， 一博， ， (內(nèi)蒙古科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

·綜述·

植物耐受低溫脅迫研究進(jìn)展

趙慧，趙一博，郭江波，辛翠花
(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

低溫脅迫是世界范圍內(nèi)影響植物產(chǎn)量和品質(zhì)的主要非生物脅迫。本文綜述了低溫脅迫對(duì)植物保護(hù)性酶系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、根系、葉綠素含量、基因表達(dá)的影響及植物響應(yīng)機(jī)理，同時(shí)，初步闡述了表觀遺傳修飾與低溫脅迫的關(guān)系，探討了今后結(jié)合分子生物學(xué)、代謝組學(xué)和栽培措施改善植物耐受低溫性等方面的研究，為植物耐低溫種質(zhì)資源的篩選和新品種的選育提供重要的理論基礎(chǔ)。

低溫脅迫; 響應(yīng)機(jī)理; DNA甲基化

植物是生物界的一大類，其生長發(fā)育和周圍環(huán)境密切相關(guān)，其中溫度涉及植物的營養(yǎng)物質(zhì)吸收和利用，氧化代謝，蛋白質(zhì)合成等多條途徑，而低溫脅迫是最主要的非生物脅迫因子之一。當(dāng)今氣候異常，農(nóng)作物受低溫脅迫危害日益嚴(yán)重，據(jù)推測(cè)，氣溫每降低1 ℃，水稻產(chǎn)量就會(huì)下降40%[1]。本文就植物如何響應(yīng)低溫脅迫及從表觀遺傳學(xué)層面分析DNA甲基化介導(dǎo)的逆境脅迫進(jìn)行系統(tǒng)綜述，同時(shí)對(duì)該領(lǐng)域存在的問題和未來研究方向進(jìn)行展望。

1 低溫脅迫對(duì)植物生理生化的影響

1.1 低溫脅迫對(duì)保護(hù)性酶系統(tǒng)的影響

低溫脅迫下植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧自由基，膜脂和膜蛋白互作構(gòu)型發(fā)生改變，活性氧產(chǎn)生和清除的平衡受到破壞，隨著脅迫加重，超過保護(hù)酶系統(tǒng)SOD、POD、CAT協(xié)同作用清除能力，H2O2大量積累，細(xì)胞膜透性增大，植物受傷害而死亡[2]。潘明君等[3]研究表明，低溫脅迫刺激煙草葉片產(chǎn)生更多的自由基，加快膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物MDA的積累，MDA與細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)、酶等結(jié)合、交聯(lián)并使之失活，SOD、POD、CAT活性呈先上升后下降的趨勢(shì)，打破保護(hù)酶系統(tǒng)平衡，導(dǎo)致一系列生理生化代謝紊亂。

1.2 低溫脅迫對(duì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)作為細(xì)胞內(nèi)的保護(hù)物質(zhì)，其含量與植物抗逆性呈正相關(guān)。可溶性糖可降低細(xì)胞水勢(shì)，增強(qiáng)持水力。脯氨酸具強(qiáng)親水性，兼具穩(wěn)定胞質(zhì)體組織內(nèi)代謝過程和氧化還原的活性劑功能。低溫脅迫誘導(dǎo)可溶性糖含量與淀粉比率變大，細(xì)胞的保水能力下降，可溶性物質(zhì)外滲，細(xì)胞滲透性增加, 細(xì)胞核核膜孔數(shù)量減少，切斷核與細(xì)胞間的物質(zhì)交換，阻礙細(xì)胞分裂生長。低溫脅迫后木薯抗寒品種ARG 7葉片的還原糖、蔗糖和可溶性總糖含量顯著高于其它2個(gè)木薯品種SC 124和SC 8[4]。

1.3 低溫脅迫對(duì)根系的影響

根系作為植物吸收器官和代謝器官，其生長狀況直接控制植物水分、營養(yǎng)物質(zhì)和礦質(zhì)元素的吸收，制約植物地上部分的產(chǎn)量和品質(zhì)，而根系和低溫脅迫密切相關(guān)。低溫脅迫下根系受損，根吸收能力下降，水分代謝失調(diào)，植物葉片焦化凋謝?？緹烱 326幼苗低溫處理6 d后，根粗、根長、根表面積和根體積性狀指標(biāo)都表現(xiàn)為顯著下降[5]。

1.4 低溫脅迫對(duì)葉綠素含量的影響

葉綠體是植物光合作用的重要場(chǎng)所，低溫脅迫破壞葉綠體超微結(jié)構(gòu)，使葉綠體膜中的光合系統(tǒng)Ⅱ的電子傳遞受阻，葉綠體色素合成酶活性降低，合成葉綠素原料不足，植物機(jī)體代謝緩慢[6]，植物葉片內(nèi)葉綠素含量減少。隨低溫脅迫的延長，凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)均持續(xù)下降。低溫脅迫導(dǎo)致黃瓜幼苗碳同化能力下降，對(duì)光能利用減少，過剩激發(fā)能增加，引起光抑制，光合機(jī)構(gòu)受損傷，Pn大幅度下降，使幼苗干物質(zhì)積累減少[7]。

2 低溫脅迫誘導(dǎo)基因表達(dá)

低溫脅迫誘導(dǎo)一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑激活，與相應(yīng)的順式作用原件特異性結(jié)合，激活下游與抗逆相關(guān)基因的表達(dá)，從而提高植物抗性。這些基因的表達(dá)受細(xì)胞內(nèi)Ca2+流調(diào)控[8]，一些二級(jí)信號(hào)分子，如ABA[9]，ROS[10]可通過誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)Ca2+內(nèi)流從而引發(fā)低溫脅迫信號(hào)應(yīng)答。

AP 2/ERF轉(zhuǎn)錄因子是植物特有的一大類轉(zhuǎn)錄因子，包括AP 2、RAV(related to ABI 3/VP 1)、DREB(DRE-binding protein)和 ERF 4個(gè)亞家族，其中DREB在植物響應(yīng)非生物脅迫方面起關(guān)鍵調(diào)控作用，DREB亞家族中的A-I亞組(又稱DREB 1/CBF亞組)正調(diào)控植物抗逆性，而A-5亞組DREB轉(zhuǎn)錄因子負(fù)反饋調(diào)節(jié)下游基因表達(dá)響應(yīng)逆境脅迫，如DEAR 1和Rap 2.1等，擬南芥中過表達(dá)DEAR 1或Rap 2.1抑制了CBF下游靶基因的表達(dá)。ERF亞家族參與茉莉酸、乙烯、ABA等多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，同時(shí)還可激活下游應(yīng)答逆境的基因表達(dá)[11]。

在植物中存在兩種低溫誘導(dǎo)基因的調(diào)控途徑，即依賴于CBFs[12]的調(diào)控途徑和不依賴于CBFs[13]的調(diào)控途徑。CBFs與靶細(xì)胞的啟動(dòng)子中CRT/DRT(C-重復(fù)元件/干旱響應(yīng)元件)順式作用元件結(jié)合并且誘導(dǎo)這些基因的轉(zhuǎn)錄以響應(yīng)低溫。Muniz Garcia等研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯質(zhì)子泵互作蛋白StPPI 1對(duì)低溫脅迫等逆境有響應(yīng)[14]。Carvallo等比較了野生馬鈴薯、馬鈴薯栽培種和擬南芥在低溫處理后轉(zhuǎn)錄組的差異，以及CBFs調(diào)控基因表達(dá)的差異，結(jié)果表明：許多受低溫誘導(dǎo)而且保守的基因編碼產(chǎn)物是轉(zhuǎn)錄因子，這些轉(zhuǎn)錄因子蛋白在植物受到低溫脅迫時(shí)調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育，保護(hù)植物渡過危機(jī)[15]。Amiri 等[16]在馬鈴薯中過表達(dá)δ-12去飽和酶提高細(xì)胞膜脂合成，從而提高了轉(zhuǎn)基因馬鈴薯耐受低溫的能力。同時(shí)，一些研究[17]利用過表達(dá)一些耐受低溫脅迫的相關(guān)基因，獲得了耐受低溫的新品種，對(duì)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 植物DNA甲基化與低溫脅迫的關(guān)系

3.1 DNA甲基化維護(hù)機(jī)制

DNA甲基化是一種重要的表觀遺傳修飾，是基因表達(dá)調(diào)控的重要機(jī)制之一，與植物生長發(fā)育及抗逆性密切聯(lián)系。哺乳動(dòng)物的DNA甲基化廣泛存在于功能基因編碼區(qū)、群轉(zhuǎn)座子元件及重復(fù)的DNA中。植物DNA甲基化是指DNA中胞嘧啶第5位碳原子在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下發(fā)生的甲基化，即在富含CG、CNG(N代表任意核苷酸)或CHH(代表A、C或T)等區(qū)域，DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶將S-腺苷酰甲硫氨酸分子上的甲基基團(tuán)轉(zhuǎn)移到DNA分胞嘧啶殘基中的第5位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶。植物DNA甲基化的方式有從頭甲基化和去甲基化兩種。

3.2 DNA甲基化修飾調(diào)控植物響應(yīng)逆境脅迫

生物的表觀遺傳學(xué)主要包括DNA甲基化、X染色體計(jì)量補(bǔ)償、組蛋白密碼和基因組印記等方面。研究[18]表明，植物在面臨一些生物和非生物脅迫時(shí)，基因組的甲基化狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，使得某些基因的表達(dá)改變，進(jìn)而形成一種耐受性機(jī)制。DNA甲基化作為真核生物中廣泛存在的一種表觀遺傳修飾，即在逆境、發(fā)育等過程中，雖然核苷酸序列沒有發(fā)生改變，但基因表達(dá)調(diào)控發(fā)生了改變，它可以遺傳，也可以發(fā)生逆轉(zhuǎn)。Mirouze等研究發(fā)現(xiàn)，逆境脅迫誘導(dǎo)的甲基化狀態(tài)改變可通過減數(shù)分裂和有絲分裂跨代遺傳，從而提高種族適應(yīng)環(huán)境的能力，即記憶印記[19]。

近年來，不少學(xué)者對(duì)植物響應(yīng)低溫脅迫做了大量的研究。Choi等發(fā)現(xiàn),冷脅迫誘導(dǎo)煙草中NtGPDL基因編碼序列的去甲基化，從而促進(jìn)該基因的表達(dá)[20]。冷誘導(dǎo)的玉米根部特異性Ac/Ds轉(zhuǎn)座子區(qū)域呈現(xiàn)去甲基化，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),冷脅迫誘導(dǎo)的ZmMII基因表達(dá)與核小體核心區(qū)DNA甲基化水平降低有關(guān)[21]。Hashida[22]將金魚草低溫處理后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座子Tam 3在CpNpN序列上的甲基化狀態(tài)發(fā)生了改變，從而誘導(dǎo)了Tam 3的轉(zhuǎn)座。在水稻中過表達(dá)甲基化轉(zhuǎn)移酶能夠提高水稻幼苗的耐低溫和鹽脅迫的能力[23]?；⒍菽偷蜏厣鷳B(tài)型細(xì)胞中DNA甲基化水平要高于對(duì)低溫敏感的生態(tài)型[24]。水稻9311在冷脅迫下，位于編碼區(qū)的CIDM 7片段發(fā)生去甲基化，表達(dá)量增加[25]。有研究表明，油菜種子的多項(xiàng)生理指標(biāo)都與DNA的內(nèi)外側(cè)甲基化修飾有較強(qiáng)的相關(guān)性[26]。辛翠花等[27]利用MSAP技術(shù)對(duì)馬鈴薯主栽品種大西洋低溫處理48 h后胞嘧啶甲基化從37.71%增加到56.51%，而60 h后甲基化又下降到42.14%。

植物通過DNA甲基化形態(tài)變化調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，進(jìn)而達(dá)到響應(yīng)低溫脅迫的目的。而檢測(cè)到的基因組大量的DNA甲基化與去甲基化，表明細(xì)胞內(nèi)的眾多基因參與到抗逆過程，可能涉及到多種通路、多種系統(tǒng)，并協(xié)調(diào)相關(guān)的系統(tǒng)發(fā)揮作用，使生物體能夠抵御惡劣的環(huán)境。而目前DNA甲基化修飾調(diào)控植物響應(yīng)低溫脅迫的研究更多的停留于對(duì)基因組甲基化狀態(tài)變化的分析。

4 展 望

全世界每年因寒害造成的損失慘重，因此植物耐受低溫脅迫研究是一個(gè)前景廣闊的領(lǐng)域。目前有關(guān)植物耐受低溫脅迫的材料報(bào)道大多為耐性材料，張澤全等[28]比較了具豐富抗性基因的栽培二粒小麥/節(jié)節(jié)麥人工合成小麥和硬粒小麥/節(jié)節(jié)麥人工合成小麥的耐低溫特性，前者抗性顯著高于后者。李素麗等[29]探明了桂糖28號(hào)(抗冷型)和園林6號(hào)(冷敏感型)甘蔗品種莖尖Ca2+和Ca2+-ATP酶活性對(duì)低溫脅迫的響應(yīng)機(jī)制。簡(jiǎn)令成等[30]研究了冷敏感植物甜玉米和番茄在生長臨界溫度鍛煉下抗冷性的提高以及某些生理指標(biāo)的適應(yīng)性變化。因此研究非耐低溫脅迫材料響應(yīng)低溫脅迫具有更加重要的現(xiàn)實(shí)意義。

植物通過表觀遺傳修飾在不改變DNA序列的情況下調(diào)控基因表達(dá)以適應(yīng)外界不良環(huán)境的制約，體現(xiàn)了植物的高度靈敏性。近年來，關(guān)于DNA甲基甲化修飾在植物生長發(fā)育和逆境脅迫中的作用已報(bào)道很多，而且甲基化變化的相關(guān)基因克隆和功能分析成為分子遺傳學(xué)研究的熱點(diǎn)。緣于逆境脅迫信號(hào)、激素活性氧等代謝物次級(jí)信號(hào)，RNA介導(dǎo)DNA甲基化(RdDM)途徑等DNA甲基化相關(guān)基因的激活，目前對(duì)DNA甲基化介導(dǎo)的植物逆境應(yīng)答和脅迫記憶的研究還存在很多亟待回答的問題。例如，植物體內(nèi)催化DNA甲基化的DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶除DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶1家族(MET 1)、甲基轉(zhuǎn)移酶(DRM)和DNA甲基化酶(CMT)3種外，還發(fā)現(xiàn)了第4種甲基轉(zhuǎn)移酶Dnmt 2，但其功能尚不清楚。DNA甲基化分為主動(dòng)去甲基化和被動(dòng)去甲基化兩類，但DNA去甲基化的功能和機(jī)制仍不明確。隨著高通量DNA甲基化分析技術(shù)和DNA測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)和分子生物學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，為 DNA甲基化等表觀遺傳變異在植物抗低溫馴化分子育種中提供了科學(xué)的理論依據(jù)。

[1]Atici O.,and Nalbantoglu B.,Antifreeze proteins in higher plants,Phytochemistry,2006,64(7):1 187-1 196.

[2]Patton A.J.,Cunningham S.M.,Volenec J.J.,et al.Differences in freeze tolerance of zoysiagrasses:II.carbohydrate and proline accumulation,Crop Science,2007,47(5):2 170-2 181.

[3]潘明君,尹永強(qiáng),沈方科,等.調(diào)環(huán)酸鈣對(duì)低溫脅迫下煙草幼苗生理指標(biāo)的影響[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016,29(2):288-293.

[4]姚遠(yuǎn),閔義,胡新文,等,低溫脅迫對(duì)木薯幼苗葉片轉(zhuǎn)化酶及可溶性糖含量的影響[J].熱帶作物學(xué)報(bào),2010,31(4):556-560.

[5]崔翠,李君可,王靜,等.烤煙幼苗根系在低溫脅迫后的形態(tài)及生理生態(tài)響應(yīng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,4(4):130-135.

[6]王晨光,王希,蒼晶,等.低溫脅迫對(duì)水稻幼苗抗冷性的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,35(2):129-134.

[7]徐曉昀,郁繼華,頡建明,等.水楊酸和油菜素內(nèi)酯對(duì)低溫脅迫下黃瓜幼苗光合作用的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2016,27(9):3 009-3 015.

[8]Ma Y.,Dai X.Y.,Xu Y.Y.,et al.COLD 1 confers chilling tolerance in rice,Cell,2015,160(6):1 209-1 221.

[9]Xiong L.,Ishitani M.,Lee H.,et al.The Arabidopsis LOS 5/ABA 3 locus encodes a molybdenum cofactor sulfurase and modulates cold stress- and osmotic stress-responsive gene expression,Plant Cell,2011,13(9):2 063-2 083.

[10]Lee B.H.,Lee H.,Xiong L.,et al.A mitochondrial complex I defect impairs cold-regulated nuclear gene expression,Plant Cell,2002,14(6):1 235-1 251.

[11]劉輝,李德軍,鄧治.植物應(yīng)答低溫脅迫的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,47(18):3 523-3 533.

[12]Thomashow M.F.Plant cold acclimation:Freezing tolerance genes and regulatory mechanisms,Plant Physiol.and Plant Mol.Biol.,1999,50:571-599.

[13]Park S.,Lee C.M.,Doherty C.J.,et al.Regulation of the Arabidopsis CBF regulon by a complex low temperature regulatory network,Plant,2015,82(2):193-207.

[15]Carvallo M.A.,Pino M.T.,Jeknic Z.,et al.A comparison of the low temperature transcriptomes and CBF regulons of three plant species that differ in freezing tolerance:Solanumcommersonii,Solanumtuberosum,andArabidopsisthaliana,J.Exp.Bot.,2011,62(11):3 807-3 819.

[16]Amiri R.M.,Yur’eva N.O.,Shimshilashvili K.R.,et al.Expression of acyl-lipid Δ12-desaturase gene in prokaryotic and eukaryotic cells and its effect on cold stress tolerance of potato,J.Integr. Plant Biol.,2010,52(3):289-297.

[17]Bello B.,Zhang X.Y.,Liu C.L.,et al.Cloning of Gossypium hirsutum sucrose non-fermenting 1-relate-D protein kinase 2 gene (GhSnRK2) and its overexpression in transgenicArabidopsisescalates dr-Ought and low temperature tolerance,PLoS One,2014,9(11):e 112 269.

[18]Hagmann J.,Becker C.,Muller J.,et al.Century-scale methylome stability in a recently divergedArabidopsisthalianalineage,PLoS Genet.,2015,11(1):e 1004920.

[19]Mirouze M.,and Paszkowski J.Epijenetic contribution to stress adaptation in plants,Curr.Opin.Plant Biol.,2011,14:267-274.

[20]Choi C.S.,and Sano H.Abiotic-stress induces demethylation and transcriptional acrivation of a gene encoding a glycerophospho-diesterase-like protein in tobacco plants,Mol.Genent. Genomics,2007,277:589-600.

[21]Steward N.,Kusano T.,and Sano H.,Expression ofZmMETI,a gene encoding a DNA methyltransferase from maize,is associated not only with DNA replication in actively proliferating cells,but also with altered DNA methylation status in cold-stressed quiescent cells,Nuc. Aciids.Res.,2000,28:3 250-3 259.

[22]Hashida S.N.,Uchiyama T.,Martin C.,et al.The temperature-dependent change in methylation of theAntrirrhinumtransposon Tam 3 is controlled by the activity of its transposase,Plant Cell,2006,18(1):104-118.

[23]Sharma R.,Mohan Singh R.K.,Malik G.,et al.Rice cytosine DNA methyltransferasesgene expression profiling during reproductive development and abiotic stress,FEBS J,2009,276(21):6 301-6 311.

[24]Johnston J.W.,Benson E.E.,and Harding K.Cryopreservation induces temporal DNA methylation epigenetic changes and differential transcriptional activity in Ribes germplasm,Plant Physiol.Bi-ochem.,2009,47(2):123-131.

[25]華揚(yáng),陳學(xué)峰,熊建華,等.水稻低溫脅迫誘導(dǎo)的甲基化差異片段CIMD 7的分離和分析[J].遺傳,2005,27(4):595-600.

[26]高桂珍,應(yīng)菲,陳碧云,等.熱脅迫過程中白菜型油菜種子DNA的甲基化[J].作物學(xué)報(bào),2011,37(9):1 597-1 604.

[27]Xin C.H.,Hou R.K.,Wu F.,et al.Analysis of cytosine methylation status in potato by methylation-sensitive amplified polymorphisms under low-temperature stress,Plant Biol.,2015,58(6):383-390.

[28]張澤全,舒長生,賴運(yùn)平,等.人工合成小麥幼苗耐低溫特性鑒定[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2010,26(12):135-138.

[29]李素麗,楊麗濤,李志剛,等.不同冷敏感型甘蔗莖尖Ca2+和Ca2+-ATP酶活性對(duì)低溫的響應(yīng),中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,16(2):14-21.

[30]簡(jiǎn)令成,盧存福,李積宏,等.適宜低溫鍛煉提高冷敏感植物玉米和番茄的抗冷性及其生理基礎(chǔ)[J].作物學(xué)報(bào),2005,31(8):971-976.

Research Progress of Plant Under Low Temperature Stress

ZHAOHui,ZHAOYibo,GUOJiangbo,XINCuihua

2016-11-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.31260344；No.31660414；No.31660064)。

趙 慧(1992—)，女，內(nèi)蒙古呼和浩特人；碩士研究生，研究方向：植物分子生物學(xué)；E-mail:948951016 @qq.com。

辛翠花(1977-)，女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，副教授，博士，研究方向：植物逆境生物學(xué)；E-mail:primersyn@sina.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2017.05.047

Q 945.78

A

1001-4705(2017)05-0047-04