植物非生物脅迫的研究進展

于新海 李濛 周紅昕

摘 要：植物生長的自然環境是由一系列復雜的生物脅迫和非生物脅迫構成。且植物對這些脅迫的反應同樣復雜，其中干旱、水淹、冷、高鹽等非生物脅迫對植物的危害尤為嚴重。文章對國內外近年來植物非生物脅迫響應機制、轉錄因子在非生物脅迫過程中的作用和基因工程對培育具有非生物脅迫耐受性作物的應用進行討論。

關鍵詞：非生物脅迫；轉錄因子；基因工程

中圖分類號：Q789 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160532020

在植物生長過程中會受到各種各樣的非生物脅迫或生物脅迫，其中非生物脅迫包括鹽堿脅迫、干旱脅迫、冷脅迫、熱脅迫等等因素。為了適應在各種不同脅迫條件下的生存環境，植物進化出了響應不同脅迫信號刺激的調控途徑。當植物受到這些脅迫條件脅迫后，將會激活植物體內響應該脅迫的調控途徑，使植物能夠抵抗該脅迫，從而生存下去。因此，研究植物的耐非生物脅迫可以幫助科學家們了解植物是如何抵御外界環境脅迫及通過哪些關鍵途徑來進行調節。目前，隨著全測序成本的降低，已經完成了擬南芥（Arabidopsis thaliana L.）、玉米（Zea mays L.）、大豆（Giycine Max L.）、水稻（Oryza sativa L.）、蘋果（Malus domestica.）等許多物種的全基因組測序[1]。結合全基因組測序結果、差異轉錄組分析結果和大量基因的功能分析，發現轉錄因子在這一過程中起著重要作用，其中轉錄因子包括MYB和AP2/ERF等家族。當植物受到生物或非生物脅迫刺激后，會激活脫落酸、乙烯等信號途徑，從而激活轉錄因子的表達，再通過轉錄因子結構域內的反式作用元件特異性結合到下游靶基因啟動子區域的順式作用元件上，來激活或者抑制下游功能基因的表達來完成調節作用。這一過程中，最終需要通過基因來行使功能，因此本文重點討論植物非生物脅迫反應中主要的可能機制。

1 植物非生物脅迫響應機制

植物響應非生物脅迫是動態的、復雜的，即是可逆過程又是不可逆的。同時，植物對脅迫的應答依賴于組織或器官脅迫的感應。例如，根部脅迫的轉錄反應存在組織特異性或細胞特異性，且有很大的不同，這取決于所涉及的脅迫。此外，在復雜的響應過程中，脅迫程度和脅迫時間（瞬時或者長時）的不同具有顯著不同效果。植物對非生物脅迫的分子反應涉及多個分子途徑的相互作用和串擾。其最早的一個非生物脅迫調控途徑涉及活性氧（reactive oxygen species， ROS）和活性氮（reactive nitrogen species， RNS），其功能為修飾酶活性和進行基因調控。Grant等人[2]提出了植物響應非生物脅迫信號網絡的簡化模型（圖1）。其中最主要的2個途徑為脫落酸（Abscisic acid， ABA ）途徑和乙烯（ Ethylene， ET）途徑[3]。ABA是許多植物對環境脅迫反應的中樞調節因子，尤其是滲透脅迫，它的信號傳導非常快速且不涉及轉錄活性，例如ABA可以通過離子的生化調控和水的運輸過程控制氣孔的孔徑。對于涉及生長調節、發芽和保護機制過程中的轉錄反應時，ABA反應較慢。

圖 1 植物響應非生物脅迫信號網絡的簡化模型

1.1 ABA信號途徑在非生物脅迫過程中的作用

近年來，ABA信號的關鍵要素已確定，且其作用方式明確。目前的研究表明，ABA信號模型包括3個核心組件，受體（PYR/PYL/RCAR）、蛋白磷酸酶（protein phosphatases， PP2C）、蛋白激酶（SnRK2 / ost1）。其中PYR/PYL/RCAR蛋白被確定為是可溶性ABA受體的2個獨立分類。2C型蛋白磷酸酶（PP2C）包括ABI1和ABI2，是從不敏感擬南芥突變體abi1-1和abi2-1中被首次發現的，它們在ABA信號途徑中起負調控作用。SNF1相關蛋白激酶2（SNF1-related protein kinase 2， SnRK2）是1個從ABA活化蛋白激酶中分離出來的蛋白激酶家族。擬南芥中該家族的3個成員SRK2D/SnRK2.2、SRK2E/OST1/SnRK2.6和SRK2I/SnRK2.3在ABA信號途徑中起正調節作用，且獲得三敲除突變體srk2d、srk2e、srk2i、（srk2dei）/snrk2.2、snrk2.3、snrk2.6，它們均缺乏ABA反應[4]。由此PYR/PYL/RCAR-PP2C-SnRK2復合物在ABA感知和信號過程中起關鍵作用。

1.2 乙烯信號途徑在非生物脅迫過程中的作用

乙烯信號則參與多種應激反應，包括干旱、臭氧、缺氧、熱、冷、機械損傷和UV-B光。乙烯信號途徑已非常明確，在這里不再過多的討論。研究表明ET和ABA在干旱、果實成熟和芽休眠方面已確定存在相互作用。所有的這些相互作用使植物對脅迫的應答表現的非常復雜。且血多非生物脅迫會直接或間接影響糖的合成、濃度、代謝、轉運和儲存。

2 轉錄因子在非生物脅迫過程中的作用

在植物受到非生物脅迫的過程中，非生物脅迫刺激細胞外膜產生二級信號分子，二級型號分子刺激細胞內膜產生磷酸化蛋白分子，繼而啟動轉錄因子對功能基因進行調控。其中轉錄因子起調控作用，對其的研究受到許多科學家的喜愛，包括MYB 、AP2/ERF等家族，磷酸化蛋白分子包括MAPK、CDPK、SOS3等，而功能基因則根據其功能和響應途徑不同則可以分為耐鹽堿、耐干旱、耐冷等等類別。在此，對植物中比較龐大的MYB和AP2/ERF這2個轉錄因子家族進行討論。

2.1 MYB轉錄因子的結構、分類及在非生物脅迫過程中的作用

MYB是植物中一個龐大的轉錄因子超家族，其N端含有一段由51～52個氨基酸殘基組成的MYB結構域，該結構域通常由最多4個氨基酸殘疾序列的重復組成，每1個重復組成都形成3個α-螺旋，第2和第3個螺旋形成帶有是哪個有規律的間隔色氨酸殘疾（或疏水的）的螺旋-轉交-螺旋（HTH）結構，形成1個3D HTH疏水核心結構。依據其MYB結構域的數量進行分類，可將其分為4類：只含1個MYB結構域的MYB蛋白亞類；含2個MYB結構域的R2R3-MYB亞類；含3個MYB結構域的R1R2R3-MYB亞類；含4個MYB結構域的MYB亞類。MYB轉錄因子在植物抵抗逆境脅迫應答過程中具有重要的作用，有研究指出甘蔗中的ScMYBAS1基因在干旱和高鹽脅迫過程中起作用[5]；菊花中的CmMYB2基因能提高植株對干旱和高鹽的耐受性，且提高了擬南芥對ABA的敏感性和延遲其花期的作用。

2.2 AP2/ERF轉錄因子的結構、分類及在非生物脅迫過程中的作用

植物AP2/ERF轉錄因子超家族是植物中特有的一個轉錄因子超家族，其氨基酸序列中有1或2個由60～70個氨基酸殘基組成的AP2/ERF結構域[38]。依據其AP2/ERF結構域的數量進行分類，可將其分為4類： DREB （dehydration-responsive element binding protein）亞族；ERF（Ethylene-responsive element binding factors）亞族；AP2 （APETALA 2）亞族 ； RAV （related to ABI3/VP1）亞族。其中DREB和ERF亞族僅有1個AP2結構域，AP2亞族有2個AP2結構域，RAV有1個AP2結構域和一個B3結構域。該家族轉錄因子在高鹽、干旱、低溫、水淹、熱等非生物脅迫過程中均具有重要作用。例如，擬南芥中的AtERFB1A基因在煙草中過表達提高了煙草對干旱和低溫脅迫的耐受性；該基因在花生中表達則提高了花生對干旱脅迫的耐受性[7]；該基因在小麥中表達則提高了小麥對水淹脅迫的耐受性[7]；該基因在菊花中表達則提高了菊花對熱脅迫的耐受性[7]。

3 基因工程對植物抵抗非生物脅迫的作用

Grant等人對非生物脅迫進行了劃分，并對與這些不同的非生物脅迫相關的且已發表的文章和所受的影響面積做了統計。通過其統計的數據，可以看出與水相關的干旱、水淹或缺氧，與溫度相關的冷，與化學/土壤相關的鹽、礦物質缺乏或低生育率和酸性土壤這些因素對植物的威脅最大；隨著基因工程技術的不斷發展更新和對非生物脅迫調節機制的明確，生物學家和育種家們通過各種基因工程手段對各種作物進行遺傳改良和基因修飾，從而獲得能夠對這些不利因素有一定耐受性的優良材料。

農桿菌介導的遺傳轉化技術是眾多基因工程技術中的1種，由于其可以從基因層面上對植物的遺傳背景進行修飾，得到了廣大育種家的青睞。其原理是將控制目的性狀的基因構建到一個植物表達載體中形成重組質粒，再將重組質粒轉入農桿菌中，借助農桿菌將含目的基因的重組質粒轉化入植物中，并整合到植物的染色體中，從而達到能夠穩定遺傳的目的。這樣可以對特定的植物物種進行特定性狀的改良，可以提供本物種不存在的新性狀，完成了跨物種雜交，大大提高了育種的精準性。例如，將MYB轉錄因子家族的TaMYB56-B基因導入到小麥中增強了小麥對冷脅迫和鹽脅迫的耐受性。將AP2/ERF轉錄因子家族的AtDREB1A基因導入到水稻中提高了對非生物脅迫造成生長抑制的耐受性。將AtDREB1A基因導入到番茄中提高了番茄對寒冷的耐受性。將GmDREB基因導入到小麥中提高了小麥對干旱和高鹽的耐受性。目前，通過基因工程技術，已獲得一些對非生物脅迫具有高耐受性的種質資源；將基因工程技術用于植物育種方面的還有基因編輯等其他相關技術。

4 展望

目前隨著測序技術的發展，轉錄組學的研究進展空前快速，但蛋白質組學的分析卻是滯后的，尤其是翻譯后修飾的研究。由于植物對非生物脅迫的響應是動態的、復雜的，多組學研究可以更好的揭示新的互作機制和調節機制。因此，在對植物的非生物脅迫研究中，除了從核酸層面去揭示其調控機制外，更需要從蛋白水平去揭示各信號、各蛋白之間的相互作用，為后續的分子育種提供充足準確的理論基礎和更多的基因資源，從提高農作物對非生物脅迫的耐受性角度出發，提高農作物的產量和降低農耕的成本，從而提高我國的農業科技水平。

參考文獻

[1] Riechmann JL， Heard J， Martin G et al. Arabidopsis transcription factors： genome-wide comparative analysis among eukaryotes [J]. Science， 2000（290）： 2105-2110.

[2] Grant R Cramer， Kaoru Urano， Kazuo Shinozaki et al. Effects of abiotic stress on plants： a systems biology perspective [J]. BMC Plant Biology， 2011（11）：163

[3] Goda H， Sasaki E，， Shimada Y. The AtGenExpress hormone and chemical treatment data set： experimental design， data evaluation， model data analysis and data access [J]. Plant J， 2008， 55（3）：526-542.

[4] Umezawa T， Nakashima K， Miyakawa T， Yamaguchi-Shinozaki K. Molecular basis of the core regulatory network in aba responses： sensing， signaling and transport [J]. Plant Cell Physiol， 2010， 51（11）：1821-1839.

[5] Prabu G， Prasad D T. Functional characterization of sugarcane MYB transcription Factor gene promoter （PScMYBAS1） in response to abiotic stresses and hormones [J/OL]. Plant Cell Rearch， 2011（10）： 1007/s00299-011-1183-y.