植物對低溫脅迫反應機制的研究進展

李子涵李建運王飛辛亞龍

(1.西南林業大學/國家林業和草原局西南風景園林工程技術研究中心，云南 昆明 650224；2.玉溪市江川區林業和草原局，云南 玉溪 652600)

引言

低溫是一種普遍的非生物脅迫，影響植物的生長，對于野生和農業作物的分布及其生產力帶來了顯著的影響[1]，這種影響進一步對食品安全以及農業的可持續發展構成了挑戰[2，3]。鑒于此背景，深入了解植物是如何感知并應對低溫脅迫的，已經成為科學研究的熱門話題。得益于分子生物學技術的發展，科研人員在揭示植物響應低溫機制上已經取得了顯著進展，尤其是在信號傳遞、分子調節以及生理代謝調節等領域[4]。

低溫寒害是農業生產面臨的一項重大挑戰，通常會導致廣泛的受害區域和重大損失。其中，冰點以上(0～15°C)的低溫危害稱為冷害(chilling stress)，冰點以下(<0°C)的低溫危害稱為凍害(freezing stress)。這種脅迫嚴重限制了作物的生長和產量，已經成為植物生理學和農業生產領域中亟待解決的關鍵問題[5]。植物對低溫脅迫的響應涉及一系列復雜的分子機制，通過這些機制，植物能夠適應冷害和凍害，展示出不同程度的耐寒能力。在較低的非冰點溫度或略微低于0℃的條件下，植物的耐凍性會得到增強，這對其安全度過寒冷季節至關重要。在低溫條件下，植物的生長會暫時停止，光合作用和呼吸率減少，同時積累抗凍保護物。一些植物能夠在持續低溫、極端低溫條件下，甚至是體內結冰的情況下生存。因此，探究植物在低溫和冰凍脅迫條件下的生理和分子機制，不僅是重要的科學問題，同時也具有重要的經濟價值。本文對這些關鍵的分子機制和信號通路進行了綜述，這些機制和通路在植物適應低溫脅迫中發揮作用，并指出當前研究中的空缺，提出通過基因工程和分子育種技術提高作物耐冷性的未來研究思路。

1 低溫對植物的影響

1.1 低溫對植物生長、發育和產量的影響

適宜的溫度是種子萌發的重要條件，低溫會延緩種子發芽，減弱其生長趨勢和發育能力，導致發芽時間推遲，甚至導致發芽失敗[6]。低溫環境還會使種子吸脹速率減緩，細胞膜可能因水壓變化而破裂，進而導致選擇透過性變化[7]。連藝佳等[8]對冬小麥(Triticum aestivum L.)種子進行了一系列低溫處理實驗，以考察其在不同溫度下的萌發生理特性；實驗結果揭示，隨著環境溫度的下降，冬小麥種子的發芽率、發芽速度等關鍵生長指標顯著下降，證明了低溫對其萌發過程具有顯著的抑制作用。

低溫冷害嚴重影響植物，尤其是小麥的種子發芽、幼苗生長及植株成熟，進而顯著降低產量和品質。如果小麥在灌漿初期遭受低溫脅迫，將干擾籽粒中淀粉的積累，導致淀粉含量和結構發生變化，表現為粒徑減小和合成能力下降，并影響淀粉的生物合成路徑[9]。此外，低溫還會引起形態上的變化，如根冠生長抑制、產量下降和葉色褪變及萎蔫，可能導致葉片死亡[10]。小麥受到低溫影響會造成萌發過程延遲、出苗率降低和植株密度減少[11]，直接影響幼苗發育，最終導致作物整體產量和品質下降。

1.2 低溫對植物生理生化的影響

在低溫脅迫下，植物細胞內活性氧(ROS)種類增加，對線粒體結構和細胞能量供應造成損傷。此過程中，抗氧化酶系統內的過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)及過氧化氫酶(CAT)通過提升細胞內抗氧化能力，幫助植物減輕由低溫引起的負面影響，保護細胞避免ROS損害，維持正常生長發育。研究表明，ROS與抗氧化劑之間的相互作用構成了代謝與環境信號間的代謝接口，通過此接口，植物可調節適應性過程的啟動或激活細胞死亡程序[12，13]。低溫脅迫使植物細胞內可溶性糖含量顯著增加，這些糖類物質作為滲透調節劑，增強細胞內滲透力，有助于緩解低溫引起的細胞體積收縮，通過提高細胞膜穩定性減少由冷害和脫水引起的損傷[14]。細胞膜通透性的提高導致不飽和脂肪酸的流失，促進膜脂過氧化物的形成，從而增加丙二醛(MDA)的含量[15]。在金龍飛等[16]對9個油棕(Elaeis guineensis)品種進行的低溫脅迫研究中，設置10℃和15℃的實驗溫度，并以25℃作為對照組，研究顯示，低溫脅迫導致油棕葉片中MDA、可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)和脯氨酸(PRO)含量增加，抗氧化酶活性如SOD、CAT和POD在脅迫初期增加后下降，反映出油棕激活了一系列防御機制以減輕低溫脅迫帶來的損傷。

低溫脅迫對植物光合和呼吸作用產生影響，通過降低溫度抑制葉綠素合成關鍵酶，阻礙葉綠素及葉綠體形成，進而影響植物生長發育，導致生長延遲、發育異常，極端情況可致植物死亡[17]。葉綠素a/b結合蛋白(CAB)在低溫環境中發揮著至關重要的作用，低溫脅迫會顯著影響CAB基因的表達水平，抑制一些植物中CAB基因的表達，表明CAB基因在植物響應低溫脅迫中起著重要的調節作用，通過影響葉綠素的合成和葉綠體的功能，進而影響植物的生長和發育[18]。低溫導致葉綠體結構損傷，降低二氧化碳利用效率和光合產物利用，減少光合效率，即使后移至溫暖環境，此影響持續存在，顯示低溫對光合作用長期負面影響[19]。研究表明，低溫環境下葉綠體結構受損，酶活性抑制，氣孔開放減緩，減少葉綠素含量，光合效率降低，導致生長減慢，產量降低，此影響可能長期存在[20]。低溫脅迫影響植物的呼吸作用，損傷生物膜，降低偶聯氧化磷酸化效率，減少有氧呼吸，增加無氧呼吸；導致在呼吸過程中產生過量熱量，不利于代謝產物轉化與合成，醇、醛類化合物積累，可能引起組織中毒[21]。馮漢青等[22]以25℃、4℃2個溫度處理小麥幼根，探討了低溫對無葉綠體根系的生長及呼吸作用的影響。研究顯示，在低溫脅迫下，低溫降低了小麥幼根的生長，增加了小麥幼根的氧化壓力，進而顯著引起細胞死亡。

2 植物抗冷的分子調控機制

2.1 低溫信號感知與傳導

在低溫脅迫下，植物通過復雜的信號感知與傳導機制響應環境變化。植物細胞借助膜蛋白，如受體和離子通道感知低溫信號并啟動信號轉導過程；這些信號通過二級信使如鈣離子(Ca2+)的濃度變化，激活下游的信號分子，包括各種激酶和轉錄因子[23]。這些轉錄因子進入細胞核，調控低溫響應基因的表達，啟動一系列抗寒應答過程。具體包括激活抗氧化防御機制，積累滲透調節物質，以及蛋白質保護機制，從而提升植物的低溫適應性和耐受性[24]。同時，研究發現，植物細胞對低溫的初始反應可能首先影響Ca2+通道。通過對紅皮云杉葉肉細胞鈣含量季節性變化的觀察指出，初秋時鈣含量有顯著上升，這表明低溫促進了Ca2+的內流[25]。Guo等[26]研究也強調了這些通道在植物對冷信號感知和傳導中的重要性。具體來說，低溫引起細胞膜硬化及細胞骨架的重組，從而觸發Ca2+通過Ca2+通道進入細胞內，如環核苷酸門控通道(CNGCs)在擬南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻中的作用。這些Ca2+信號隨后由Ca2+結合蛋白解碼，引發下游反應以傳遞冷信號。如，在擬南芥中，CRPK1和CRLK1/2在感知冷信號和磷酸化下游因子中起作用，激活冷應答；在水稻中，COLD1作為RGS(調節G蛋白信號)的一部分，通過激活GTPase RGA1感知冷信號，可能是Ca2+通道的一部分或調節Ca2+通道。

更有研究表明，植物低溫脅迫下的Ca2+反應涉及Ca2+通道激活、內流和通過CDPKs等傳感器解碼，對調節生長和應對非生物脅迫具有關鍵作用。CDPKs感應細胞內Ca2+濃度變化，參與低溫信號傳導，調控適應性和耐受性。低溫下Ca2+動態變化和信號調控關鍵在于激活抗寒應答，如轉錄因子活化和基因表達[27]。另有研究強調，低溫脅迫下，ABA和ROS誘導的Ca2+濃度增加，在植物冷害信號傳遞中的核心作用。植物遭遇低溫時，細胞內會產生大量的ROS，能夠改變細胞內的氧化還原平衡，并且ROS的濃度與Ca2+的傳輸緊密相聯[28，29]。目前還有Ca2+信號之外的傳遞低溫信號功能的印證，討論了磷脂酰肌醇特異性磷脂酶C(PI-PLC)在低溫脅迫情況下傳遞低溫信號的作用。通過水解膜相關的磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸產生肌醇-1，4，5-三磷酸(IP3)和二酰甘油(DAG)，激活鈣通道和蛋白激酶C(PKC)，從而參與低溫信號傳遞[30]。

2.2 低溫響應信號通路及其調控機制

2.2.1 CBF/DREB的調控機制

CBF(C-repeat/DREB binding factor)轉錄因子能夠在低溫條件下通過激活COR(cold-regulated)基因增強植物的抗寒能力，在低溫分子調控中研究較多。CBF在植物冷馴化中激活COR強化抗凍能力，SnRK2s和MAPKs蛋白激酶重要性顯著。同時，探討了MdMYB88和MdMYB124轉錄因子是低溫脅迫響應中的關鍵，正向調控冷響應基因，促進花青素積累[31]。CBF基因調節的過程中，CBF基因被ICE1、CAMTA3迅速誘導，同時被MYB15和PIFs等因子抑制。這些轉錄因子調控CBF表達，進而激活抗寒基因，提高植物的冷馴化能力。蛋白激酶如OST1和MPK3/6通過磷酸化調節轉錄因子的活性，影響CBF表達[32]。關于植物在低溫脅迫下CBF基因表達的調控及其修飾，特別強調了轉錄后和翻譯后修飾(PTM)對CBF表達的影響。研究顯示，如磷酸化、泛素化和SUMO化等PTM在調節ICE-CBF-COR信號通路中發揮重要作用，增強了ICE基因對下游基因的穩定性和結合效率，從而提高了植物對冷脅迫的耐受性[33]。而在小麥中，TaMYC2轉錄因子通過ICE-CBF-COR信號模塊增強擬南芥冷凍耐受性的機制，研究顯示，TaMYC2的過表達可以激活CBF途徑，促進COR基因的表達，從而提高植物在低溫環境下的存活率；還揭示TaMYC2如何通過調節ROS的代謝過程，加強植物的抗寒能力[34]。

在近些年關于CBF轉錄因子在寒冷適應機制中作用的研究不斷深入，采用染色質免疫沉淀測序(ChIP-seq)技術，探究了擬南芥中CBF轉錄因子的全基因組結合位點。這些蛋白特異性識別并結合到目標基因的C重復/脫水響應元件(CRT/DRE)，顯著影響了1012個基因的表達。進一步分析CBF1、CBF2、CBF3三重突變體的轉錄數據，識別出146個直接受CBF調控的核心基因。此外，研究還表明，CBF目標基因在調控植物對激素信號、光信號和晝夜節律的響應中起到關鍵作用，突顯了CBF在協調內部和外界環境信號中的集成器角色，為理解植物早期寒冷響應的調控機制及CBF在植物生命過程中的多功能作用提供了新的視角[35]。

2.2.2 其他調控方式

植物對低溫的響應是一個涉及復雜生理及基因表達調控網絡的多因素協同作用過程，除了CBF冷響應途徑外，還有多種調控途徑被激活，包括轉錄因子、信號傳遞、細胞壁生物生成、防御，以及光合作用等方面基因的上調和下調。在番茄(Solanumlycopersicum L.)和煙草(Nicotianatabacum L.)中乙烯響應因子LeERF2/TERF2對乙烯生物合成基因表達的調控作用，及其對乙烯產生的控制，研究發現，LeERF2/TERF2能夠通過與促進乙烯生物合成基因的啟動子區域(如GCC box和DRE/CRT)的相互作用，激活這些基因的表達，進而調節植物的乙烯生產[36]。在擬南芥對低溫的反應研究中，除了CBF轉錄因子途徑外，還揭示了其他信號傳導途徑的重要作用。研究揭示了冷脅迫條件下9個磷脂信號傳導基因的表達量發生了變化，其中8個基因表現為表達量上調，強調了磷脂二級信使在冷信號傳導中的關鍵角色。同時，2個Rab GTPase基因和1個GDP/GTP焦磷酸激酶(RSH2)的上調表達指示細胞內膜運輸和(p)ppGpp介導的信號傳導活性變化[37]。Wang Y等[38]發現，CsWRKY2，一個茶樹WRKY轉錄因子，屬于WRKY I組家族，主要定位于細胞核；其在葉片中的表達水平較高，并且能夠對低溫、干旱脅迫以及外源ABA的誘導作出響應，通過ABA信號途徑在植物對低溫和干旱脅迫的防御反應中起關鍵作用。NAC轉錄因子通過參與ABA信號途徑，調控與環境脅迫響應相關的基因表達，提高植物對低溫的耐受性，能夠激活特定的脅迫響應基因，促進代謝物的積累，從而增強植物的逆境適應能力[39]。

3 展望

在最近幾年的研究中，人們對植物如何應對低溫環境的復雜機制有了更深入的理解。發現植物抗寒性是由特異性抗寒基因通過復雜網絡調控形成，涵蓋低溫信號感知、傳導至響應基因表達全過程。研究聚焦于Ca2+信號通路和ICE-CBF-COR等關鍵途徑，但細胞膜物理性變化、激酶活性調控和低溫對基因表達的影響等其他機制仍需深入理解。盡管CBF途徑被廣泛研究，非CBF途徑和表觀遺傳調控機制探索仍在進行。此外，熱帶地區的植物由于在高溫環境下進化，可能積累了不利于抗寒的遺傳變異，這對提高植物的低溫耐受性帶來了額外挑戰。因此，深入理解抗寒機制，對促進耐低溫育種和利用轉基因技術提高作物低溫抗性至關重要。這需要基因組學、轉錄組學、蛋白組學和代謝組學等多學科方法及模式植物研究，探索植物特別是生殖生長階段的低溫響應，以期獲得更全面的認識。

未來的研究需要集中關注表觀遺傳調節在植物對低溫響應中的角色，特別關注DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA在冷脅迫下的動態變化。將有助于揭示植物如何在分子水平上“記憶”低溫環境，并適應這種生存挑戰。了解這些復雜的調控機制不僅能夠豐富人們對植物生物學的基礎知識，還可能為通過調節這些表觀遺傳因素增強作物的低溫耐受性開辟新途徑。此外，基因編輯技術，如CRISPR/Cas9系統，提供了精確操控關鍵基因表達的可能性，為驗證這些基因在植物冷應答中的具體功能提供了有力的工具。通過結合高通量的組學技術，未來的研究有望在系統層面深入解析植物對低溫脅迫的響應機制，為培育具有更高冷耐性的作物品種奠定基礎。

隨著植物低溫響應機制研究需求增長，未來研究需強調跨物種比較及功能基因組學，以識別不同植物中的抗寒響應途徑，揭示抗寒性的進化模式和基因功能多樣性。同時，考慮到環境脅迫的多重生理和分子互作，探索低溫與其他非生物脅迫如干旱、鹽害的交互效應，對理解植物逆境響應網絡至關重要。這將有助于深化對植物復雜環境脅迫協調響應的理解，為培育多重逆境耐受作物開辟新策略。綜上所述，通過綜合運用系統生物學、分子遺傳學和先進的基因編輯技術，未來研究將能夠為提高作物低溫耐受性和適應性提供更加精確和有效的分子基礎，從而在全球氣候變化的背景下保障農業生產的穩定性和可持續性。