植物脫水素響應逆境脅迫調控機制研究進展

摘要 脫水素（dehydrin，簡稱DHN）是一類廣泛存在于植物體內響應逆境脅迫的親水性蛋白，對逆境中農作物健康生長和果實積累至關重要。內蒙古地區瘠薄土壤中營養相對匱乏，鹽堿化較為嚴重，植物經長期自然進化獲得了分泌脫水素的功能，能夠通過調控體內水分的蒸騰流失來穩定細胞質膜的結構，進而適應土壤干旱、高鹽、高溫等脅迫環境。因此，提高脫水素分泌量農作物品種的選育是實現可持續農業的重要途徑。綜述了脫水素蛋白的分子結構及其在不同逆境中的調控機制，以期為后續高產抗逆新品種農作物培育研究提供借鑒。

關鍵詞 脫水素；親水性蛋白；脅迫；調控機制

中圖分類號 Q945.78 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）13-0001-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.13.001

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Progress on Regulation Mechanism of Plant Dehydrin in Response to Stresses

QIAO Mei-ling，JI Zhao-jun，YUAN Xiao-xia et al

（College of Life Sciences and Food Engineering，Inner Mongolia Minzu University，Tongliao，Inner Mongolia 028000）

Abstract Dehydrin （DHN），a kind of hydrophilic proteins involved in the responses to various stresses，is essential for healthy growth and fruit accumulation of the crops.The barren soil in Inner Mongolia is nutritional deficiency relatively，and the salinization is more serious.Plants have acquired the function of secreting dehydrin for the long-term evolution and development，that could stabilize the structure of plasma membrane by regulating the water transpiration rate，to adapt to the soil stress environment such as drought，high salt and high temperature.Therefore，the breeding of crop varieties secreted more dehydrin was an important way to achieve sustainable agriculture.The molecular structure of dehydrin protein and the regulation mechanism in different stresses reviewed here would provide some references for the further researches on the cultivation of new crops with high yields and stress resistances.

Key words Dehydrin;Hydrophilic protein;Stress;Regulatory mechanism

基金項目 國家自然科學基金項目（32170020）；內蒙古自治區科技計劃項目（2021GG0005）；內蒙古自治區自然科學基金項目（2022QN03030）；內蒙古自治區蓖麻育種重點實驗室開放基金項目（MDK2016034）；內蒙古自治區高等學校青年科技英才支持計劃資助項目（NJYT-19-A10）。

作者簡介 喬美玲（1999—），女，內蒙古通遼人，碩士研究生，研究方向：生物固氮機制。*通信作者，教授，博士，碩士生導師，從事生物固氮研究。

收稿日期 2023-08-30

脫水素（dehydrin，DHN）是一種植物抵御逆境脅迫而分泌出的親水性蛋白，屬胚胎發育晚期豐富蛋白（late embryogenesis abundant protein，LEA） Ⅱ家族，由多個保守序列組成，類型多樣，主要參與極端環境應答，具有復雜的組織調控系統，當植株遭受逆境脅迫時，脫水素會在體內產生并積累，提高植株對環境的適應性，因此也被稱為響應脫落酸或水脅迫蛋白。逆境脅迫因素主要有干旱、高鹽、強堿、高溫等，嚴重制約了植物在生長發育過程中形態結構的形成、生理生化代謝物的積累，甚至會導致植物死亡。為了響應復雜多變的生長環境，植物經長期進化獲得這一抵御機制，提高環境耐受性［1］。研究發現，在逆境中生長植株的細胞質、細胞核、液泡、葉綠體、線粒體中均檢測到脫水素的積累，因此，深入研究脫水素的蛋白質結構及抗逆調控機制對強抗逆性植物的改良具有重要意義，也可為植物分子育種提供理論指導［2］。

1 脫水素的蛋白結構及在植物體內的生理功能

1.1 脫水素的蛋白結構

已有研究表明，植物中的脫水素蛋白結構主要呈松散無序狀，由幾十至幾百個氨基酸組成，分子量范圍介于9～200 kD，甘氨酸和賴氨酸含量較高，而半胱氨酸和色氨酸含量極低，保證脫水素在外界脅迫環境中仍然能夠維持穩定的蛋白二級結構［3］。脫水素蛋白結構中含有3個高度保守序列，分別為K、Y和S，以及一個可變結構域Φ片段，其中K片段是所有脫水素的共有結構，位于脫水素蛋白一級結構的羧基端，由15個氨基酸殘基組成（EKKGIMDKIKEKLPG），其中賴氨酸殘基（K）含量最高，這些氨基酸殘基形成的α-螺旋結構具有雙親性，可通過與疏水作用位點結合，嵌入細胞質膜或蛋白中發揮親水效應，脫水素蛋白結構中通常含有1～11個拷貝的K片段，其中最保守的結構是Lys-Ile-Lys-Glu（KIKE）［4］。Y片段（T/V）（DEYGNP）是一類位于氨基端的保守序列，富含酪氨酸殘基，常以重復拷貝的形式出現。S片段由多個絲氨酸殘基串聯而成，可被酪蛋白激酶2（casein kinase 2，CK2） 磷酸化，使脫水素蛋白在信號肽的引導下進入細胞核中發揮重要生理功能，當S片段缺失時，會影響脫水素在細胞核中的識別定位。S和Y是可變結構，根據三段保守序列的排列順序和數量，脫水素被分為5個亞類（YnSKn、SKn、Kn、KnS和YnKn）和1個中間型（SnKS）。保守度相對較低的Φ片段上富含極性氨基酸殘基。脫水素蛋白結構中極性帶電氨基酸殘基含量高，疏水氨基酸殘基含量低，導致蛋白形成的二級結構呈特殊的松散無序狀，穩定性較差，提高了植物在逆境脅迫環境中的生存能力［5］。

1.2 脫水素的生理功能

植物響應逆境脅迫產生的脫水素蛋白，主要有調節蛋白和功能蛋白兩大類，其中功能蛋白可在逆境中作為生物因子穩定細胞中多種大分子物質，保護細胞膜正常生理功能，具有較高的研究價值。植物在生長發育不同時期響應不同程度的逆境脅迫，脫水素所發揮的生物功能也不盡相同，如蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）中屬于YnKn亞類的脫水素MtCAS31在擬南芥中異源表達，可阻礙植物體內水分流失，顯著提高了擬南芥的耐旱性［6］，干旱逆境下云杉（Picea glauca Mast）植物體內脫水素蛋白的表達量提高數倍［7］。還有許多植物，如小麥（Triticum aestivum）、紫針茅（Stipa purpurea）和油橄欖（Olea europaea）等，通過轉基因手段將脫水素蛋白異源表達，提高擬南芥耐旱能力［8-10］。脫水素蛋白還可與其他蛋白相互作用來保護細胞質膜系統，其中K片段中的α-螺旋結構能夠與其他蛋白通過疏水作用位點結合，避免細胞質膜上蛋白質的聚集或變性，Y片段與分子伴侶的同源性較高，可協助胞內蛋白質正確加工與折疊，保證蛋白質結構的完整性［11-12］。此外，脫水素還可通過螯合金屬離子（如Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+）使植物抗氧化性提高，進而減少活性氧自由基破壞細胞膜，穩定細胞質膜的結構［13］。因此，脫水素作為植物抗逆的保護劑，可有效避免細胞結構遭到破壞。

2 脫水素響應逆境脅迫的調控機制

脫水素響應逆境脅迫的調控機制可參見逆境脅迫誘導擬南芥脫水素分泌模型（圖1）。由圖1可知，逆境脅迫誘導擬南芥脫水素分泌量極低（左）和分泌量較高（右）對植株生長發育的影響。干旱脅迫下脫水素較高的分泌量直接導致擬南芥細胞質膜系統（CWS）免受損傷，保障植株細胞內外能量與物質的正常交換；高鹽脅迫（HS，紅色圓點）下脫水素較高的分泌量能夠提高擬南芥的吸水能力，保障植株水分含量，暫時性關閉細胞膜的鹽離子通道，阻礙鹽離子輸入細胞；低溫脅迫下脫水素較高的分泌量可顯著增強擬南芥光合作用、呼吸作用和新陳代謝活動，保證植株正常生理功能。

2.1 脫水素響應干旱脅迫的調控機制

長期處于干旱脅迫下的植物將會直接影響光合作用，損傷能量和物質交換的細胞質膜系統，致使毒性物質在胞內積累，造成植物衰老或死亡（圖1）［14］。植物產生脫水素能夠激活體內的應答防御機制，達到減少水分散失的目的［15］。植物抗旱基因的高表達受轉錄因子、信號分子、輔助因子的多重調控，進而提高植物抗旱能力。Liu等［16］發現，小麥中抗旱轉錄因子TabHLH49蛋白可與啟動子特異性結合，激活小麥脫水素基因WZY2的轉錄與表達。Lv等［17-18］發現，干旱處理狗牙根品種C299后，可獲得脫水素基因DHNs，再通過農桿菌介導法使DHNs轉入E.coli和擬南芥中進行異源表達，發現擬南芥抗逆功能得到顯著提升。2021年，Meng等［19］發現，辣椒基因組上脫水素基因CaDHN3可與上游參與乙烯信號轉導的基因相互作用，CaDHN3基因在擬南芥中過表達后，在參與激素信號轉導基因的協助下，顯著增加了擬南芥的耐旱性，證明轉導信號能夠協助脫水素基因發揮抗逆功能。

2.2 脫水素響應高鹽脅迫的調控機制

植物生長環境中鹽離子濃度過高并突破某個閾值，將會導致植物體內水勢改變，進而通過滲透壓或離子毒性作用對根系水分吸收功能和植物細胞正常生長發育產生一定的抑制作用，即為高鹽脅迫。脫水素作為一種滲透調節蛋白，可有效調節農作物在高鹽脅迫時的生長發育和新陳代謝（圖1），增加農作物產量，解決低產問題。2016年Qin等［20］發現，在高鹽濃度下小麥中YnSKn型脫水素基因TaDHN1、TaDHN2和TaDHN3的表達量顯著上調，植株生長情況明顯優于對照組，2019年Luo等［21-22］研究發現，高鹽濃度下，擬南芥種子中過表達辣椒YSK2型脫水素基因CaDHN4和CaDHN5后，發芽率顯著提高；2020年Kirungu等［23］報道，敲除存在于棉花中脫水素基因GhDHN_03和GhDHN_04，植株對鹽脅迫的耐受能力顯著降低。因此，脫水素基因表達上調可增強植株對鹽脅迫的耐受能力，還可提高作物在高鹽脅迫下的生長優勢和發芽率。

2.3 脫水素響應低溫、高溫脅迫的調控機制

溫度是影響植物生長發育的重要環境因素，當溫度低于0 °C時，植物由于低溫導致新陳代謝受損，即凍害。凍害不僅會使植物細胞脫水、細胞膜通透性增加、內容物外泄，還會影響植株正常的光合作用、呼吸作用和新陳代謝等，最終致使細胞死亡。研究發現，在低溫條件下長勢良好的作物體內均能夠檢測到脫水素蛋白的存在（圖1）。高粱（Sorghum bicolor）中屬于

YSK2亞類中的脫水素DHNⅠ在煙草中進行異源表達后，降低細胞質膜的損傷，顯著提高了煙草的耐旱性［24］，低溫下檉柳（Tamarix chinensis）體內的丙二醛含量相較于低溫脅迫前下降了數倍［25］，此外，還有許多作物，例如生菜（Lactuca sativa L.）、多毛番茄（Solanum habrochaites）和胡楊（Populus euphratica）等，均可通過轉基因手段賦予其抗脅迫的能力［26-28］。

除低溫脅迫外，高溫也會對植物的正常生長發育帶來嚴重影響（圖1）。

同源比對發現小麥全基因組中有179個TaLEA基因家族成員，高溫脅迫下，表達TaLEA蛋白的8個重組大腸桿菌平均存活率較對照組高2～3倍，表達TaLEA蛋白的6個重組酵母菌到達穩定期的生長時間均顯著高于對照組，說明重組酵母菌高溫下生長速度快，耐高溫能力強。因此，脫水素也有助于生物響應高溫脅迫并提高自身的熱耐受性［29-30］。

52卷13期 喬美玲等 植物脫水素響應逆境脅迫調控機制研究進展

3 總結與展望

3.1 探究脫水素基因表達的重要性

脫水素蛋白在植物響應逆境脅迫過程中發揮著關鍵作用，研究表明，當植物應對干旱、高鹽、低溫、高溫等逆境時，均會通過激活脫水素相關基因的高表達來增強自身抗逆能力，最大程度保護自身不受影響，但脫水素的調控機理和信號轉導途徑仍未徹底明確，尚需展開深入研究，如非高度保守片段在脫水素分泌和抗逆過程中如何發揮生理功能，植物激素通過怎樣的網絡調控機制來控制脫水素含量的變化。因此，深入探究脫水素基因的表達調控機制對于作物的遺傳改良具有重要的指導作用。

3.2 培育抗逆植株的重要性

內蒙古地區空氣干燥，降水量分布不均，鹽堿地、沙地糧食減產問題，不僅給農民收入帶來不利影響，還嚴重制約了我國北方重要生態安全屏障的建設。因此，綠色農業的可持續性發展，要求深入探究逆境脅迫生境中植物脫水素代謝途徑和抗逆分子調控機制，培育出抗逆農作物，解決逆境脅迫土壤糧食產量不高的問題。

參考文獻

［1］

YANG W B，ZHANG L S，LV H，et al.The K-segments of wheat dehydrin WZY2 are essential for its protective functions under temperature stress［J］.Front Plant Sci，2015，6：1-9.

［2］ CLOSE T J.Dehydrins：A commonalty in the response of plants to dehydration and low temperature［J］.Physiol Plant，1997，100（2）：291-296.

［3］ MURRAY M R，GRAETHER S P.Physiological，structural，and functional insights into the cryoprotection of membranes by the dehydrins［J］.Front Plant Sci，2022，13：1-7.

［4］ GRAETHER S P，BODDINGTON K F.Disorder and function：A review of the dehydrin protein family［J］.Front Plant Sci，2014，5：1-12.

［5］ LIU Y，WANG L，ZHANG T P，et al.Functional characterization of KS-type dehydrin ZmDHN13 and its related conserved domains under oxidative stress［J］.Sci Rep，2017，7：1-10.

［6］ XIE C，ZHANG R X，QU Y T，et al.Overexpression of MtCAS31 enhances drought tolerance in transgenic Arabidopsis by reducing stomatal density［J］.New Phytol，2012，195（1）：124-135.

［7］ STIVAL SENA J，GIGURE I，RIGAULT P，et al.Expansion of the dehydrin gene family in the Pinaceae is associated with considerable structural diversity and drought-responsive expression［J］.Tree Physiol，2018，38（3）：442-456.

［8］ BRINI F，HANIN M，LUMBRERAS V，et al.Overexpression of wheat dehydrin DHN-5 enhances tolerance to salt and osmotic stress in Arabidopsis thaliana［J］.Plant Cell Rep，2007，26（11）：2017-2026.

［9］ CHIAPPETTA A，MUTO A，BRUNO L，et al.A dehydrin gene isolated from feral olive enhances drought tolerance in Arabidopsis transgenic plants［J］.Front Plant Sci，2015，6：1-15.

［10］ YANG Y Q，SUN X D，YANG S H，et al.Molecular cloning and characterization of a novel SK3-type dehydrin gene from Stipa purpurea［J］.Biochem Biophys Res Commun，2014，448（2）：145-150.

［11］ LAYTON B E，BOYD M B，TRIPEPI M S，et al.Dehydration-induced expression of a 31-kDa dehydrin in Polypodium polypodioides （Polypodiaceae） may enable large，reversible deformation of cell walls［J］.Am J Bot，2010，97（4）：535-544.

［12］ KOVACS D，KALMAR E，TOROK Z，et al.Chaperone activity of ERD10 and ERD14，two disordered stress-related plant proteins［J］.Plant Physiol，2008，147（1）：381-390.

［13］ TOMPA P，BNKI P，BOKOR M，et al.Protein-water and protein-buffer interactions in the aqueous solution of an intrinsically unstructured plant dehydrin：NMR intensity and DSC aspects［J］.Biophys J，2006，91（6）：2243-2249.

［14］ 拉本，胡娟，張旭萍.干旱脅迫對植物生理的影響以及分子機制的響應研究進展［J］.青海草業，2022，31（4）：31-35.

［15］ 李昕.脫水素MtCAS31影響水通道蛋白自噬降解及固氮酶活性的機制研究［D］.北京：中國農業大學，2018：50-66.

［16］ LIU H，YANG Y，LIU D D，et al.Transcription factor TabHLH49 positively regulates dehydrin WZY2 gene expression and enhances drought stress tolerance in wheat［J］.BMC Plant Biol，2020，20（1）：1-10.

［17］ LV A M，FAN N N，XIE J P，et al.Expression of CdDHN4，a novel YSK2-type dehydrin gene from bermudagrass，responses to drought stress through the ABA-dependent signal pathway［J］.Front Plant Sci，2017，8：1-12.

［18］ 謝建平，袁世力，劉星辰，等.狗牙根品種C299脫水素基因抗逆功能分析［J］.中國草地學報，2018，40（4）：16-22.

［19］ MENG Y C，ZHANG H F，PAN X X，et al.CaDHN3，a pepper （Capsicum annuum L.） dehydrin gene enhances the tolerance against salt and drought stresses by reducing ROS accumulation［J］.Int J Mol Sci，2021，22（6）：1-18.

［20］ QIN Y X，QIN F.Dehydrins from wheat x Thinopyrum ponticum amphiploid increase salinity and drought tolerance under their own inducible promoters without growth retardation［J］.Plant Physiol Biochem，2016，99：142-149.

［21］ LUO D，HOU X M，ZHANG Y M，et al.CaDHN5，a dehydrin gene from pepper，plays an important role in salt and osmotic stress responses［J］.Int J Mol Sci，2019，20（8）：1-16.

［22］ ZHANG H F，LIU S Y，MA J H，et al.CaDHN4，a salt and cold stress-responsive dehydrin gene from pepper decreases abscisic acid sensitivity in Arabidopsis［J］.Int J Mol Sci，2019，21（1）：1-21.

［23］ KIRUNGU J N，MAGWANGA R O，PU L，et al.Knockdown of Gh_A05G1554 （GhDHN_03） and Gh_D05G1729 （GhDHN_04） Dehydrin genes，Reveals their potential role in enhancing osmotic and salt tolerance in cotton［J］.Genomics，2020，112（2）：1902-1915.

［24］ HALDER T，UPADHYAYA G，RAY S.YSK2 type dehydrin （SbDhn1） from Sorghum bicolor showed improved protection under high temperature and osmotic stress condition［J］.Front Plant Sci，2017，8：1-17.

［25］ 林士杰，李俊濤，姜靜，等.轉檉柳晚期胚胎富集蛋白基因煙草的耐低溫性分析［J］.生物技術通訊，2006，17（4）：563-566.

［26］ PARK B J，LIU Z C，KANNO A，et al.Increased tolerance to salt- and water-deficit stress in transgenic lettuce （Lactuca sativa L.） by constitutive expression of LEA［J］.Plant Growth Regul，2005，45（2）：165-171.

［27］ LIU H，YU C Y，LI H X，et al.Overexpression of ShDHN，a dehydrin gene from Solanum habrochaites enhances tolerance to multiple abiotic stresses in tomato［J］.Plant Sci，2015，231：198-211.

［28］ HOLLIDAY J A，RALPH S G，WHITE R，et al.Global monitoring of autumn gene expression within and among phenotypically divergent populations of Sitka spruce （Picea sitchensis）［J］.New Phytol，2008，178（1）：103-122.

［29］ DRIRA M，SAIBI W，AMARA I，et al.Wheat dehydrin K-segments ensure bacterial stress tolerance，antiaggregation and antimicrobial effects［J］.Appl Biochem Biotechnol，2015，175（7）：3310-3321.

［30］ 劉浩.小麥LEA基因家族的鑒定及脫水蛋白WZY2響應干旱脅迫的調節機制［D］.楊凌：西北農林科技大學，2021：33-35.