植物抗寒基因及ICE-CBF-COR信號轉導研究進展

關鍵詞：ICE基因；CBF基因；COR基因；低溫脅迫；ICE-CBF-COR信號通路；激素調控；組蛋白修飾

中圖分類號：S184 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2023）05-0131-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.05.024

0引言

由于自然環境的惡化，天氣變化無常，如出現異常低溫或者高溫情況，給農作物的生產帶來巨大的傷害。受低溫連陰雨極端天氣的影響，2015年安徽省近萬畝水稻減產絕收，造成巨大損失，暴露出農業靠天吃飯的弱質性。為了應對低溫造成的減產影響，一般是采取保溫措施。但這種解決辦法比較被動，不能從根本上應對低溫。因此研究包括農作物在內的植物抗寒基因有重要的意義，可以提高農作物的抗寒性，從而降低低溫減產的影響。國內外研究人員對此開展了研究工作，取得了很多的成果。為了更全面地了解植物抗寒基因，以及相關的研究進展，本研究對近幾年國內外植物抗寒基因、相關的信號通路及其調控因子等研究成果進行綜述，以期為植物抗寒基因的研究提供參考與理論支持，同時也為植物的生長發育、花期調節、保鮮貯藏和遺傳育種提供理論指導。

1植物抗寒性研究背景

1.1植物低溫脅迫信號轉導

低溫作為主要逆境因子之一，影響植物的生長及地理分布，嚴重時會造成植物的死亡。冷脅迫和凍脅迫也是造成農作物減產的主要因素之一。而當植物面臨非生物環境脅迫時，植物體會產生一系列相應變化來應對外界的不良環境。如在遇到低溫和冷害時，植物體內的低溫信號響應通路會使植物發生一系列生理生化變化，讓植物體的生長減緩，從而有利于面對低溫脅迫時進行抵抗。

植物冷誘導基因（COR）是由冷脅迫調節的一類基因，能在某些特定的條件（低溫、短日照等）被激活以產生冷調節蛋白，進而提高植物的抗寒性。研究發現，COR基因啟動子區域中有與低溫脅迫有關的脫水響應性元件（DRE）的順式作用元件（CRT），部分COR基因依賴C-環肽結合轉錄因子（CBF）激活，即通過ICE-CBF-COR信號通路，使CBF（C-repeat binding transcription factor／dehydrate responsive element binding factor，DREB）與啟動子區上的CRT/DRE順式作用元件特異性結合激活抗寒反應。

C.環肽結合轉錄因子表達誘導劑ICE（inducer of CBF expression）位于CBF冷響應通道上游，是冷誘導基因之一，在冷脅迫或凍脅迫下，能夠作為轉錄因子與CBF3的啟動子特異結合，誘導CBF的表達，從而提高植物的耐寒性，而CBF基因是植物CBF抗冷途徑的樞紐，主要通過調控下游相關抗冷基因的表達，增強抵御寒冷的能力。

由于依賴轉錄因子CBF調節的信號途徑是當下調控機理最為大家熟知的植物低溫應答途徑，因此也將其作為重點關注的內容之一。

雖然目前對ICE-CBF-COR的作用效果與部分機制的相關研究與解釋已比較充分，但對于影響信號通路的具有包括正向激活作用與反向抑制作用在內的不同調節因子的作用，仍然還在很漫長的不斷探索的過程之中，而基于此的探索可以促進對轉錄水平和翻譯后水平上對CBF介導的冷信號通路的理解。

1.2 ICE-CBF-COR信號通路

CBF調節的信號途徑是目前調控機理揭示最為清楚的植物低溫應答途徑。低溫信號通過激活轉錄因子，調節下游冷反應基因（COR）的表達，從而啟動植物的抗寒反應。低溫信號的轉導也至少可通過依賴和不依賴CBF兩種途徑實現。已經證實了使植物產生低溫抗性的主效途徑是依賴CBF的冷信號轉導通路，使得ICE-CBF-COR信號通路成為研究的熱點之一。

1.3組蛋白修飾為提高植物抗寒性提供可能

在染色質上的組蛋白尾有多種位點上的修飾，組蛋白的N端尾部突出在DNA環流之外并表現為各種共價修飾的底物，包括磷酸化、乙酰化、泛素化、ADP核糖基化、生物素化和甲基化等。組蛋白的修飾一般不能單獨地起作用，需要組蛋白尾部的不同修飾組合共同調節，形成修飾的級聯。可作為一種重要的表觀遺傳學標志。

組蛋白的磷酸化在DNA損傷、DNA修復、DNA復制和重組等基因的復制與修復上發揮著重要作用。而組蛋白的乙酰化與去乙酰化在真核生物調控轉錄的起始和基因的延伸中起著重要的作用。

組蛋白的甲基化是在賴氨酸和精氨酸上的共價修飾作用，復合物中，往往通過組蛋白和相關DNA的共價修飾來修飾染色質。不同位點甲基化及甲基化的不同程度會引發不同的效應。在基因表達的激活、抑制或者是延伸中都能夠起到一定的作用。而對于相關基因，任何修飾都不能單獨地作為表達狀態的指標。針對組蛋白修飾的研究已有許多顯著的成果，作為重要的表觀遺傳學標志，對其的深入研究有著重要意義。

2植物低溫脅迫分子研究基礎

2.1冷響應基因控制植物抵御低溫脅迫

越來越多的證據表明，大多數的冷脅迫耐受性是在CBF的靶點，即COR基因影響下表達產生的。目前，植物已經獲得高度復雜的系統來應對寒冷的脅迫。為了穩定植物細胞膜免受凍傷，部分植物會產生一系列生理生化變化，如鈣離子流入、細胞骨架重排、控制冷反應基因轉錄、調節激素水平和反應、產生超氧化物歧化酶（ROS）及重塑表觀遺傳修飾等方式。

2.2植物低溫脅迫下轉錄因子

2.2.1 ICE基因

ICE基因屬于螺旋一環一螺旋（bHLH）轉錄因子家族，用以調控冷調控基因的表達，主要的分子功能是與CBF基因的下游結合。

ICE基因的同源物在小麥中已被鑒定為兩種不同的CBF表達誘導劑TaICE41和TaICE87。在擬南芥中過表達TaICE41或TaICE87，能夠增強其在冷適應下耐低溫的能力，與冷調節基因的表達較高有關。這也表明了ICE同源物在冷脅迫響應中具有重要意義。

2.2.2 CBF基因

CBF基因是一類含激活增強子結合蛋白2／乙烯反應因子（AP2/ERF）結構域的轉錄因子，是由3個轉錄激活子（CBFI-3）組成的，CBF基因本身是由寒冷誘導的，存在于冷響應基因的啟動子中，并誘導其轉錄。其轉錄網絡在擬南芥等植物的冷適應中起著關鍵作用。

在CBF家族中，關于不同轉錄激活子發揮的作用，不同人有著不同的看法。研究表明，每個CBF轉錄因子在冷適應中起重要且等效的作用。CBF2對CBF1和CBF3表達有負調節作用，CBF1和CBF3的調控方式與CBF2不同，CBF1和CBF3并不參與調節其他CBF基因，而是通過激活相同的CBF靶基因子集來調節冷適應。通過TaCBF14和TaCBF15在大麥、小麥中表達的試驗發現，CBF基因能夠顯著提高轉基因植物的耐寒性，是提高植物耐寒性的關鍵成分，一定程度上也具有平衡耐寒性和植物生長的作用。而因為CBF基因家族在染色體上的分布位置相近，具有較高的同源性，所以誘導CBF基因過表達，雖然會提高轉基因植株的抗凍能力，但在一定程度上也會抑制其生長。

2.2.3 COR基因

COR基因一般是指由冷調控基因編碼的保護性物質。COR基因蛋白和蔗糖、甘氨酸、甜菜堿及脯氨酸滲透液的積累，有助于在冷應激期間維持植物細胞中膜和細胞器的完整性。包括滲透蛋白和低溫保護蛋白在內的這些保護物質的積累能夠促進冷適應和耐凍性的提高。

VOGEL J T等在2005年首次發現了非CBF基因蛋白調節的COR基因，并且發現擬南芥鋅指蛋白（ZAT12）轉錄因子能夠調節24個COR基因，包括9個冷誘導基因和15個冷抑制基因。證明有部分COR基因的誘導與表達是不通過CBF作為媒介的途徑實現的。但不足之處是至今對非CBF介導的信號轉導途徑的研究一直不夠深入，仍有較大的研究空間。

2.2.4 MYB轉錄因子大家族

MYB（V-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog）轉錄因子大家族在植物的低溫脅迫響應中也發揮著相對重要的作用。研究人員將MYB轉錄因子從耐低溫的甘蔗中分離并轉入到煙草，能夠顯著增強煙草對低溫脅迫的耐受性，跨膜螺旋結構蛋白HHP蛋白的合成也可通過MYB96誘導，并與CBF基因上游調控因子相結合，激活CBF途徑，促使相關基因表達。

2.2.5其他

參與植物低溫應答調控的轉錄因子還有鈣調蛋白結合的轉錄激活子（CAMTA）、NAC（矮牽牛無頂端分生組織NAM、擬南芥結構域轉錄調節超家族蛋白ATAF1、ATAF2和杯狀子葉基因（CUC2）、維管植物鋅指蛋白（VOZ）、WRKY轉錄因子、鋅指蛋白（ZFP）及乙烯不敏感3（EIN3）等。其中，WRKY轉錄因子是極為重要的調控蛋白家族，也是ABA響應信號網絡中的關鍵節點。

3基于ICE-CBF-COR信號轉導途徑的分子水平調控

3.1 ICE-CBF-COR信號通路

大量的試驗發現，植物低溫響應信號通路重要的轉錄激活因子主要有ICE1、ICE2、CBF1-3和MYB15，而下游的COR基因家族、脫水素家族蛋白ERD10、脫水素家族蛋白ERD14及干燥反應蛋白29A（RD29A）等是該信號通路中重要的功能應答基因。

3.1.1 ICE元件：CBF分子信號監督者

ICE基因在上游起作用，誘導和調節c-重復序列結合因子（CBF）的表達。

ICE基因編碼冷信號通路上游的轉錄因子。ICE的bHLH結合域可以與下游的冷調控基因發生特異性的相互作用。ICE攜帶保守的bHLH結合域，其在堿性區域的氨基酸序列與其他bHLH蛋白高度相似。用于與下游冷調控基因的特異性相互作用。其蛋白能夠通過與脫水響應性元件結合蛋白（CBF3/DREBIA）啟動子中的順式元件結合，誘導CBF/DREB1調控因子發揮作用。

3.1.2 CBF元件：信號轉導關鍵指揮官

CBF（CBF1、CBF2和CBF3）屬于AP2/ERF多基因家族，可在植物的冷信號通路中被ICE激活。CBF依賴型通路是目前研究的比較透徹的冷信號通路，主要是依靠ICE1-CBF-COR途徑實現。CBF依賴型通路中，當植物在低溫環境下時，CBF上游的ICE1轉錄因子會增加表達量，從而促進下游的CBF基因的轉錄，隨著CBF的增加又會促進下游的COR基因的表達。而在大麥中通過過表達TaCBF14/TaCBF15能夠增強大麥中冷調控基因HvCOR14b的表達，增加耐寒性。這也說明CBF既能被ICE激活，同時又能夠激活COR基因的表達，在信號通路中有著不可替代的關鍵作用。

3.1.3 COR元件：冷適應環節的重要執行者

CBF2和CBF3通過調節不同的下游COR基因集，在指導冷反應方面起著更重要的作用。超過2/3的COR基因由2個或3個CBF共同調節，主要參與細胞信號轉導和代謝過程；不到1/3的基因受1個CBF調控，上調基因在冷相關非生物脅迫反應中得到富集。

CBF與COR基因啟動子中的CRT/DRE序列結合，可以在應對低溫脅迫時直接進行轉錄激活。COR相關基因只在受低溫誘導后才能表達，抗寒能力也隨之出現和提高。在模式植物擬南芥低溫脅迫試驗中發現了多個COR基因如COR15a、COR78、COR47等。

3.2植物激素通過信號轉導途徑參與冷適應調節

一些研究也表明，ICE1-CBF-COR轉錄級聯可能在冷脅迫過程中整合如碳水化合物的積累、ROS的清除和整合的植物激素信號通路等應激反應通路，以促進葉片耐凍性的改善。

3.2.1脫落酸：COR正向誘導劑

脫落酸（ABA）是重要的植物激素，在植物適應生物和非生物脅迫中起著重要的作用。擬南芥中ABA缺陷突變體在誘導COR基因表達的過程中也出現了部分問題，缺乏ABA時，植物在抗凍性方面也存在有一些缺陷，表明了ABA作為一種植物激素參與了冷信號傳導過程并在其中發揮著一定的作用。

3.2.2乙烯：CBF轉錄激活因子

試驗表明，過表達小麥乙烯響應因子同樣也可以激活COR基因，提高轉基因擬南芥的耐凍性。小麥病原體誘導的乙烯反應因子1（ERF1）能夠通過激活乙烯信號通路下游的冷調控基因和調節相關生理性狀，正向調控冷凍脅迫。

乙烯不敏感（EIN3/EIL1）是乙烯信號通路中的關鍵轉錄因子，而遺傳研究表明，EIN3直接與CBF啟動子中的EIN3結合位點（EBS）結合，并通過抑制擬南芥中CBF基因的冷誘導表達，調節冷凍耐受性。

3.2.3油菜素內酯：CBF的正向調節劑

油菜素內酯受體通過ICE1-CBF-COR信號通路可以正向調控番茄的耐寒性。油菜素內酯（BR）控制的基本螺旋-環-螺旋轉錄因子CESTA（CES）可有助于控制CBF轉錄調節并調控COR基因表達。

而油菜素內酯受體的過表達正向影響ROS清除系統、光系統的光抑制及植物激素的生物合成和信號轉導。能夠增加對低溫脅迫的耐受性。影響轉錄因子、冷調控蛋白和ICE1-CBF-COR信號通路基因的轉錄水平，是CBF基因的正向調節劑。

3.3 DNA甲基化修飾低溫脅迫信號的源頭

目前，DNA甲基化是研究的最清楚、最重要的一種修飾方式。在植物克服低溫脅迫過程中，DNA甲基化程度發揮了非常重要的作用。

RAKEI A等的試驗表明，在冷應激期間，對鷹嘴豆來說耐受基因型、易感基因型甲基化水平比去甲基化相比更高。確定了在耐寒性中起重要作用的特定DNA序列，其可能的響應成分與植物中的冷脅迫相關。這些都說明了DNA甲基化具有調節冷脅迫信號的能力。但對于DNA的甲基化是如何被其他因子影響還存在著一些疑問。

GARG R等的研究也一定程度上填補了這一區域的空白。證明在低溫處理后不同類型的植物甲基化結果也有所區別。DNA甲基化控制miRNA參與植物抗逆調節。這也說明了miRNA等表觀遺傳信息也能反過來影響DNA甲基化。因此，針對包括轉錄后調節和翻譯后修飾在內的部分表觀遺傳信息的進一步研究也或多或少地影響著DNA甲基化研究的進程。

3.4組蛋白修飾在信號轉導中的重要作用

組蛋白修飾是一種重要的表觀遺傳學標志，在研究和揭示植物深層次的抗寒機理有著不可忽視的重要作用。

3.4.1轉錄后修飾

在ICE-CBF-COR信號通路中，ICE1可以受到泛素化介導的蛋白水解的負調控，激活轉錄后調控機制，如前mRNA剪接、mRNA輸出和miRNA定向mRNA降解，這些也在冷應激反應中發揮重要作用。通過染色質重塑能夠改變COR基因的轉錄活性，使其更容易被轉錄。

3.4.2翻譯后修飾

ICE1的活性主要在蛋白水平上通過轉錄后和翻譯后修飾進行調控。在冷應激中調節ICE-CBF級聯通路中具有重要意義。翻譯后修飾包括蛋白水解裂解，添加磷酸基、乙酰基、甲基等官能團，在調節蛋白質活性中構成重要作用。

研究表明，CBF（CBF1、CBF2和CBF3）雖然具有相似的序列結構和結合特性，但由于它們在不同蛋白序列上的幾種修飾，具有不同的作用。

目前針對植物翻譯后修飾對ICE-CBF-COR信號通路的影響主要從以下幾個方面展開了相關研究。

3.4.2.1磷酸化修飾

磷酸化在植物的冷馴化過程中起著重要作用，是一種可逆的蛋白質修飾，高度依賴于激酶和磷酸酶。

從理論上來說，磷酸化是ICE基因最重要的翻譯后修飾之一，并能夠通過蛋白激酶超家族蛋白（OST1）等轉錄因子多種方式的作用能夠介導ICE和CBF，調節低溫脅迫耐受性。實際上，近幾年的研究表明，OST1可以磷酸化擬南芥和水稻中的ICE1以防止泛素蛋白連接酶（HOS1）對ICE1的降解；OST1也可以通過磷酸化與CBF基因結合的底物堿性轉錄因子3（BTF3）來調控CBF基因的表達。這些也為將來深入探索翻譯后修飾提供了研究基礎。

3.4.2.2泛素化修飾

泛素化修飾作為翻譯后修飾的重要環節，對植物低溫脅迫信號轉導通路中ICE元件的協調有著不可忽視的作用。

相關研究證明，E3泛素連接酶能夠通過與靶分子相互作用，為泛素化反應提供支架，發揮最重要的作用。而冷調節基因受到E3-泛素連接酶（多泛素化）的影響，該連接酶調節它們的表達和冷脅迫耐受性。HOS1是一種環指E3泛素連接酶，在冷應激反應開始時，通過介導ICE1的降解，參與冷脅迫的負反饋調控。而ICE-CBF蛋白泛素化調控的周轉率也可以提高植物的低溫脅迫耐受性。由此表明部分泛素化修飾能夠通過調節編碼冷信號通路上游的轉錄因子和一些冷響應基因的誘導因子，從而使植物實現對低溫脅迫的特異性表達。

3.5環境因子影響信號元件表達

3.5.1生物鐘調控作用

有學者指出，生物鐘也在—定程度上影響CBF和COR基因的表達，如COR27和COR28作為夜間抑制因子的作用，整合生物鐘和植物冷脅迫反應。FOWLER S G等的試驗說明冷誘導的CBF1-3的表達同樣也受到生物鐘的調控。而針對生物鐘的相關研究作為當下研究的熱點之一，不僅在植物成花誘導生理中有作用，而且與光周期反應的外源節律耦合模式一同在植物的逆境生理中發揮著不可或缺的調控作用。

3.5.2光質量調節能力

光照是植物生長發育的重要環境因子，而光質量對于植物冷脅迫基因的表達有重要作用。如研究人員發現光能夠刺激COR 15a及其同源轉錄因子基因CBF的表達。但對于不同波長的光，如紅光和遠紅光的相關研究仍不充分。在之后的研究中，有關試驗表明，紅光（R）和遠紅光（FR）是通過冷處理誘導CBF表達所必需的，低R/FR比顯著促進了CBF的表達和振蕩，增強了植物的抗寒性。這為今后進行相關抗寒馴化，即通過改變植物生長環境的光質量來實現對植物的定向改造提供了一種新的思路與新的可能。

3.5.3光周期影響因素

除了光質量以外，光周期也是影響植物抗寒性的重要環境因子之一。研究表明，在短日照條件下植物抗寒性增強，CBF表達量也相對較高。而在長日照條件下，植物色素相互作用因子PIF4和PIF7直接與CBF啟動子結合并抑制其表達，從而降低了植物的冷凍耐受性。對包括光敏色素和內源節律信號調節下的光周期的深入研究也將為繼續探索植物抗寒機理留下新的線索。

4結束語

近年來，針對冷信號的研究在植物的生長發育、花期調節、保鮮貯藏和遺傳育種中都起著至關重要的作用。而推動當下相關基因功能探索，對今后諸如不同植物冷脅迫條件下的育種工作、提高植物抗寒性、部分園藝作物的低溫保鮮和采后貯藏、延長觀賞植物的花期進行花期調控等方面的進一步發展，有著不可或缺的影響。

隨著基因測序技術、生物信息分析技術的發展與蛋白互作網絡技術、基因共表達分析技術的成熟，進行相關基因功能探索、分析序列與作用位置的研究會更輕松更快捷。如果能從大數據中快速提取出關鍵的抗寒作用因子，再結合包括超表達、基因沉默、基因編輯技術在內的基因功能核驗技術與現代分子成像技術，人們對植物抗寒機理的認識也將更加全面深入。有了新的生理生化和分子生物學相關理論基礎，相關領域的研究也會有更明朗的前景。

盡管如此，冷脅迫的潛在分子機制，特別是在部分常綠草本植物中，是不完整的，流程中的關鍵組件也尚未完全確定。仍需要進一步分析詳細的機制和其他調控因子，以充分了解激素變化、溫度變化、基因轉錄翻譯對ICE、CBF和COR表達的影響。

進一步識別其他分子的功能和信號通路、互作關系等也具有一定的重要性和緊迫性。想要了解ICE-CBF-COR途徑，還需要進一步了解植物激素反應是在何種植物中在怎樣的條件下能夠如何影響包括ICE-CBF-COR在內及其他冷脅迫相關機制，以及充分了解選擇性剪接、染色質修飾和甲基化對ICE、CBF和COR基因轉錄和翻譯的影響。

植物在遭遇非生物脅迫時產生的變化仍是一個復雜而多變的過程，需要深入研究，對基因表達的檢測也大多僅僅集中在葉肉細胞相關的研究，對植物其他細胞及組織冷脅迫基因表達情況的研究也相對較少。單從一個角度去探討植物的抗寒機理遠遠不夠，需要對逆境中植物不同細胞、不同組織發出的不同響應，在植物細胞、生理特性和分子機理等研究基礎上進行研究，以分析寒冷脅迫下更深層次的機制。

進一步的研究可以嘗試探索不同基因在面對低溫脅迫時的不同表達情況，以期建立起冷脅迫中不同反應途徑之間的相互作用網絡，分析不同脅迫下分子變化的異同點，進而實現對植物逆境生理研究更大程度的飛躍。