植物低温胁迫下的逆境耐受机制综述

张慧仙+李科

摘 要：低温胁迫是影响植物生长发育及作物产量最主要的逆境胁迫之一，发展低温胁迫耐受植物是十分重要的。通常低温会导致植物机械损伤，在膜水平上的信号受体是接受胁迫信号的第一步，之后把信号转导进入细胞，影响胁迫应答基因，以调控对逆境的耐受性。了解在众多基因中的逆境耐受机制，包括逆境胁迫的信号转导网络，对于作物产量的提高是非常重要的。

关键词：植物低温胁迫；钙离子；基因调控；综述

中图分类号 Q945 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）18-19-03

1 引言

植物生长发育及作物产量都受大自然的影响，影响形式包括各种各样的逆境胁迫和生物灾害因素。事实上，世界上粮食减产的主要原因之一就是逆境胁迫，对大多数主要的农作物来说，因为该因素减产超过50%[1]，因逆境胁迫每年导致粮食减产和作物死亡造成的损失近亿美元，这些胁迫威胁着农业产业的可持续发展。为了应对逆境胁迫，多种能够缓和胁迫的影响并能使细胞和植物对逆境胁迫耐受的基因已被研究。在自然界中，胁迫并不全是来自于突变，许多胁迫都是互相影响的，大自然为了响应这些互相交叉的胁迫信号，演化出对逆境胁迫的多种抵抗和耐受途径，通过这些途径的相互作用，减轻了胁迫带来的伤害。

在自然界中，胁迫的定义是单位面积对某一目标物体施加的机械伤害。受到胁迫后，目标物体会在面积上有所改变，通常也被称为皱缩。由于植物无法移动，所以很难准确衡量胁迫对其造成的伤害，因此在生物层面很难定义胁迫。同一种生物环境，可能对一种植物来说是胁迫环境，然而对另一种就是有利环境。生物学胁迫的普遍认可的定义是指一种可以展现标准化的功能并且在生物系统（例如植物）中广泛存在的不利的外力或环境条件[2]。

细胞由细胞膜使其与周围的细胞外环境相分离的，这层膜只允许一些小分子的脂质分子通过，例如类固醇激素，它可以通过细胞膜扩散到细胞内基质，而不允许水溶性物质的通过，例如离子、蛋白质以及其他生物大分子。细胞内的变化主要是由细胞外物质和膜载体蛋白的共同作用下起始的，包括生物的和非生物的多种胁迫信号。

多种胁迫响应基因都可以广义地分为早期和晚期诱导基因。早期诱导基因在接收胁迫信号之后的几分钟内就有所反应，并且表达量短期内发生变化。早期诱导基因包括多种转录因子，因为这些基因的诱导不需要合成新的蛋白，并且信号组分已经待命。相反的，其他对胁迫响应较慢的基因（即在胁迫后数小时后才会有表达量变化）包含了后一种类型，这些基因包括了主要的胁迫响应基因，例如RD（响应脱水的基因）、KIN（低温诱导基因）、COR（低温响应基因），这些基因编码并调控了蛋白质的合成，例如LEA类似蛋白（后期胚胎发生大量蛋白）、抗氧化物、稳固细胞质膜蛋白和渗透压调节剂的合成。

2 低温对植物生理方面的影响

每种植物都有其独特的最适温度，在最适温度下对植物的生长和繁殖都有积极的影响，对某种植物积极促进生长的一系列温度条件，很可能对另一种植物是抑制生长的。对于很多植物，尤其是那些适应于温暖环境的植物，当它们处于低温（非冰点温度）时会出现冻伤的症状[3]。这些植物包括玉米（Zea mays），大豆（Glycine max），棉花（Gossypium hirsutum），西红柿（Lycopersicon esculentum）和香蕉（Musa sp.），这些植物对于低于10～15℃的温度十分敏感，并且会在低温下出现可见的冻伤表征。对这类植物低温胁迫的损伤症状在48～72h出现，然而对于低温的耐受时间各种植物都是不同的，也取决于植物对低温胁迫的敏感度。响应低温胁迫的不同症状表型包括叶片面积减小、萎蔫、黄化（叶子变黄），并且可能导致坏死（植物组织死亡）。寒冷也会严重妨碍植物的生殖生长，例如，将开花期（花苞即将开放的时期）的水稻植株置于寒冷的温度条件下将会导致花朵不育[4]。

低温引起的主要的负面影响是导致细胞膜的严重损失[5-6]，由于寒冷伴随着急性脱水，因而这种损伤是大范围的。膜脂主要是由饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸2种构成，不饱和脂肪酸包含一个或多个碳碳双键（-CH=CH-），而饱和脂肪酸中碳原子全部被氢原子饱和（-CH2-CH2-）。众所周知，由饱和脂肪酸组成的脂质的凝固温度要比不饱和脂肪酸构成的脂质的凝固点高，因此在细胞膜中的不饱和脂肪酸的相对比率对膜的流动性影响很大[6]。细胞膜从半流动状态变为半晶体状态的临界温度被称为转变温度。对低温敏感的植物通常都有较高的饱和脂肪酸含量，因而也有一个较高的转变温度。相对的，对低温耐受的植物物种就明显的有较高的不饱和脂肪酸的含量，对应一个较低的转变温度。

许多农作物依赖于其耐寒的能力，从而能够成功地度过春末的冰点温度和秋初的霜冻灾害，因而对低温的耐受力对于农作物的可持续发展是极其重要的。发展耐霜冻农作物的关键在于了解低温是如何对植物造成伤害的。低温对植物引起的真正的伤害在于冰晶的形成，而不是低温。值得一提的是，已经脱水的组织，如种子和真菌孢子，都能在很低的温度下存活，并且不会出现任何冻伤的症状，甚至冷冻保存已经成为一种常用的保存种子及其他生物活性材料的方法，而这一方法正是基于水分挥发后就不会有冰晶形成的事实。

植物中冰晶的形成始于细胞质空间，因为它具有相对低的溶质浓度。由于在任何温度下冰晶的蒸汽压力都要比液体水的低很多，在细胞质空间形成的冰晶都会在细胞质和周围细胞间构成一个蒸汽压力梯度。没有结冰的细胞质水分子从细胞溶质到质外体沿着梯度向下迁移，而这种迁移会增大已经存在的冰晶，也会引起细胞壁和膜脂的硬化，从而导致细胞破裂[7-8]。冰冻引起细胞脱水，造成细胞膜的多种伤害形式，包括细胞延展性能减小，细胞破裂损伤，以及薄片状向六边形的二相转变。尽管冰冻伤害主要是由剧烈脱水引起的细胞膜的损伤，一些附加因素也会加剧冰冻引起的损伤。endprint

ROS的产生是对低温胁迫引起的细胞膜损伤的应答。低温敏感植株特异性的存在一种结构损伤，并且也很可能会在低温环境下发生代谢障碍[9]。总之，低温胁迫本质上是损害质膜的完整性，这种损伤又会导致细胞质的流失。胞内细胞器的完整性也被破坏，这将导致光合作用、蛋白合成及大部分细胞内反应过程的不完整和减产。而对于诱导植物对低温的耐受力的最主要的环境因素，被称作低温适应现象，这是一个对于某些植物增强它们暴露与低温（非冰点温度）环境中的低温耐受力。

3 植物低温适应及其在提高低温耐受力中的作用

低温适应的主要功能在于强化细胞膜抵御冰冻损害的能力，适应低温的结果是增加细胞膜中不饱和脂肪酸的比率。低温适应通过阻止在黑麦或其他植物中细胞延展性退化和形成六边形的双层质膜来起作用[6，11]。低温适应通过改变脂质的位置和引入其他非酶蛋白，从而导致细胞膜的物理和生化结构的重组，以此改变细胞中水分子的冰点。溶剂的增加降低了水分子的冰点，使其降至更低的温度值，因而能阻止冰晶的形成。

低温导致细胞组成的改变，包括不饱和脂肪酸的含量[12]，甘油糖脂的位置[13]，蛋白质、碳水化合物和活跃的离子通道的位置改变[14]。随着低温适应的产生，蔗糖和其他单糖逐渐积累，也会有助于加强细胞质膜的坚固性，因为这些分子可以保护细胞质膜免受冰冻伤害。低温耐受力是多基因共同调控的，低温会活化许多寒冷诱导基因[15]，例如那些编码脱水、脂质转移蛋白、翻译延长因子和延迟胚胎发生期和数量的蛋白的基因[16]。另外，细胞内冰晶的形成也会导致细胞壁和细胞膜的机械损伤，从而导致细胞破裂[7-8]。也有证据表明，植株在低温下会发生蛋白质的变形，也会导致细胞损伤[17]。

总之，低温适应可以保护和坚固细胞膜的完整性，加强抗氧化机制，增加细胞内糖含量和其他抗冻物质的积累，这些抗冻物质包括通过诱导编码分子伴侣的基因来实现保护细胞内蛋白质的多胺类物质[18]。所有这些改变都有助于植物可以承受并克服伴随着低温胁迫的剧烈脱水伤害。

4 植物低温诱导基因在低温适应中的作用

当前在植物低温诱导基因本质的探索及其在低温耐受中的角色建立方面，已经取得了显著的成果。如拟南芥FAD8基因[19]编码了一个脂肪酸脱氢酶，这个脱氢酶可以通过改变脂质的组成，而有助于提高低温耐受性。

编码分子伴侣的低温应答基因，包括菠菜hsp70基因[20]和油菜籽（Brassica napus）hsp90基因[21]，通过稳定蛋白结构以抵御低温诱导的蛋白变性来加强植物对于低温的耐受力。编码多种信号转导和调控蛋白的低温敏感基因都已被鉴定，这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]和钙调蛋白[24]。这些蛋白可能通过控制或调控对胁迫响应的主要基因的表达及蛋白质的活性，从而有助于提高低温耐受性以及其他胁迫的耐受性。

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（责编：张宏民）endprint