植物非生物胁迫的研究进展

于新海 李濛 周红昕

摘 要：植物生长的自然环境是由一系列复杂的生物胁迫和非生物胁迫构成。且植物对这些胁迫的反应同样复杂，其中干旱、水淹、冷、高盐等非生物胁迫对植物的危害尤为严重。文章对国内外近年来植物非生物胁迫响应机制、转录因子在非生物胁迫过程中的作用和基因工程对培育具有非生物胁迫耐受性作物的应用进行讨论。

关键词：非生物胁迫；转录因子；基因工程

中图分类号：Q789 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160532020

在植物生长过程中会受到各种各样的非生物胁迫或生物胁迫，其中非生物胁迫包括盐碱胁迫、干旱胁迫、冷胁迫、热胁迫等等因素。为了适应在各种不同胁迫条件下的生存环境，植物进化出了响应不同胁迫信号刺激的调控途径。当植物受到这些胁迫条件胁迫后，将会激活植物体内响应该胁迫的调控途径，使植物能够抵抗该胁迫，从而生存下去。因此，研究植物的耐非生物胁迫可以帮助科学家们了解植物是如何抵御外界环境胁迫及通过哪些关键途径来进行调节。目前，随着全测序成本的降低，已经完成了拟南芥（Arabidopsis thaliana L.）、玉米（Zea mays L.）、大豆（Giycine Max L.）、水稻（Oryza sativa L.）、苹果（Malus domestica.）等许多物种的全基因组测序[1]。结合全基因组测序结果、差异转录组分析结果和大量基因的功能分析，发现转录因子在这一过程中起着重要作用，其中转录因子包括MYB和AP2/ERF等家族。当植物受到生物或非生物胁迫刺激后，会激活脱落酸、乙烯等信号途径，从而激活转录因子的表达，再通过转录因子结构域内的反式作用元件特异性结合到下游靶基因启动子区域的顺式作用元件上，来激活或者抑制下游功能基因的表达来完成调节作用。这一过程中，最终需要通过基因来行使功能，因此本文重点讨论植物非生物胁迫反应中主要的可能机制。

1 植物非生物胁迫响应机制

植物响应非生物胁迫是动态的、复杂的，即是可逆过程又是不可逆的。同时，植物对胁迫的应答依赖于组织或器官胁迫的感应。例如，根部胁迫的转录反应存在组织特异性或细胞特异性，且有很大的不同，这取决于所涉及的胁迫。此外，在复杂的响应过程中，胁迫程度和胁迫时间（瞬时或者长时）的不同具有显著不同效果。植物对非生物胁迫的分子反应涉及多个分子途径的相互作用和串扰。其最早的一个非生物胁迫调控途径涉及活性氧（reactive oxygen species， ROS）和活性氮（reactive nitrogen species， RNS），其功能为修饰酶活性和进行基因调控。Grant等人[2]提出了植物响应非生物胁迫信号网络的简化模型（图1）。其中最主要的2个途径为脱落酸（Abscisic acid， ABA ）途径和乙烯（ Ethylene， ET）途径[3]。ABA是许多植物对环境胁迫反应的中枢调节因子，尤其是渗透胁迫，它的信号传导非常快速且不涉及转录活性，例如ABA可以通过离子的生化调控和水的运输过程控制气孔的孔径。对于涉及生长调节、发芽和保护机制过程中的转录反应时，ABA反应较慢。

图 1 植物响应非生物胁迫信号网络的简化模型

1.1 ABA信号途径在非生物胁迫过程中的作用

近年来，ABA信号的关键要素已确定，且其作用方式明确。目前的研究表明，ABA信号模型包括3个核心组件，受体（PYR/PYL/RCAR）、蛋白磷酸酶（protein phosphatases， PP2C）、蛋白激酶（SnRK2 / ost1）。其中PYR/PYL/RCAR蛋白被确定为是可溶性ABA受体的2个独立分类。2C型蛋白磷酸酶（PP2C）包括ABI1和ABI2，是从不敏感拟南芥突变体abi1-1和abi2-1中被首次发现的，它们在ABA信号途径中起负调控作用。SNF1相关蛋白激酶2（SNF1-related protein kinase 2， SnRK2）是1个从ABA活化蛋白激酶中分离出来的蛋白激酶家族。拟南芥中该家族的3个成员SRK2D/SnRK2.2、SRK2E/OST1/SnRK2.6和SRK2I/SnRK2.3在ABA信号途径中起正调节作用，且获得三敲除突变体srk2d、srk2e、srk2i、（srk2dei）/snrk2.2、snrk2.3、snrk2.6，它们均缺乏ABA反应[4]。由此PYR/PYL/RCAR-PP2C-SnRK2复合物在ABA感知和信号过程中起关键作用。

1.2 乙烯信号途径在非生物胁迫过程中的作用

乙烯信号则参与多种应激反应，包括干旱、臭氧、缺氧、热、冷、机械损伤和UV-B光。乙烯信号途径已非常明确，在这里不再过多的讨论。研究表明ET和ABA在干旱、果实成熟和芽休眠方面已确定存在相互作用。所有的这些相互作用使植物对胁迫的应答表现的非常复杂。且血多非生物胁迫会直接或间接影响糖的合成、浓度、代谢、转运和储存。

2 转录因子在非生物胁迫过程中的作用

在植物受到非生物胁迫的过程中，非生物胁迫刺激细胞外膜产生二级信号分子，二级型号分子刺激细胞内膜产生磷酸化蛋白分子，继而启动转录因子对功能基因进行调控。其中转录因子起调控作用，对其的研究受到许多科学家的喜爱，包括MYB 、AP2/ERF等家族，磷酸化蛋白分子包括MAPK、CDPK、SOS3等，而功能基因则根据其功能和响应途径不同则可以分为耐盐碱、耐干旱、耐冷等等类别。在此，对植物中比较庞大的MYB和AP2/ERF这2个转录因子家族进行讨论。

2.1 MYB转录因子的结构、分类及在非生物胁迫过程中的作用

MYB是植物中一个庞大的转录因子超家族，其N端含有一段由51～52个氨基酸残基组成的MYB结构域，该结构域通常由最多4个氨基酸残疾序列的重复组成，每1个重复组成都形成3个α-螺旋，第2和第3个螺旋形成带有是哪个有规律的间隔色氨酸残疾（或疏水的）的螺旋-转交-螺旋（HTH）结构，形成1个3D HTH疏水核心结构。依据其MYB结构域的数量进行分类，可将其分为4类：只含1个MYB结构域的MYB蛋白亚类；含2个MYB结构域的R2R3-MYB亚类；含3个MYB结构域的R1R2R3-MYB亚类；含4个MYB结构域的MYB亚类。MYB转录因子在植物抵抗逆境胁迫应答过程中具有重要的作用，有研究指出甘蔗中的ScMYBAS1基因在干旱和高盐胁迫过程中起作用[5]；菊花中的CmMYB2基因能提高植株对干旱和高盐的耐受性，且提高了拟南芥对ABA的敏感性和延迟其花期的作用。

2.2 AP2/ERF转录因子的结构、分类及在非生物胁迫过程中的作用

植物AP2/ERF转录因子超家族是植物中特有的一个转录因子超家族，其氨基酸序列中有1或2个由60～70个氨基酸残基组成的AP2/ERF结构域[38]。依据其AP2/ERF结构域的数量进行分类，可将其分为4类： DREB （dehydration-responsive element binding protein）亚族；ERF（Ethylene-responsive element binding factors）亚族；AP2 （APETALA 2）亚族 ； RAV （related to ABI3/VP1）亚族。其中DREB和ERF亚族仅有1个AP2结构域，AP2亚族有2个AP2结构域，RAV有1个AP2结构域和一个B3结构域。该家族转录因子在高盐、干旱、低温、水淹、热等非生物胁迫过程中均具有重要作用。例如，拟南芥中的AtERFB1A基因在烟草中过表达提高了烟草对干旱和低温胁迫的耐受性；该基因在花生中表达则提高了花生对干旱胁迫的耐受性[7]；该基因在小麦中表达则提高了小麦对水淹胁迫的耐受性[7]；该基因在菊花中表达则提高了菊花对热胁迫的耐受性[7]。

3 基因工程对植物抵抗非生物胁迫的作用

Grant等人对非生物胁迫进行了划分，并对与这些不同的非生物胁迫相关的且已发表的文章和所受的影响面积做了统计。通过其统计的数据，可以看出与水相关的干旱、水淹或缺氧，与温度相关的冷，与化学/土壤相关的盐、矿物质缺乏或低生育率和酸性土壤这些因素对植物的威胁最大；随着基因工程技术的不断发展更新和对非生物胁迫调节机制的明确，生物学家和育种家们通过各种基因工程手段对各种作物进行遗传改良和基因修饰，从而获得能够对这些不利因素有一定耐受性的优良材料。

农杆菌介导的遗传转化技术是众多基因工程技术中的1种，由于其可以从基因层面上对植物的遗传背景进行修饰，得到了广大育种家的青睐。其原理是将控制目的性状的基因构建到一个植物表达载体中形成重组质粒，再将重组质粒转入农杆菌中，借助农杆菌将含目的基因的重组质粒转化入植物中，并整合到植物的染色体中，从而达到能够稳定遗传的目的。这样可以对特定的植物物种进行特定性状的改良，可以提供本物种不存在的新性状，完成了跨物种杂交，大大提高了育种的精准性。例如，将MYB转录因子家族的TaMYB56-B基因导入到小麦中增强了小麦对冷胁迫和盐胁迫的耐受性。将AP2/ERF转录因子家族的AtDREB1A基因导入到水稻中提高了对非生物胁迫造成生长抑制的耐受性。将AtDREB1A基因导入到番茄中提高了番茄对寒冷的耐受性。将GmDREB基因导入到小麦中提高了小麦对干旱和高盐的耐受性。目前，通过基因工程技术，已获得一些对非生物胁迫具有高耐受性的种质资源；将基因工程技术用于植物育种方面的还有基因编辑等其他相关技术。

4 展望

目前随着测序技术的发展，转录组学的研究进展空前快速，但蛋白质组学的分析却是滞后的，尤其是翻译后修饰的研究。由于植物对非生物胁迫的响应是动态的、复杂的，多组学研究可以更好的揭示新的互作机制和调节机制。因此，在对植物的非生物胁迫研究中，除了从核酸层面去揭示其调控机制外，更需要从蛋白水平去揭示各信号、各蛋白之间的相互作用，为后续的分子育种提供充足准确的理论基础和更多的基因资源，从提高农作物对非生物胁迫的耐受性角度出发，提高农作物的产量和降低农耕的成本，从而提高我国的农业科技水平。

参考文献

[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.