吳 丹,毛東海,趙小英

(1.湖南大學(xué)生物學(xué)院植物功能基因組學(xué)與發(fā)育調(diào)控湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)湖南 長(zhǎng)沙 410082;2.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)湖南 長(zhǎng)沙 410125)

低溫影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育與地理緯度分布,低溫災(zāi)害是造成作物減產(chǎn)的主要逆境之一。隨著全球氣候變化加劇,低溫冷凍等極端氣候?qū)?huì)更為頻繁發(fā)生。因此,研究植物如何響應(yīng)低溫脅迫對(duì)于保障經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)與糧食安全等重大問題有著重要的理論與實(shí)踐價(jià)值,植物低溫響應(yīng)分子機(jī)制研究一直是植物研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)話題。本文將根據(jù)相關(guān)研究現(xiàn)狀,圍繞已知信號(hào)途徑從植物對(duì)外界信號(hào)的感知、細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳遞、信號(hào)通路中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及植物激素等與低溫信號(hào)的交叉反應(yīng)進(jìn)行論述。

1 植物的低溫響應(yīng)

1.1 植物對(duì)低溫的生理響應(yīng)

根據(jù)低溫程度的不同,低溫脅迫可以劃分為冷害(0～20℃)和凍害(<0℃)[1～2]。在熱帶和亞熱帶氣候區(qū),冷害是主要的低溫脅迫,影響著水稻、玉米等作物的生產(chǎn);在溫帶氣候區(qū),凍害是主要的低溫脅迫,影響著小麥、油菜等作物的生產(chǎn)。兩種低溫脅迫都會(huì)改變植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生理代謝平衡以及蛋白質(zhì)活性等,從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[1]。在冷害條件下,細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)的滲漏;細(xì)胞內(nèi)氧化代謝平衡失調(diào),造成活性氧(reactive oxygen species,ROS)的積累,引發(fā)細(xì)胞膜脂類的過氧化,造成細(xì)胞膜系統(tǒng)損傷,并促使多聚不飽和脂肪酸降解為丙二醛(malondialdehyde,MDA),進(jìn)而損害植物組織和細(xì)胞;植物細(xì)胞的葉綠素合成與葉綠體形成減少,光合作用受到抑制[3]。蔗糖是花粉粒中淀粉合成的底物,在水稻花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂時(shí)期,低溫引起蔗糖分解酶的活性降低和單糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)下調(diào),使得花藥中的蔗糖等物質(zhì)不能供應(yīng)到絨氈層和花粉粒,從而導(dǎo)致花粉不育,種子結(jié)實(shí)率下降[4]。在凍害條件下,植物會(huì)出現(xiàn)更嚴(yán)重的傷害,凍結(jié)溫度促進(jìn)植物組織的細(xì)胞外質(zhì)體(細(xì)胞間隙)結(jié)冰,細(xì)胞間冰晶物質(zhì)的積累破壞了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),造成細(xì)胞外水勢(shì)下降,導(dǎo)致細(xì)胞脫水嚴(yán)重[5]。總之,低溫脅迫影響植物的生長(zhǎng)與發(fā)育,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。

1.2 植物的冷馴化

適應(yīng)溫帶地區(qū)生長(zhǎng)的植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中,已經(jīng)發(fā)展出一套復(fù)雜的機(jī)制,使它們能夠承受低溫脅迫。例如,模式植物擬南芥在經(jīng)過0℃以上的冷處理后,可以獲得對(duì)0℃以下凍害的抵抗能力,該過程被稱為冷馴化(cold acclimation,CA)[6]。冷馴化的分子機(jī)制是適度低溫可以激活低溫響應(yīng)基因(cold responsive genes,COR)的表達(dá),使機(jī)體合成滲透保護(hù)劑合成酶、分子伴侶以及抗氧化酶等蛋白質(zhì),從而在更低溫度條件下保護(hù)細(xì)胞中的生物大分子與生物膜等[2,5,7～8]。水稻雖然起源于熱帶或亞熱帶地區(qū),各個(gè)時(shí)期對(duì)低溫都敏感,但是也存在類似的冷馴化現(xiàn)象,即適當(dāng)?shù)蜏仡A(yù)處理,可以獲得對(duì)更低溫度的耐受性。研究人員通過分析低溫響應(yīng)關(guān)鍵基因CBF/DREB1(C-repeat binding transcription factor/dehydrate responsive element binding factor)的表達(dá)及進(jìn)化關(guān)系,證明低溫響應(yīng)分子機(jī)制在較為耐冷的擬南芥與低溫敏感的水稻之間存在一定保守性[9]。

2 低溫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

2.1 植物感知低溫信號(hào)的受體

在植物中,溫度的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜流動(dòng)性的改變,細(xì)胞骨架的重新排列,引發(fā)Ca2+的胞質(zhì)流向,隨后觸發(fā)低溫響應(yīng),從而產(chǎn)生低溫耐受性。因此,細(xì)胞膜的流動(dòng)性與細(xì)胞骨架的構(gòu)象改變被認(rèn)為是潛在的低溫感受器[10]。Ca2+作為第二信使,低溫脅迫會(huì)誘導(dǎo)它在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的增加,這提示位于細(xì)胞膜上的Ca2+通道,可能是植物感受低溫的最初靶標(biāo)。在擬南芥中,Ca2+運(yùn)輸相關(guān)的環(huán)核苷酸門控離子通道(cyclic nucleotide-gated channels,CNGCs)對(duì)植物感受溫度以及植物對(duì)溫度的響應(yīng)起著很重要的作用[11];在水稻中,G蛋白調(diào)節(jié)因子COLD1(chilling tolerance divergence 1)與G蛋白α亞基(G-protein alpha subunit,RGA1)形成復(fù)合體,增強(qiáng)G蛋白的GTP酶活性,并可能存在Ca2+通道功能,促進(jìn)Ca2+流向細(xì)胞質(zhì),激活低溫響應(yīng),增強(qiáng)水稻低溫耐受性(圖1)。重要的是,COLD1基因存在自然變異,將溫帶粳稻來源的等位基因?qū)氲降蜏孛舾械亩i稻品種中,能增強(qiáng)植物耐冷性[12～13]。此外,光敏色素B(photosensitive pigment B,PHYB)作為光受體,近期也被證實(shí)擁有溫度計(jì)時(shí)器的功能,耦合了對(duì)光與溫度的信號(hào)感知[14～17],但是,光受體是否為低溫受體,還有待深入研究。

圖1 擬南芥和水稻冷信號(hào)蛋白激酶的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[8]Fig.1 Regulatory network of protein kinases in cold signalling in Arabidopsis and rice[8]

2.2 植物Ca2+信號(hào)受體對(duì)低溫信號(hào)的傳遞

植物需要Ca2+信號(hào)受體將外界低溫信號(hào)轉(zhuǎn)換為細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)。這些Ca2+信號(hào)受體包括鈣調(diào)蛋白(calmodulin,CaM)、類鈣調(diào)蛋白(CaM-like protein,CML)、Ca2+依賴蛋白激酶(Ca2+-dependent protein kinase,CDPK)以及鈣調(diào)磷酸酶B類蛋白(calcineurin B-like protein,CBL)(圖1)[2,18]。這些蛋白質(zhì)富含EF手型結(jié)構(gòu)域(elongation factor-hand domain,EFBD),可以通過與Ca2+結(jié)合使蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變,從而激活蛋白質(zhì)活性,與其他蛋白質(zhì)相互作用,并對(duì)效應(yīng)蛋白發(fā)揮激酶或磷酸酶的功能[19～21]。其中,結(jié)合Ca2+的CaM蛋白,可以結(jié)合并磷酸化鈣調(diào)蛋白結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活因子(calmodulin binding transcription activators,CAMTAs)(圖1)。在這類蛋白質(zhì)中,CAMTA3和CAMTA5對(duì)溫度的快速下降有響應(yīng),并誘導(dǎo)下游基因DREB1的表達(dá),但它們對(duì)溫度的逐漸降低沒有響應(yīng)[22]。CDPK可以通過絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)級(jí)聯(lián)反應(yīng)傳遞低溫信號(hào)。該MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)涉及3種蛋白激酶,包括MAP3K、MAP2K和MAPK。MAP3K在保守的絲氨酸/蘇氨酸殘基處磷酸化MAP2K;活化的MAP2K磷酸化MAPK,活化的MAPK再激活下游的效應(yīng)蛋白,引發(fā)低溫響應(yīng)[3]。例如,擬南芥或水稻中的CRLK1(calmodulin-regulated receptor-like kinase 1)和CRLK2啟動(dòng)一個(gè)MKK4/5-MPK3/6(MAP kinase kinase 4/5-MAP kinase 3/6)級(jí)聯(lián),拮抗MEKK1-MKK2-MPK4(MAP/ERK kinase kinase 1-MAP kinase kinase 2-MAP kinase 4)通路,使 ICE1(inducer of CBF expression 1)或 OsICE1磷酸化,從而改變蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性,進(jìn)而影響COR表達(dá)與植物低溫耐受性(圖1)[23～25]。CBLs作為Ca2+信號(hào)傳感器,通過與CBL相互作用的蛋白激酶(CBL-interacting protein kinases,CIPKs)相互作用,將冷應(yīng)激引起的Ca2+瞬態(tài)傳遞到磷酸化事件中。在擬南芥中,CBL1和CIPK7的轉(zhuǎn)錄表達(dá)在4℃低溫處理時(shí),分別在3 h和12 h達(dá)到高峰期;在Ca2+存在時(shí),CBL1和CIPK7存在互作;cbl1突變體對(duì)低溫更為敏感,這些表明CBL1和CIPK7在植物低溫響應(yīng)中起著重要作用,它們不僅通過Ca2+傳遞低溫脅迫信號(hào),同時(shí)也通過ROS信號(hào)和激素信號(hào)在植物體內(nèi)傳遞生物脅迫和非生物脅迫(圖1)[26～27]。在水稻中,OsCIPK1、OsCIPK3和OsCIPK9受低溫誘導(dǎo)表達(dá),其中OsCIPK3被證實(shí)正調(diào)控水稻耐冷性[28],但是OsCIPKs的下游調(diào)控途徑有待深入研究。

2.3 植物常見的低溫響應(yīng)信號(hào)通路:CBF/DREB1途徑

在植物中,研究較為透徹的低溫響應(yīng)信號(hào)通路為CBF/DREB1信號(hào)途徑,其上下游的主要模塊為ICEs-CBF/DREB1s-CORs。擬南芥中有3個(gè)CBF基因:CBF1、CBF2和CBF3,在低溫條件下,CBF基因的表達(dá)量增加,同時(shí)作為轉(zhuǎn)錄激活因子結(jié)合其下游COR基因的啟動(dòng)子并調(diào)節(jié)基因的表達(dá),從而增強(qiáng)植物低溫耐受性[18]。ICE1編碼一個(gè)類MYC型的堿性螺旋-環(huán)-螺旋(basic helix-loophelix,bHLH)轉(zhuǎn)錄因子,ICE1蛋白能夠結(jié)合CBF3的啟動(dòng)子調(diào)節(jié)CBF3的表達(dá)[29]。ICE2是ICE1的同源蛋白,能夠通過調(diào)節(jié)CBF1的表達(dá),正調(diào)控植物對(duì)低溫的響應(yīng)(圖2)[30]。其他可調(diào)控CBF基因表達(dá)的各類轉(zhuǎn)錄因子還包括:正調(diào)控因子CAMTA、MYB56(myeloblastosis 56)等,負(fù)調(diào)控因子MYB15、MYBS3、PRRs(pseudo response regulators)等(圖2)[3]。CBF與COR基因的表達(dá)受到轉(zhuǎn)錄后修飾的調(diào)節(jié)。例如,C端結(jié)構(gòu)域磷酸酯樣蛋白(C-terminal domain phosphatase-like protein,CPL1)參與CBF的mRNA剪切;STA1(signal transducer and activator of transcription 1)與CBF基因表達(dá)調(diào)控因子1(regulator of CBF gene expression 1,RCF1)參與COR的mRNA剪切(圖2);NUP60(nucleoporin 60)影響CBF mRNA的核外輸出,它們都會(huì)影響植物的低溫耐受性[31～34]。CBF信號(hào)通路受到翻譯后修飾的調(diào)節(jié)。例如,該通路中的MYB15、ICE1與CBF調(diào)控因子,以及與其存在信號(hào)交叉的脫落酸(abscisic acid,ABA)信號(hào)通路的氣孔調(diào)控因子OST1(open stomata 1),都會(huì)受到各種翻譯后修飾,包括:泛素化(ubiquitination)、SUMO 化(sumoylation)、磷酸化(phosphorylation)以及豆蔻?；?myristoylation)等,使蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性、活性或定位情況發(fā)生改變,從而調(diào)節(jié)CBF信號(hào)通路,最終影響植物低溫耐受性[1,3,23,35～40]。此外,各類表觀遺傳機(jī)制通過CBF信號(hào)通路調(diào)節(jié)植物低溫耐受性。例如,長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)對(duì)低溫響應(yīng)基因的抑制[41],組蛋白乙酰化與去乙?；瘜?duì)基因表達(dá)的調(diào)控[42～46],組蛋白甲基化修飾對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控[47]以及DNA的甲基化[48～49],最終都會(huì)影響COR基因的表達(dá)與植物低溫耐受性。

圖2 植物中CBF依賴/非依賴途徑的正調(diào)控和負(fù)調(diào)控因子[3]Fig.2 Positive and negative regulators of the CBF-dependent and CBF-independent pathways in plants[3]

2.4 植物激素與CBF信號(hào)通路的交叉

越來越多的證據(jù)表明,各種植物激素參與植物對(duì)低溫的響應(yīng)。乙烯(ethylene,ETH)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)與ABA為植物逆境激素,現(xiàn)有報(bào)道證實(shí)它們都參與植物對(duì)低溫的響應(yīng)。在擬南芥中,施加乙烯合成抑制劑可以增強(qiáng)植物低溫耐受性;乙烯信號(hào)通路中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子乙烯不敏感因子3(ethylene-insensitive 3,EIN3)抑制CBF基因的表達(dá);乙烯信號(hào)途徑中各個(gè)組分的突變體,如抗乙烯突變體1-1(ethylene-resistant 1-1,etr1-1)、ein2-5、ein3-1 和 ein4-1 等,都表現(xiàn)為低溫耐受性增強(qiáng)表型[50];EIN3蛋白與F-box蛋白EBF(EIN3-binding F-box)1和2結(jié)合后,通過26S蛋白酶體途徑降解,從而激活CBF的表達(dá),增強(qiáng)植物低溫耐受性(圖2)[16,50]。因此,在擬南芥中,乙烯負(fù)調(diào)控低溫耐受性。然而,在番茄或煙草等農(nóng)作物中,過表達(dá)乙烯響應(yīng)因子(ethylene responsive element binding factor 2,ERF2)促進(jìn)植物體內(nèi)乙烯的合成,進(jìn)而增強(qiáng)植物低溫耐受性[51]?？梢?乙烯參與植物低溫響應(yīng)存在物種差異性,但是具體的分子機(jī)制仍不清楚,需要進(jìn)一步研究。在擬南芥中,施加茉莉酸甲酯(methyl jasmonate,MeJA)可增強(qiáng)其低溫耐受性,而且低溫處理會(huì)增加植株體內(nèi)茉莉酸的含量。此外,茉莉酸合成途徑的脂肪氧合酶2突變體(lipoxygenase 2,lox2)表現(xiàn)為低溫敏感,該信號(hào)途徑正調(diào)控因子COI1(coronatine insensitive 1 like)的突變體或負(fù)調(diào)控因子JAZ(jasmonate ZIM-domain)l/4的過表達(dá)也均表現(xiàn)為低溫敏感。而且,JAZ1和JAZ4與ICE1存在互作,并抑制ICE1的轉(zhuǎn)錄活性(圖2)[52]。在水稻中,茉莉酸代謝酶HAN1(chilling tolerance 1)可以將活性的JAIle(jasmonoyl-isoleucine)轉(zhuǎn)化為非活性的12OHJA-Ile(12-hydroxy-jasmonoyl-isoleucine),進(jìn)而調(diào)控茉莉酸介導(dǎo)的低溫反應(yīng)[53]。由此可見,茉莉酸正調(diào)控植物低溫耐受性?，F(xiàn)有研究顯示,給果實(shí)施加茉莉酸甲酯,可以降低果實(shí)收獲后的低溫傷害[54～55]。在擬南芥中,ABA合成途徑中的突變體aba3表現(xiàn)為對(duì)低溫更敏感,而其過表達(dá)植株獲得更強(qiáng)低溫耐受性[56～57]。而且,許多COR基因的啟動(dòng)子中存在ABRE(abscisic acid response element)順式元件,這間接證實(shí)ABA信號(hào)通路與植物耐冷性相關(guān)[58]。OST1作為ABA信號(hào)通路中的重要調(diào)控因子,通過磷酸化修飾并穩(wěn)定ICE1蛋白活性,調(diào)節(jié)CBF基因的表達(dá)與植物耐冷性(圖2)[36,58～60]?？梢?ABA正調(diào)控植物低溫耐受性,外施ABA處理能促進(jìn)植物耐冷性。油菜素內(nèi)酯(brassinolide,BR)、赤霉素(gibberellin,GA)以及細(xì)胞分裂素(cytokinin,CK)是植物生長(zhǎng)激素,現(xiàn)有報(bào)道證實(shí)它們也參與植物對(duì)低溫的響應(yīng)。在擬南芥中,BR信號(hào)傳遞缺陷突變體無論有無經(jīng)過冷馴化都增加了植物冷耐受性;相反,該信號(hào)傳遞的組成性激活能使得植物對(duì)低溫更敏感[61]。受BR調(diào)控的 bHLH轉(zhuǎn)錄因子CESTA可以促進(jìn)CBF及其下游COR基因的表達(dá);CES也可以促進(jìn)不依賴于CBF信號(hào)途徑的COR基因的表達(dá)(圖2)[62]。BR信號(hào)通路中的負(fù)調(diào)控因子BR不敏感型2(brassinosteroid-insensitive 2,BIN2)編碼一個(gè)糖原合成酶激酶3(glycogen synthase kinase-3,GSK3),當(dāng)BIN2突變后,植物耐冷性更強(qiáng);它可以通過其下游的轉(zhuǎn)錄因子BES1/BZR1(bri1-ems-suppressor 1/brassinazole-resistant 1)和CES進(jìn)行磷酸化修飾從而降解,這些轉(zhuǎn)錄因子通過不同順式元件結(jié)合CBF基因的啟動(dòng)子,從而調(diào)節(jié)CBF基因的表達(dá),最終影響植物耐冷性[61～62]?？梢?BR正調(diào)控植物低溫耐受性。研究報(bào)道,給農(nóng)作物黃瓜施加BR類似物(24-epibrassinolide,EBL)可以增強(qiáng)植物低溫耐受性[63]。

在擬南芥中,CBF1的組成型表達(dá)使得植物低溫耐受性增強(qiáng),但也減緩了植物生長(zhǎng)。這是由于CBF信號(hào)通路與GA信號(hào)途徑存在交叉。低溫可以誘導(dǎo)CBF基因的表達(dá),也可以誘導(dǎo)GA代謝酶基因GA2oxs(gibberellin 2-oxidases)的表達(dá),使植物體內(nèi)GA含量減少,促進(jìn)DELLA蛋白積累。DELLA是GA信號(hào)途徑中的植物生長(zhǎng)抑制因子,活性GA通過降解DELLA蛋白釋放其對(duì)植物生長(zhǎng)的抑制效應(yīng)。組成性表達(dá)CBF1的轉(zhuǎn)基因植物積累的生物活性GA較少,因此表現(xiàn)出矮化和晚花。當(dāng)CBF1在DELLA缺失突變體中表達(dá)時(shí),這兩種表型都受到抑制[64]。棉花中存在相同的情況。GhDREB1基因的啟動(dòng)子既含有低溫響應(yīng)元件也含有GA響應(yīng)元件。低溫可以誘導(dǎo)GhDREB1的mRNA積累,而外施GA可以抑制GhDREB1的mRNA積累。過表達(dá)GhDREB1的轉(zhuǎn)基因植物表現(xiàn)為低溫耐受性增強(qiáng),但是在正常條件下,植物生長(zhǎng)受阻,變得更矮小[65]。低溫可以通過誘導(dǎo)DELLA蛋白的積累直接抑制植物生長(zhǎng)發(fā)育,而DELLA蛋白也可以與生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子(growth regulator factors,GRF)相互作用從而抑制植物的生長(zhǎng)[66～69]。此外,低溫影響內(nèi)源CK水平。在農(nóng)作物水稻與小麥中,低溫降低內(nèi)源CK的含量。但是在擬南芥中,CK對(duì)植物低溫耐受性的調(diào)控機(jī)制尚無定論。擬南芥中的雙組分信號(hào)系統(tǒng)(two-component signaling system,TCS)是細(xì)胞分裂素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵組分。細(xì)胞分裂素受體的雙突變體ahk2ahk3和ahk3ahk4表現(xiàn)為低溫更敏感[70];該通路中的擬南芥響應(yīng)調(diào)控因子7(Arabidopsis response regulator 7,ARR7)突變時(shí),植物變得更耐低溫[70～72]。細(xì)胞分裂素應(yīng)答因子(cytokinin response factor,CRF)2/3編碼 AP2/ERFs(apetala 2/ethylene response factors)轉(zhuǎn)錄因子,在低溫脅迫下對(duì)擬南芥?zhèn)雀纬善鹬匾饔?。CRF2和CRF3分別通過TCS依賴性或TCS非依賴性途徑響應(yīng)低溫,并控制側(cè)根的起始和發(fā)育。與野生型相比,crf2和crf3單突變體或雙突變體在冷脅迫下的側(cè)根發(fā)生率降低;相反,CRF2或CRF3過表達(dá)導(dǎo)致側(cè)根密度增加[73]。

2.5 生物鐘和光周期與CBF/DREB1信號(hào)通路的交叉

生物鐘可以調(diào)控低溫響應(yīng)基因的表達(dá)。例如,在常溫條件下,CBF基因的表達(dá)表現(xiàn)出晝夜節(jié)律性;當(dāng)生物鐘關(guān)鍵基因CCA1(circadian clockassociated 1)和 LHY(late elongated hypocotyl)同時(shí)突變時(shí),CBF基因的表達(dá)節(jié)律性喪失,COR基因的表達(dá)量下降,從而使植物低溫耐受性降低(圖2)[74]?？梢?在白天與黑夜的不同溫度條件下,植物通過生物鐘可以平衡生長(zhǎng)與低溫耐受性。同樣,有報(bào)道稱,日照長(zhǎng)短可以調(diào)節(jié)植物CBF與COR基因的表達(dá)。CBF和COR基因在長(zhǎng)日照下的表達(dá)量要比在短日照條件下的高。當(dāng)植物的光敏色素基因PHYB以及光敏色素互作因子4/7(phytochrome interacting factors 4/7,PIF4/7)突變時(shí),突變植株的CBF與COR基因的表達(dá)量在長(zhǎng)日照條件下也變得更高。可見,植物通過PHYB、PIF4和PIF7在長(zhǎng)日照下負(fù)調(diào)控CBF途徑(圖2)[75]。此外,擬南芥的光形態(tài)建成負(fù)調(diào)控因子PIF3可以結(jié)合CBF的啟動(dòng)子并抑制CBF基因的表達(dá),從而負(fù)調(diào)控植物耐冷性[16]。這些研究結(jié)果說明,植物通過對(duì)日照長(zhǎng)短感知調(diào)整自身對(duì)溫暖季節(jié)和寒冷季節(jié)的適應(yīng)性,實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)與低溫耐受性的平衡。上述已經(jīng)提到,PHYB既是光受體又是溫度計(jì)時(shí)器,這證實(shí)了光信號(hào)與低溫信號(hào)存在交互作用[14～17,59]。可見,植物通過光信號(hào)調(diào)整自身生長(zhǎng)發(fā)育使其適應(yīng)所處的不同溫度條件下的生長(zhǎng)環(huán)境。

2.6 植物中其他非CBF的低溫響應(yīng)信號(hào)通路

在上述各種低溫響應(yīng)調(diào)控中,大多數(shù)與CBF信號(hào)通路相關(guān),但是還有許多COR基因的表達(dá)不受CBF信號(hào)通路調(diào)控。研究人員在CBF過表達(dá)植株和cbf1cbf2cbf3突變體中發(fā)現(xiàn),約4 000個(gè)COR基因參與低溫響應(yīng),但是其中只有數(shù)百個(gè)受CBF調(diào)控,表明除了CBF途徑之外,植物中還存在其他眾多的信號(hào)通路參與調(diào)節(jié)COR的表達(dá)[76～77]。目前,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的可調(diào)節(jié)COR基因表達(dá)并與CBF無關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子包括:HSFC1(heat shock transcription factor C1)、ZAT10/12(zinc finger transcription factor 10/12)、RAV1(related to ABI3/VP1)、CZF1[zinc finger(CCCH-type)family protein]和HY5(elongated hypocotyl 5)等(圖2)[3]。其中, 轉(zhuǎn)錄因子HSFA1(heat stress transcription factor A1)在低溫條件下,受到水楊酸(salicylic acid,SA)受體NPR1(nonexpresser of PR genes 1)的激活,然后通過非CBF途徑調(diào)控COR基因的表達(dá)和植物對(duì)低溫的耐受性(圖2)[40,78];油菜素內(nèi)酯調(diào)控因子BZR1,除了通過CBF信號(hào)通路,還通過其他途徑調(diào)節(jié)COR基因的表達(dá)[61];擬南芥T細(xì)胞因子1(T cell factor 1,TCF1)通過木質(zhì)素合成途徑BCB-PAL1/PAL2(blue-copper-binding-PHE ammonia lyase 1/2)調(diào)控植物低溫耐受性(圖2)[79]。因此,在調(diào)控植物低溫耐受性上,不依賴CBF的其他信號(hào)通路也發(fā)揮著重要的作用,但是其調(diào)控機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

3 總結(jié)與展望

綜上可知,植物低溫響應(yīng)分子機(jī)制的研究已有重大的進(jìn)展與突破,尤其在植物CBF/DREB1依賴型的低溫響應(yīng)信號(hào)途徑的轉(zhuǎn)錄調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控以及翻譯后修飾等方面。然而,目前研究較為深入的是CBF/DREB1途徑,其他不依賴于CBF/DREB1的低溫響應(yīng)信號(hào)途徑尚缺乏深入研究。其次,植物低溫響應(yīng)的表觀遺傳學(xué)規(guī)律值得探討。Park等[46]研究表明,在擬南芥遇到低溫脅迫時(shí),HOS15(high expression of osmotically responsive gene 15)能促進(jìn)組蛋白脫乙酰酶2C(histone deacetylase 2C,HD2C)的降解,從而促進(jìn)COR基因轉(zhuǎn)錄,說明染色質(zhì)狀態(tài)的重塑在植物低溫應(yīng)激反應(yīng)中起到非常重要的作用。那么,通過多梳抑制性復(fù)合物1/2(polycomb repressive complex 1/2,PRC1/2)對(duì)組蛋白進(jìn)行甲基化修飾的其他表觀調(diào)控機(jī)制是否與植物耐低溫有密切聯(lián)系？這有待探究。第三,在模式植物擬南芥中,人們當(dāng)前更側(cè)重于植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)期低溫脅迫響應(yīng)分子機(jī)制的研究,缺乏對(duì)其生殖生長(zhǎng)時(shí)低溫響應(yīng)分子機(jī)制的研究。隨著全球氣候變化加劇,各種農(nóng)作物在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)期和生殖生長(zhǎng)時(shí)期都會(huì)更加頻繁遭遇低溫脅迫,從而導(dǎo)致作物減產(chǎn)。因此,在植物低溫響應(yīng)分子機(jī)制的研究領(lǐng)域中,需要發(fā)揮擬南芥作為模式植物的研究?jī)?yōu)勢(shì),啟動(dòng)各個(gè)時(shí)期尤其是生殖生長(zhǎng)時(shí)期,低溫脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制研究工作,為農(nóng)作物各個(gè)時(shí)期尤其是生殖生長(zhǎng)時(shí)期耐低溫分子機(jī)制研究及其分子育種提供理論參考與基因資源。第四,由于物種差異性,作物低溫響應(yīng)分子機(jī)制的研究需要加強(qiáng)。目前,植物低溫響應(yīng)分子機(jī)制的研究主要在模式植物擬南芥中開展,而該植物為溫帶植物,其通過長(zhǎng)期在溫帶低溫生長(zhǎng)環(huán)境的適應(yīng)與馴化,獲得了較強(qiáng)的低溫耐受性。然而許多重要農(nóng)作物,例如水稻與玉米等,都是起源于熱帶或亞熱帶地區(qū),對(duì)低溫較為敏感。因此,這些低溫敏感農(nóng)作物的低溫響應(yīng)分子機(jī)制,可能與較為耐低溫的擬南芥存在一定程度的物種差異性。而且,當(dāng)前農(nóng)作物低溫響應(yīng)的分子機(jī)制研究沒有擬南芥的那么寬廣與深入,因此,針對(duì)農(nóng)作物需要開展更深入、更全面的基礎(chǔ)研究。第五,低溫響應(yīng)關(guān)鍵基因的優(yōu)異等位值得發(fā)掘。在上述的各種低溫響應(yīng)基因中,絕大多數(shù)基因缺乏自然變異分析與優(yōu)異等位的發(fā)掘,所以還不能直接應(yīng)用于農(nóng)作物的育種實(shí)踐中。目前,在重要農(nóng)作物(如水稻)中已發(fā)掘的優(yōu)異耐低溫等位基因有:控制低溫萌發(fā)的qLTG3-1(low-temperature germinability 3-1)、控制苗期耐低溫的COLD1與HAN1、同時(shí)控制苗期與孕穗期耐低溫的bZIP7(basic leucine-zipper 7)以及控制孕穗期耐低溫的CTB4a(cold tolerance at booting stage)等[12,53,80～83]?？梢?當(dāng)前能直接用于作物耐低溫育種的基因資源很有限。第六,作物耐低溫分子育種的技術(shù)手段有待更新。隨著基因組編輯技術(shù)的日趨完善,我們可以利用該技術(shù)擴(kuò)展耐低溫基因?qū)ψ魑镞z傳改良的潛力。多數(shù)耐逆基因的表達(dá)既影響耐逆性狀也影響生長(zhǎng)發(fā)育,例如低溫響應(yīng)的關(guān)鍵基因OsDREB1G,在植物中穩(wěn)定高表達(dá)該基因,雖然可以增強(qiáng)植物耐冷性,但是同時(shí)會(huì)抑制植物生長(zhǎng)發(fā)育[84]。因此,我們可以利用基因組編輯技術(shù)在其啟動(dòng)子區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)插入或缺失,改變其調(diào)控元件,從而在維持基因功能活性不變的前提下,適當(dāng)改變基因的轉(zhuǎn)錄水平,從而使得作物在正常氣候條件下保持高產(chǎn),在低溫逆境氣候條件下穩(wěn)定產(chǎn)出。總之,結(jié)合對(duì)植物低溫響應(yīng)分子機(jī)制的理解與生物技術(shù)的利用,培育出高產(chǎn)耐逆的綠色農(nóng)作物將成為現(xiàn)實(shí)。