜素、脯氨酸、谷胱甘肽、抗壞血酸等，這些物質(zhì)在體內(nèi)可以及時(shí)清除活性氧分子，維持機(jī)體氧代謝平衡，減少過氧化導(dǎo)致的破壞，保護(hù)細(xì)胞膜，增強(qiáng)植物整體對(duì)于低溫的適應(yīng)[9]。

此外，青藏高原低溫的環(huán)境會(huì)導(dǎo)致植物光合作用效率降低[10]，表現(xiàn)為光和色素含量減少，光合酶活性和對(duì)應(yīng)基因的表達(dá)下調(diào)；生物通過增加或減少調(diào)節(jié)滲透小分子所需的物質(zhì)，保持植物細(xì)胞間的物質(zhì)交換平衡，降低低溫對(duì)于植物生存的壓力[11]。有研究發(fā)現(xiàn)，植物抗低溫與次黃酮等次生代謝產(chǎn)物、可溶蛋白、脯氨酸含量的多少有關(guān)，因此說明低溫環(huán)境使植物激素水平發(fā)生改變[12]。

1.2 植物低溫下分子機(jī)制研究

植物對(duì)于低溫條件下的分子調(diào)控途徑的研究很多，而具體機(jī)制有待進(jìn)一步驗(yàn)證。鈣離子在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)過程中發(fā)揮著次生信使的作用，低溫會(huì)使Ca2+加速產(chǎn)生并向下傳導(dǎo)，使植物對(duì)應(yīng)通路激活，產(chǎn)生應(yīng)答反應(yīng)，Ca2+通道很可能是低溫信號(hào)的受體[13]。有關(guān)科研人員通過水母的發(fā)光蛋白依賴鈣離子機(jī)制發(fā)現(xiàn)了植物細(xì)胞的Ca2+在低溫環(huán)境下40 s做出動(dòng)態(tài)回應(yīng)。有報(bào)道稱在高等植物和一些原核生物中，受低溫影響后，細(xì)胞膜的流動(dòng)性降低，很可能是激活Ca2+信號(hào)傳導(dǎo)的最初反應(yīng)，隨后Ca2+進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，激活MAPK信號(hào)級(jí)聯(lián)效應(yīng)，與鈣響應(yīng)蛋白激酶和受體蛋白激酶一起調(diào)控COR基因的表達(dá)。受體激酶CRLK1能將Ca2+與信號(hào)通路結(jié)合起來，對(duì)低溫激活MAPK通路起重要作用。同時(shí)COLD1可能也是低溫激活受體，該蛋白位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜和脂膜之間，與G蛋白的α亞基RGA1結(jié)合，且有學(xué)者猜測其自身可能是響應(yīng)低溫條件的Ca2+通道[14]。

目前針對(duì)低溫信號(hào)通路的研究比較細(xì)致的是ICE-CBF轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)，低溫影響基因CBF的快速表達(dá)，CBF/DREBs可以與下游基因COR啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合，激活表達(dá)，該途徑負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)多種生物功能，例如細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)、激素形成與行使功能、轉(zhuǎn)錄和調(diào)節(jié)、磷酸肌醇的代謝、ROS解毒等。通過對(duì)基因表達(dá)的研究，將擬南芥中基因CBFs轉(zhuǎn)載到其他植物，可以提高對(duì)低溫的適應(yīng)性，反之?dāng)M南芥接受其他植物的該基因，也可提高耐受性[15]。

CBFs基因?qū)?yīng)的激活子和抑制子調(diào)控該基因的表達(dá)，CBF3啟動(dòng)子所在區(qū)域需要ICE1編碼bHLH轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合后激活表達(dá)。若擬南芥中CBF3缺失，植株將對(duì)溫度變化表現(xiàn)敏感，而增強(qiáng)CBF2、CBF3等基因表達(dá)，則會(huì)提高植株抗寒性。CBF的翻譯修飾也起重要作用，在擬南芥中，由于ICE1被E3泛素連接酶泛素化，使26S酶體降解[16]。

CBF不依賴的信號(hào)通路在低溫響應(yīng)中起很重要作用，轉(zhuǎn)錄組分析僅有12%的低溫表達(dá)基因和CBFs調(diào)控有關(guān)。例如在大豆中，響應(yīng)低溫信號(hào)的C2H2蛋白SCOF1通過上調(diào)bZip和G-box結(jié)合因子1的DNA結(jié)合誘導(dǎo)下游CORs表達(dá)。

在研究植物對(duì)低溫的分子機(jī)制中，對(duì)轉(zhuǎn)錄組的研究可以從整體研究基因結(jié)構(gòu)和功能，揭示出研究的生物學(xué)過程及分子機(jī)制。高通量測序的轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)RNA-Seq是目前先進(jìn)的研究植物轉(zhuǎn)錄組的工具，可以在信使RNA基礎(chǔ)上對(duì)植物在低溫脅迫的條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)錄水平和表達(dá)情況的研究，通過結(jié)果揭示出植物對(duì)于低溫環(huán)境下的適應(yīng)機(jī)制， 便于之后的研究[17]。

1.3 青藏高原植物對(duì)于低溫適應(yīng)的研究進(jìn)展

針對(duì)青藏高原植物來說，適應(yīng)低溫的能力受多種因素影響，例如細(xì)胞膜因氧化受損，可以通過觀察電解質(zhì)滲透水平判斷細(xì)胞膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在青藏高原上生長的植物是研究極端環(huán)境資源的良好材料[18]，從中可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過自然選擇后的優(yōu)良基因，例如青藏高原上生長的野生垂穗披堿草，是分布廣的優(yōu)良牧草，其強(qiáng)大的再生性、高營養(yǎng)價(jià)值、抵抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)的特點(diǎn)是研究植物抗逆性的理想材料。

2 青藏高原動(dòng)物低溫適應(yīng)的研究

青藏高原有世界“第三極”的稱號(hào)，其復(fù)雜的環(huán)境和氣候?qū)τ谕林鴦?dòng)物的適應(yīng)和進(jìn)化有重要影響，尤其低溫使生活在高原上的動(dòng)物進(jìn)化出自己的機(jī)制來維持種群生存。經(jīng)多次科考，青藏高原有約2 340種昆蟲、約152種魚類、約1 047種陸地脊椎動(dòng)物，其中高原鼠兔、藏羚羊等是青藏高原獨(dú)有的物種，因此，研究動(dòng)物對(duì)于低溫的適應(yīng)對(duì)科學(xué)界有重要意義[19]。

動(dòng)物對(duì)于低溫適應(yīng)包括兩方面：耐寒性和耐凍性。耐寒性是動(dòng)物在遇到低溫的情況下，防止體內(nèi)結(jié)冰，維持過冷卻狀態(tài)，使體液保持流動(dòng)，避免機(jī)體受到損傷，例如陸地的無脊椎動(dòng)物為了應(yīng)對(duì)低溫環(huán)境，產(chǎn)生抗凍蛋白或產(chǎn)生高濃度糖來降低冰點(diǎn)。耐凍性是機(jī)體遇到低溫的情況下，保持體液流動(dòng)而不凝固的現(xiàn)象，但是也有例外，比如生活在南極的線蟲。抵抗結(jié)冰的動(dòng)物會(huì)產(chǎn)生抗凍劑保證水分的流動(dòng)和維持細(xì)胞的穩(wěn)定性，在滿足耐低溫的條件下，其還需滿足因?yàn)轶w液流動(dòng)性下降的耐缺氧性[20]。

機(jī)體產(chǎn)生的防凍保護(hù)液是為了阻止細(xì)胞膜的相變，防止細(xì)胞結(jié)冰脫水后水的置換，保證了糖類保護(hù)劑的正常功能，例如葡萄糖和膜上的磷脂基團(tuán)相互作用形成氫鍵，阻止細(xì)胞膜在脫水后的結(jié)合，同時(shí)增加膜的流動(dòng)性，降低了相變所需溫度，保持細(xì)胞膜目前的結(jié)構(gòu)；甘油、蘇鮮糖醇和蘇糖醇可與體內(nèi)的水結(jié)合，增加體內(nèi)結(jié)合水的比例，變相維持細(xì)胞膜上蛋白的正常功能，維持細(xì)胞膜流動(dòng)性，降低凍傷幾率[21]。

青藏高原上的兩棲爬行類動(dòng)物在遇到低溫的情況下，在原有膜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上重新構(gòu)建細(xì)胞膜，開啟機(jī)體應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境的策略，即改變膜上蛋白成分，阻止外部冰晶對(duì)膜的傷害，產(chǎn)生出的小分子可以穩(wěn)定和促進(jìn)細(xì)胞膜的功能，起到保護(hù)作用，維持機(jī)體完整性。在青藏高原上生活的變溫動(dòng)物應(yīng)對(duì)低溫的策略是進(jìn)化出一種調(diào)節(jié)體內(nèi)代謝的能力，通過對(duì)體內(nèi)酶活性的調(diào)節(jié)，維持體內(nèi)代謝平衡。有研究表明，昆蟲面對(duì)低溫會(huì)產(chǎn)生多種保護(hù)劑，表現(xiàn)在體內(nèi)的糖原磷酸化所需的酶在低溫條件下活化[22]。

對(duì)于高等動(dòng)物而言，糖代謝過程中肝臟起主要作用，它負(fù)責(zé)儲(chǔ)存糖原，同時(shí)有糖異生和糖分化分解功能的作用，同時(shí)合成抗凍蛋白，將其釋放到血液中，針對(duì)冬眠的動(dòng)物有很關(guān)鍵的作用[23]。在機(jī)體缺乏能量的情況下，腎臟中針對(duì)糖異生的限速酶激活，產(chǎn)出葡萄糖為機(jī)體供能，提高動(dòng)物耐寒能力。

3 青藏高原典型生物低溫適應(yīng)的研究

3.1 青海沙蜥對(duì)于低溫的適應(yīng)

基于青藏高原環(huán)境低溫的特征，大量的學(xué)者聚焦于適應(yīng)高海拔低溫條件下的物種[24]，除恒溫動(dòng)物外，變溫動(dòng)物對(duì)高海拔低溫的環(huán)境有顯著變化。在高原上的沙蜥屬蜥蜴屬于寒漠種，不同于荒漠種的是其對(duì)于高原低溫環(huán)境的獨(dú)特適應(yīng)機(jī)制[25]。有研究表明，不同海拔棲息的青海沙蜥應(yīng)對(duì)寒冷有不同的應(yīng)激指標(biāo)，生活在高海拔的體內(nèi)丙二醛含量有組織特異，具體表現(xiàn)在腦中降低，在肌肉中增多，肝臟等器官?zèng)]有明顯影響，在高海拔區(qū)域肌肉中抗氧化劑含量有所降低，以此應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境[26]。

3.2 高原鼠兔對(duì)于低溫的適應(yīng)

在青藏高原上生活著一種獨(dú)特的動(dòng)物—鼠兔，是鼠兔科小型動(dòng)物，具有研究的代表性。其具有抵抗低溫、耐缺氧環(huán)境的特點(diǎn)，鼠兔對(duì)于耐低溫也采取與大多哺乳動(dòng)物類似的適應(yīng)機(jī)制[27]，即利用棕色脂肪組織產(chǎn)熱，同時(shí)機(jī)體內(nèi)白色脂肪也會(huì)發(fā)生分化，作用在內(nèi)臟的脂肪區(qū)域，提高線粒體活性，提高解耦連蛋白1的含量，為機(jī)體提供能量產(chǎn)熱。為了應(yīng)對(duì)低溫，鼠兔的心臟肌肉細(xì)胞線粒體含量增高，骨骼肌線粒體、組織的微血管密度升高，脂肪代謝是依靠瘦素減少外部脂肪堆集，提供非震動(dòng)產(chǎn)熱以此使機(jī)體度過不良環(huán)境[28]。

研究表明，鼠兔在低溫環(huán)境下維持的通氣反應(yīng)中， 色氨酸家族和AMPA受體參與了對(duì)呼吸中樞的控制，在面對(duì)低溫刺激時(shí)，通氣反應(yīng)受神經(jīng)遞質(zhì)、五羥色胺濃度的變化而增加，增強(qiáng)機(jī)體的代謝，體內(nèi)血紅蛋白濃度增高，增加氧氣的運(yùn)輸，能量產(chǎn)出變快，便于鼠兔在低溫條件下生存[29]。

3.3 青藏高原牦牛對(duì)于低溫的適應(yīng)

牦牛主要生存在我國青藏高原及周邊地區(qū)，是高海拔地區(qū)獨(dú)有的牛種，其生命力強(qiáng)，生活在海拔3 000～5 000 m的區(qū)域，能適應(yīng)零下30～40 ℃的極端環(huán)境，適應(yīng)55 000 Pa左右的低壓環(huán)境，也能在氧氣稀薄的條件下維持生存，被譽(yù)為“高原之舟”[30]。

有研究表明，牦牛相比于低海拔地區(qū)黃牛的心肺指數(shù)有明顯升高，肺血管數(shù)和肺泡數(shù)數(shù)目多；為適應(yīng)低溫環(huán)境，呼吸速率和脈搏增快，通氣氣管粗大[31]，軟骨較窄，便于在高原上增加通氣反應(yīng)和血液中氧氣運(yùn)輸?shù)哪芰?，并降低在高原上低溫帶來的不良影響。有研究表明，牦牛心臟、肌肉等多處組織中HIF-1α均有表達(dá)，對(duì)于牦牛在低溫低氧環(huán)境下生存起重要作用。吳曉云等[32]將牦牛EPAS1和VEGF-A基因與高原黃牛做了表達(dá)及SNPs檢測分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)物種的基因表達(dá)量有明顯的差異，牦牛很可能通過長期進(jìn)化，形成了特有的適應(yīng)高原低溫的遺傳特征。

4 總結(jié)與展望

青藏高原地區(qū)廣闊，生物復(fù)雜多樣，聚集著高寒生物和豐富的適應(yīng)環(huán)境的遺傳基因，是大量學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。低溫低氧的環(huán)境制約各種生物的生存和繁衍，長期生活在青藏高原上的生物歷經(jīng)漫長的進(jìn)化后形成了應(yīng)對(duì)低溫的獨(dú)特適應(yīng)機(jī)制。

本文通過對(duì)生活在青藏高原的生物應(yīng)對(duì)低溫環(huán)境的生理和通路機(jī)制方面研究的敘述，認(rèn)為青藏高原生物生活在高海拔地區(qū)，面對(duì)低溫條件都有各自應(yīng)對(duì)的機(jī)制，總體集中在形態(tài)、生理、生化水平上，今后隨著科研技術(shù)的更新，對(duì)于此方面研究應(yīng)更多從基因水平上入手，發(fā)現(xiàn)更多低溫激活的通路對(duì)于科學(xué)研究有重要意義。