邵德義，高鋼，喻春明

（中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所/國家麻類作物育種中心，湖南 長沙 410205）

1 植物對低氧脅迫的形態(tài)與生理適應

多變的氣候條件，使植物在整個生命周期內(nèi)都可能受到各種生物和非生物脅迫的影響。低氧脅迫是最重要的非生物脅迫之一，主要是由土壤淹水和澇漬引起，對植物的生長和分布都會產(chǎn)生不利的影響［1］。植物在淹水和澇漬環(huán)境中由于水分過多，阻礙了植物與大氣間的氣體交換，氣體擴散急劇下降，且周圍O2濃度過低形成低氧狀態(tài)，導致植株的莖和根尖分生組織等受淹組織和器官缺氧［2］。淹水條件下，光照的減少會導致植物細胞能量的短缺，影響植物的生長發(fā)育，降低作物產(chǎn)量［3］。為了應對淹水和澇漬所造成的低氧脅迫，植物細胞從有氧呼吸轉(zhuǎn)變到無氧呼吸，導致乳酸、乙醇和乙醛等呼吸產(chǎn)物大量積累，對植物造成進一步的傷害［3］。除此之外，植物還必須克服缺氧和缺氧后復氧期間一氧化氮（NO）、活性氧（ROS）和乙烯水平升高等其他因素的影響［3-4］。

植物為適應短期或長期的淹水環(huán)境，通過調(diào)整自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)，降低因淹水脅迫導致的細胞損傷［5］，其中包括形成氣生根、誘發(fā)不定根和在不定根中形成通氣組織來促進O2從與空氣接觸的葉片向浸入水中的根的傳遞，從而緩解根系的低氧脅迫，以及通過刺激伸長生長，加速伸長枝條來擺脫低氧脅迫等［6-7］。低氧脅迫下，植物除了通過形態(tài)學的改變來降低細胞損害以外，還可以通過調(diào)整細胞的呼吸作用等生理分子代謝過程來維持生存［8］。淹水條件下，植物細胞從有氧呼吸轉(zhuǎn)變到無氧呼吸，但在糖酵解過程中會產(chǎn)生大量的乳酸、乙醇和乙醛等有毒物質(zhì)［9］。現(xiàn)有的研究已從模式植物擬南芥中分離得到了一大批編碼糖代謝、糖酵解相關(guān)酶的響應低氧脅迫的應答基因和microRNA［9］。有研究［9］表明，植物細胞內(nèi)的多個信號網(wǎng)絡(luò)及其相互作用直接或間接地參與感知低氧信號，這些信號網(wǎng)絡(luò)通過腺苷酸（ATP、ADP和AMP）、丙酮酸、轉(zhuǎn)錄因子、植物激素、局部活性氧和NO的產(chǎn)生，以及蛋白激酶等多因素的變化來共同調(diào)節(jié)植物對缺氧脅迫的反應。

近年來，研究人員在植物應對低氧脅迫的形態(tài)和生理適應機制方面取得了較大的進展，但是對于植物如何感受低氧脅迫的分子機制，仍缺少充足的研究證據(jù)證明該分子感應機制的存在，所以人們一直認為植物是間接地感受到氧氣濃度的降低［10］。直到德國馬普研究所的科學家發(fā)現(xiàn)了氧氣依賴的乙烯反應子RAP2.12可以利用N-末端蛋白降解途徑來調(diào)控植物低氧脅迫反應［11］（圖1），這一發(fā)現(xiàn)表明ACBPs-RAP2.12復合體很可能是植物對低氧脅迫的直接感受器［1］，同時也為脂質(zhì)分子在植物體內(nèi)通過與乙烯信號途徑相互作用，調(diào)控低氧應答反應的相關(guān)研究提供了開創(chuàng)性思路。

圖1 植物O2感受分子機制模型［11］Fig.1 Molecular mechanism model of plant O2 sensing

2 低氧脅迫條件下植物脂質(zhì)代謝與信號傳導

2.1 缺氧反應過程中的植物脂質(zhì)的變化特征

植物脂質(zhì)種類繁多，包括脂肪酸類、鞘脂類、固醇脂類、甘油磷脂類等，其在碳儲備、能量供應、信號轉(zhuǎn)導以及脅迫應答中起到多方面的作用［12］。脂質(zhì)信號分子的產(chǎn)生受到一系列專門的脂質(zhì)修飾酶和?；|(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)的嚴格調(diào)控［5］。干旱、低溫和澇漬等非生物脅迫激活了脂質(zhì)介導的信號級聯(lián)反應，從而提高植物對這些脅迫的耐受性［13］。在對不同植物相關(guān)組織進行轉(zhuǎn)錄組學分析中發(fā)現(xiàn)，低氧脅迫下，植物脂質(zhì)生物合成和分解代謝是差異富集最為豐富的信號通路之一［14］。在模式植物擬南芥4周齡的蓮座叢中，脂質(zhì)代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平在淹水條件下發(fā)生顯著變化，淹水處理2 d誘導了脂肪酸降解途徑中基因的表達，但抑制了脂肪酸生物合成相關(guān)基因的表達［14］?？梢酝茰y，缺氧反應過程中植物脂質(zhì)的動態(tài)變化與重塑對缺氧感知的調(diào)節(jié)具有重要作用。

為了應對低氧環(huán)境信號，植物通過重塑其脂質(zhì)組成，包括改變各種脂類含量、碳骨架的長度和脂肪酸飽和度等來維持膜的最佳功能［15-16］。相關(guān)脂質(zhì)組學分析顯示（表1），淹水會導致擬南芥幼苗和成熟植株內(nèi)脂肪酸組成發(fā)生顯著變化，磷脂酰膽堿（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE）等磷脂的去飽和?；?，以及擬南芥蓮座叢中不飽和VLCFA的神經(jīng)酰胺水平增加［14，17，32］。這些研究表明，不同脂質(zhì)中脂肪酰鏈的去飽和是保護植物免受低氧脅迫傷害的一種途徑。

表1 植物對缺氧反應中的脂質(zhì)變化及其機制研究Table 1 Lipid changes in plants＇response to hypoxia and their mechanisms

淹水脅迫導致植物體內(nèi)磷脂酰絲氨酸（PS）、磷脂酸（PA）、磷脂酰肌醇（PI）、氧化脂質(zhì)和神經(jīng)酰胺等脂質(zhì)積累，但目前僅有神經(jīng)酰胺的生物學作用被發(fā)現(xiàn)［14］。在模式植物擬南芥中，神經(jīng)酰胺通過與結(jié)構(gòu)性三重反應1（CTR1）相互作用，并抑制其激酶活性進而參與調(diào)節(jié)乙烯信號［14］。長鏈?；?CoA作為植物細胞新陳代謝和信號轉(zhuǎn)導的中心樞紐，可能作為信號分子參與調(diào)節(jié)AtERFVIIs與膜相關(guān)的AtACBP1和AtACBP2的結(jié)合［18，21］。Schmidt等［18］研究表明，淹水脅迫下，由于缺氧導致植物細胞ATP水平下降，長鏈酰基輔酶A合成酶（LACS）的活性降低，導致?；o酶A總量的組成發(fā)生變化。缺氧導致C18∶1-CoA與C16∶0-CoA比率增加，其有助于ACBP-RAP2.12復合物的解離，從而激活下游的缺氧信號級聯(lián)反應［18］。由于多不飽和?；o酶A可以與其他脂質(zhì)進行多種細胞交換，所以多不飽和酰基輔酶A的積累也可能改變磷脂、鞘脂和氧化脂質(zhì)等特定脂質(zhì)的組成［19］。

2.2 脂質(zhì)分子對植物低氧應答的主要信號傳導途徑

2.2.1 長鏈?；o酶A對植物低氧信號鏈的調(diào)控

乙烯反應轉(zhuǎn)錄因子（ERF-VIIs）是植物缺氧感知和信號轉(zhuǎn)導中的一個關(guān)鍵因子［17］。ERF-VIIs以半胱氨酸作為第二個N-末端氨基酸（Cys2），使ERF-VII蛋白成為N-degron途徑的候選底物［20］。在維管植物中，氧氣感應依賴于N-末端的半胱氨酸殘基在ERF-VIIs中通過N-末端降解因子途徑酶的識別［20］（圖2）。淹水脅迫會導致受淹植物組織缺氧，從而影響能量的產(chǎn)生和脂肪酸的生物合成［3］。肖仕等［21］發(fā)現(xiàn)，低氧能顯著誘導植物中多不飽和C18∶3-CoA等不飽和長鏈酰基輔酶A積累，C18∶3-CoA可以競爭性地和膜相關(guān)ACBP1結(jié)合，使得ACBP1-ERF-VII復合物解離，解離的ERF-VII因子在缺氧條件下較為穩(wěn)定，可轉(zhuǎn)移到細胞核中激活缺氧反應基因的表達。遺傳分析表明，植物細胞內(nèi)C18∶3-CoA含量的下降或?；o酶A總量（acyl-CoA pool）的降低，都與ERF-VII介導的低氧信號和植物低氧耐受性呈正相關(guān)［21］。該研究表明多不飽和C18∶3-CoA作為一個關(guān)鍵的脂質(zhì)信號分子，通過介導ACBP-ERF-VII復合物的穩(wěn)態(tài)，調(diào)控植物低氧信號轉(zhuǎn)導，ERF-VII與ACBP1和ACBP2形成的蛋白質(zhì)復合體，對維持氧氣感應和信號轉(zhuǎn)導非常重要，為探究脂質(zhì)在植物缺氧信號級聯(lián)中的作用機制奠定了基礎(chǔ)［21］。

圖2 不飽和長鏈和VLC酰基輔酶A在植物缺氧反應中的雙重作用的工作模型［11，20］Fig.2 Working model of the dual role of unsaturated long chain and VLC acyl-CoA in the response of plants to hypoxia

2.2.2 不飽和神經(jīng)酰胺和磷脂酸對植物低氧應答的調(diào)控

神經(jīng)酰胺是鞘脂轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物和生物合成的骨架［22］。在擬南芥中，不飽和超長鏈神經(jīng)酰胺通過調(diào)節(jié)乙烯信號通路的活性來增強耐缺氧的能力。飽和神經(jīng)酰胺濃度過高會造成植物細胞缺氧損傷，加速細胞死亡［22］。神經(jīng)酰胺處理可導致擬南芥乙烯反應因子基因AtHRE1和AtHRE2的上調(diào)［14］。此外，不飽和神經(jīng)酰胺促進擬南芥乙烯不敏感基因2（AtEIN2）從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向核轉(zhuǎn)移，從而激活了下游的乙烯反應［14］。這些研究發(fā)現(xiàn)揭示了不飽和脂質(zhì)增強植物對缺氧等非生物脅迫耐受性的保護機制（圖3）。

圖3 不飽和超長鏈神經(jīng)酰胺和磷脂酸通過調(diào)節(jié)乙烯信號保護植物免受缺氧損害［14］Fig.3 Unsaturated ultra-long-chain ceramide and phosphatidic acid protect plants from hypoxia by regulating ethylene signal

不同植物對淹水處理的響應中，磷脂酸PA的總水平和不同種類PA的水平均顯著升高［14，23］，表明PA在植物缺氧信號中具有重要的作用。PA可在體外與乙烯信號途徑負調(diào)控因子CTR1重組蛋白結(jié)合并在體內(nèi)抑制其激酶的活性，PA可能是通過調(diào)節(jié)乙烯信號通路中的CTR1重組蛋白活性，進而參與調(diào)控乙烯信號轉(zhuǎn)導及其所介導的植物低氧應答反應［14，21］（圖3）。研究［14］發(fā)現(xiàn)，PACTR1的相互作用促進了AtEIN2的修飾與核易位，其活性在乙烯信號通路中由AtCTR1直接調(diào)控。這些研究表明淹水處理誘導的PA通過激活乙烯信號級聯(lián)來幫助植物適應缺氧環(huán)境，但其具體機制仍需進一步探究。

PA還可能通過與絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）蛋白的互作在缺氧信號轉(zhuǎn)導中發(fā)揮作用［24］。CTR1作為一種非常規(guī)的MAPKKK，阻斷了MPK3和MPK6的激活，同時通過MPK磷酸化促進EIN3的降解［25］。AtPLDα1衍生的PA通過與AtMPK6相互作用并激活其活性，從而在植物響應鹽脅迫過程中偶聯(lián)MAPK級聯(lián)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用［24］。在擬南芥幼苗中，AtMPK3、AtMPK4和AtMPK6在缺氧和復氧過程中被迅速激活［26］。此外，OsMPK3與水稻幼苗中的ERF-VII轉(zhuǎn)錄因子OsSUB1A相互作用并磷酸化，表明了MPK3-SUB1A1在水稻幼苗應對淹水的反應中具有重要作用［27］。因此，MPKs在缺氧反應中的活性依賴于缺氧導致的PA積累。PA和低氧脅迫結(jié)合可能同時抑制CTR1和激活MPK3、MPK6（圖2）。如果能明確缺氧誘導PA水平的增加和MPKs與缺氧信號有關(guān)，以及PA-CTR1和Cer-CTR1之間的相互作用，將深化我們對磷脂在植物缺氧反應中作用的理解。

2.2.3 氧化脂衍生物茉莉素對植物低氧危害恢復的調(diào)控

在大多數(shù)植物中，缺氧后復氧比缺氧脅迫本身會造成更嚴重的損傷［28］。缺氧后復氧過程中，植物細胞內(nèi)活性氧的爆發(fā)是影響植物存活率的關(guān)鍵因素［29］。植物細胞在復氧過程中維持相對穩(wěn)定的氧化環(huán)境，對植物降低缺氧危害，恢復正常生長具有重要的作用。在復氧過程中，活性氧的再活化代謝需要更高能量，吸氧量增加，線粒體活性提高，導致活性氧快速積累，從而造成氧化損傷，對植物的生存產(chǎn)生不利影響［29］。植物細胞通過激活多種激素信號途徑來降低氧化損傷［30］。

茉莉酸是一種植物激素，在植物的生長和發(fā)育等多種生物過程中發(fā)揮著重要的作用［31］。脂質(zhì)來源的茉莉酸酯是一種重要的信號分子，參與調(diào)控抗氧化合物的產(chǎn)生，以應對復氧脅迫［36］。擬南芥植株在淹水后復氧的過程中，JA和JA-Ile等內(nèi)源性茉莉酸水平顯著升高。復氧下茉莉酸類物質(zhì)JAs大量積累，激活JA信號途徑核心轉(zhuǎn)錄因子MYC2，以促進抗氧化物合成基因VTCs和GSHs的表達，使得抗壞血酸（AsA）和谷胱甘肽（GSH）迅速積累，從而快速修復復氧導致的氧化損傷，增強植物的低氧耐受性［36］（圖4）。由于茉莉酸與其他激素信號通路之間存在著多種調(diào)控作用，因此植物缺氧后復氧反應的分子機制還需進一步研究。

圖4 茉莉酸鹽介導的復氧脅迫與氧化損傷應答［36］Fig.4 Jasmonate-mediated reoxygenation stress and oxidative damage response

3 脂質(zhì)分子在苧麻低氧應答及育種應用研究中的展望

苧麻是蕁麻科（Urticaces）苧麻屬（Boehmeria）多年生韌皮纖維作物，俗稱“中國草”，是一種多年生宿根性旱地草本纖維作物［37］。近年來極端天氣頻發(fā)，其中洪澇災害是造成農(nóng)業(yè)災害的主要因素之一。苧麻植株在土壤含水量20%～24%的土壤環(huán)境生長最為合適［38］。土壤中水分過多會導致土壤漬水，明漬暗濕嚴重影響苧麻根系發(fā)育，極大地影響苧麻的生長［39］。苧麻等麻類作物無法耐受土壤澇漬造成的低氧脅迫，土壤澇漬會干擾苧麻的自然分布形態(tài)，對其生長產(chǎn)生毀滅性的影響，降低其產(chǎn)量甚至絕收［40-41］。

近年來，土壤澇漬所引起的低氧脅迫是目前苧麻生產(chǎn)上亟須解決的問題之一，研究發(fā)現(xiàn)漬水嚴重影響苧麻的經(jīng)濟性狀和產(chǎn)量，隨著漬水程度的加深，苧麻株高、莖粗、鮮皮重、原麻產(chǎn)量、有效株率等均不同程度地下降，且敗蔸情況加劇，對苧麻的生產(chǎn)及其經(jīng)濟效益造成巨大影響［42-43］。前人基于苧麻三代基因組數(shù)據(jù)，開展轉(zhuǎn)錄組、蛋白組關(guān)聯(lián)分析，研究了苧麻響應非生物脅迫的分子機制，發(fā)現(xiàn)乙醛脫氫酶（ALDHs）在苧麻分子缺氧和厭氧代謝中起重要作用，在苧麻基因組中鑒定到的24個ALDH基因分別為8個ALDH超家族，與其他家族的BnALDHs相比，屬于家族10的BnALAD在水培苧麻根系中對低氧脅迫的響應最強［44-45］。但是目前針對淹水導致的苧麻低氧脅迫信號傳導機制仍不明確，應答低氧信號傳導的內(nèi)在性調(diào)整機制研究還比較少。

因此，針對當前苧麻響應低氧環(huán)境下脂質(zhì)組的變化及重要分子的作用機理相關(guān)研究的缺乏，對于重要脂質(zhì)分子如何參與調(diào)控苧麻低氧信號鏈組分，包括受體蛋白活性和轉(zhuǎn)移的作用機制及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等問題尚不清楚，圍繞進一步探究苧麻低氧感知與信號轉(zhuǎn)導機制，以及苧麻耐漬品種遺傳改良的實際需要，苧麻育種研究可重點考慮如下方面：模擬低氧脅迫，研究脂質(zhì)及脂信號調(diào)控苧麻低氧應答的分子機理，提出苧麻應答低氧時脂質(zhì)的內(nèi)在性調(diào)整機制；解析苧麻膜脂分子通過類泛素化N-末端蛋白降解機制，調(diào)控膜脂錨定的乙烯轉(zhuǎn)錄因子ERF-VII家族的穩(wěn)定性，來實現(xiàn)對低氧脅迫的感知和信號傳導；以脂質(zhì)介導的低氧信號傳導鏈為靶點，開展耐漬苧麻品種定向改良與新品種選育等。

4 結(jié)論和觀點

缺氧脅迫是植物最重要的非生物脅迫之一，對農(nóng)業(yè)和食品安全具有破壞性影響［46］。最近的研究揭示了脂質(zhì)在缺氧感知和信號轉(zhuǎn)導中的作用，脂質(zhì)代謝和重構(gòu)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控有助于調(diào)節(jié)缺氧信號，提高植物在缺氧和復氧脅迫下的生存能力［47］。雖然脂質(zhì)在缺氧感知和信號轉(zhuǎn)導中的作用已被揭示，但脂質(zhì)介導缺氧反應的初始分子機制及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍不清楚。

此外，綜合已有文獻報道，發(fā)現(xiàn)在脂質(zhì)分子介導的植物低氧脅迫應答過程中，長鏈?；o酶A等脂質(zhì)分子在調(diào)節(jié)ACBP-ERF-VII復合物的穩(wěn)定性以及缺氧時ERF-VII從質(zhì)膜分離和轉(zhuǎn)移到細胞核中具有重要作用。雖然在缺氧條件下發(fā)生的顯著脂質(zhì)變化與大量轉(zhuǎn)錄物、蛋白質(zhì)和酶的豐度密切相關(guān)，但信號網(wǎng)絡(luò)中介導缺氧反應性脂質(zhì)分子連接的機制尚不清楚。迄今為止，大多數(shù)關(guān)于脂質(zhì)信號在低氧反應中的分子機制的研究都是從模式植物擬南芥中獲得的。然而，對低氧脅迫下不同植物物種間脂質(zhì)分子的變化特征，及其對低氧信號的傳導調(diào)控是否具有保守性，還需利用更為廣泛的作物或野生物種開展研究，進而完善對這些機制的理解，并為耐漬作物遺傳改良提供新的思路。