植物低溫脅迫下的逆境耐受機制綜述

張慧仙+李科

摘 要：低溫脅迫是影響植物生長發育及作物產量最主要的逆境脅迫之一，發展低溫脅迫耐受植物是十分重要的。通常低溫會導致植物機械損傷，在膜水平上的信號受體是接受脅迫信號的第一步，之后把信號轉導進入細胞，影響脅迫應答基因，以調控對逆境的耐受性。了解在眾多基因中的逆境耐受機制，包括逆境脅迫的信號轉導網絡，對于作物產量的提高是非常重要的。

關鍵詞：植物低溫脅迫；鈣離子；基因調控；綜述

中圖分類號 Q945 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）18-19-03

1 引言

植物生長發育及作物產量都受大自然的影響，影響形式包括各種各樣的逆境脅迫和生物災害因素。事實上，世界上糧食減產的主要原因之一就是逆境脅迫，對大多數主要的農作物來說，因為該因素減產超過50%[1]，因逆境脅迫每年導致糧食減產和作物死亡造成的損失近億美元，這些脅迫威脅著農業產業的可持續發展。為了應對逆境脅迫，多種能夠緩和脅迫的影響并能使細胞和植物對逆境脅迫耐受的基因已被研究。在自然界中，脅迫并不全是來自于突變，許多脅迫都是互相影響的，大自然為了響應這些互相交叉的脅迫信號，演化出對逆境脅迫的多種抵抗和耐受途徑，通過這些途徑的相互作用，減輕了脅迫帶來的傷害。

在自然界中，脅迫的定義是單位面積對某一目標物體施加的機械傷害。受到脅迫后，目標物體會在面積上有所改變，通常也被稱為皺縮。由于植物無法移動，所以很難準確衡量脅迫對其造成的傷害，因此在生物層面很難定義脅迫。同一種生物環境，可能對一種植物來說是脅迫環境，然而對另一種就是有利環境。生物學脅迫的普遍認可的定義是指一種可以展現標準化的功能并且在生物系統（例如植物）中廣泛存在的不利的外力或環境條件[2]。

細胞由細胞膜使其與周圍的細胞外環境相分離的，這層膜只允許一些小分子的脂質分子通過，例如類固醇激素，它可以通過細胞膜擴散到細胞內基質，而不允許水溶性物質的通過，例如離子、蛋白質以及其他生物大分子。細胞內的變化主要是由細胞外物質和膜載體蛋白的共同作用下起始的，包括生物的和非生物的多種脅迫信號。

多種脅迫響應基因都可以廣義地分為早期和晚期誘導基因。早期誘導基因在接收脅迫信號之后的幾分鐘內就有所反應，并且表達量短期內發生變化。早期誘導基因包括多種轉錄因子，因為這些基因的誘導不需要合成新的蛋白，并且信號組分已經待命。相反的，其他對脅迫響應較慢的基因（即在脅迫后數小時后才會有表達量變化）包含了后一種類型，這些基因包括了主要的脅迫響應基因，例如RD（響應脫水的基因）、KIN（低溫誘導基因）、COR（低溫響應基因），這些基因編碼并調控了蛋白質的合成，例如LEA類似蛋白（后期胚胎發生大量蛋白）、抗氧化物、穩固細胞質膜蛋白和滲透壓調節劑的合成。

2 低溫對植物生理方面的影響

每種植物都有其獨特的最適溫度，在最適溫度下對植物的生長和繁殖都有積極的影響，對某種植物積極促進生長的一系列溫度條件，很可能對另一種植物是抑制生長的。對于很多植物，尤其是那些適應于溫暖環境的植物，當它們處于低溫（非冰點溫度）時會出現凍傷的癥狀[3]。這些植物包括玉米（Zea mays），大豆（Glycine max），棉花（Gossypium hirsutum），西紅柿（Lycopersicon esculentum）和香蕉（Musa sp.），這些植物對于低于10～15℃的溫度十分敏感，并且會在低溫下出現可見的凍傷表征。對這類植物低溫脅迫的損傷癥狀在48～72h出現，然而對于低溫的耐受時間各種植物都是不同的，也取決于植物對低溫脅迫的敏感度。響應低溫脅迫的不同癥狀表型包括葉片面積減小、萎蔫、黃化（葉子變黃），并且可能導致壞死（植物組織死亡）。寒冷也會嚴重妨礙植物的生殖生長，例如，將開花期（花苞即將開放的時期）的水稻植株置于寒冷的溫度條件下將會導致花朵不育[4]。

低溫引起的主要的負面影響是導致細胞膜的嚴重損失[5-6]，由于寒冷伴隨著急性脫水，因而這種損傷是大范圍的。膜脂主要是由飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸2種構成，不飽和脂肪酸包含一個或多個碳碳雙鍵（-CH=CH-），而飽和脂肪酸中碳原子全部被氫原子飽和（-CH2-CH2-）。眾所周知，由飽和脂肪酸組成的脂質的凝固溫度要比不飽和脂肪酸構成的脂質的凝固點高，因此在細胞膜中的不飽和脂肪酸的相對比率對膜的流動性影響很大[6]。細胞膜從半流動狀態變為半晶體狀態的臨界溫度被稱為轉變溫度。對低溫敏感的植物通常都有較高的飽和脂肪酸含量，因而也有一個較高的轉變溫度。相對的，對低溫耐受的植物物種就明顯的有較高的不飽和脂肪酸的含量，對應一個較低的轉變溫度。

許多農作物依賴于其耐寒的能力，從而能夠成功地度過春末的冰點溫度和秋初的霜凍災害，因而對低溫的耐受力對于農作物的可持續發展是極其重要的。發展耐霜凍農作物的關鍵在于了解低溫是如何對植物造成傷害的。低溫對植物引起的真正的傷害在于冰晶的形成，而不是低溫。值得一提的是，已經脫水的組織，如種子和真菌孢子，都能在很低的溫度下存活，并且不會出現任何凍傷的癥狀，甚至冷凍保存已經成為一種常用的保存種子及其他生物活性材料的方法，而這一方法正是基于水分揮發后就不會有冰晶形成的事實。

植物中冰晶的形成始于細胞質空間，因為它具有相對低的溶質濃度。由于在任何溫度下冰晶的蒸汽壓力都要比液體水的低很多，在細胞質空間形成的冰晶都會在細胞質和周圍細胞間構成一個蒸汽壓力梯度。沒有結冰的細胞質水分子從細胞溶質到質外體沿著梯度向下遷移，而這種遷移會增大已經存在的冰晶，也會引起細胞壁和膜脂的硬化，從而導致細胞破裂[7-8]。冰凍引起細胞脫水，造成細胞膜的多種傷害形式，包括細胞延展性能減小，細胞破裂損傷，以及薄片狀向六邊形的二相轉變。盡管冰凍傷害主要是由劇烈脫水引起的細胞膜的損傷，一些附加因素也會加劇冰凍引起的損傷。endprint

ROS的產生是對低溫脅迫引起的細胞膜損傷的應答。低溫敏感植株特異性的存在一種結構損傷，并且也很可能會在低溫環境下發生代謝障礙[9]。總之，低溫脅迫本質上是損害質膜的完整性，這種損傷又會導致細胞質的流失。胞內細胞器的完整性也被破壞，這將導致光合作用、蛋白合成及大部分細胞內反應過程的不完整和減產。而對于誘導植物對低溫的耐受力的最主要的環境因素，被稱作低溫適應現象，這是一個對于某些植物增強它們暴露與低溫（非冰點溫度）環境中的低溫耐受力。

3 植物低溫適應及其在提高低溫耐受力中的作用

低溫適應的主要功能在于強化細胞膜抵御冰凍損害的能力，適應低溫的結果是增加細胞膜中不飽和脂肪酸的比率。低溫適應通過阻止在黑麥或其他植物中細胞延展性退化和形成六邊形的雙層質膜來起作用[6，11]。低溫適應通過改變脂質的位置和引入其他非酶蛋白，從而導致細胞膜的物理和生化結構的重組，以此改變細胞中水分子的冰點。溶劑的增加降低了水分子的冰點，使其降至更低的溫度值，因而能阻止冰晶的形成。

低溫導致細胞組成的改變，包括不飽和脂肪酸的含量[12]，甘油糖脂的位置[13]，蛋白質、碳水化合物和活躍的離子通道的位置改變[14]。隨著低溫適應的產生，蔗糖和其他單糖逐漸積累，也會有助于加強細胞質膜的堅固性，因為這些分子可以保護細胞質膜免受冰凍傷害。低溫耐受力是多基因共同調控的，低溫會活化許多寒冷誘導基因[15]，例如那些編碼脫水、脂質轉移蛋白、翻譯延長因子和延遲胚胎發生期和數量的蛋白的基因[16]。另外，細胞內冰晶的形成也會導致細胞壁和細胞膜的機械損傷，從而導致細胞破裂[7-8]。也有證據表明，植株在低溫下會發生蛋白質的變形，也會導致細胞損傷[17]。

總之，低溫適應可以保護和堅固細胞膜的完整性，加強抗氧化機制，增加細胞內糖含量和其他抗凍物質的積累，這些抗凍物質包括通過誘導編碼分子伴侶的基因來實現保護細胞內蛋白質的多胺類物質[18]。所有這些改變都有助于植物可以承受并克服伴隨著低溫脅迫的劇烈脫水傷害。

4 植物低溫誘導基因在低溫適應中的作用

當前在植物低溫誘導基因本質的探索及其在低溫耐受中的角色建立方面，已經取得了顯著的成果。如擬南芥FAD8基因[19]編碼了一個脂肪酸脫氫酶，這個脫氫酶可以通過改變脂質的組成，而有助于提高低溫耐受性。

編碼分子伴侶的低溫應答基因，包括菠菜hsp70基因[20]和油菜籽（Brassica napus）hsp90基因[21]，通過穩定蛋白結構以抵御低溫誘導的蛋白變性來加強植物對于低溫的耐受力。編碼多種信號轉導和調控蛋白的低溫敏感基因都已被鑒定，這其中包括裂原活化蛋白（MAP）激酶[22]，MAP激酶的激酶的激酶（MAPKKK）[23]和鈣調蛋白[24]。這些蛋白可能通過控制或調控對脅迫響應的主要基因的表達及蛋白質的活性，從而有助于提高低溫耐受性以及其他脅迫的耐受性。

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（責編：張宏民）endprint