植物耐受低温胁迫研究进展

， 一博， ， (内蒙古科技大学 生命科学与技术学院， 内蒙古 包头 014010)

·综述·

植物耐受低温胁迫研究进展

赵慧，赵一博，郭江波，辛翠花
(内蒙古科技大学 生命科学与技术学院， 内蒙古 包头 014010)

低温胁迫是世界范围内影响植物产量和品质的主要非生物胁迫。本文综述了低温胁迫对植物保护性酶系统、渗透调节物质、根系、叶绿素含量、基因表达的影响及植物响应机理，同时，初步阐述了表观遗传修饰与低温胁迫的关系，探讨了今后结合分子生物学、代谢组学和栽培措施改善植物耐受低温性等方面的研究，为植物耐低温种质资源的筛选和新品种的选育提供重要的理论基础。

低温胁迫; 响应机理; DNA甲基化

植物是生物界的一大类，其生长发育和周围环境密切相关，其中温度涉及植物的营养物质吸收和利用，氧化代谢，蛋白质合成等多条途径，而低温胁迫是最主要的非生物胁迫因子之一。当今气候异常，农作物受低温胁迫危害日益严重，据推测，气温每降低1 ℃，水稻产量就会下降40%[1]。本文就植物如何响应低温胁迫及从表观遗传学层面分析DNA甲基化介导的逆境胁迫进行系统综述，同时对该领域存在的问题和未来研究方向进行展望。

1 低温胁迫对植物生理生化的影响

1.1 低温胁迫对保护性酶系统的影响

低温胁迫下植物体内产生大量的活性氧自由基，膜脂和膜蛋白互作构型发生改变，活性氧产生和清除的平衡受到破坏，随着胁迫加重，超过保护酶系统SOD、POD、CAT协同作用清除能力，H2O2大量积累，细胞膜透性增大，植物受伤害而死亡[2]。潘明君等[3]研究表明，低温胁迫刺激烟草叶片产生更多的自由基，加快膜质过氧化产物MDA的积累，MDA与细胞膜上的蛋白质、酶等结合、交联并使之失活，SOD、POD、CAT活性呈先上升后下降的趋势，打破保护酶系统平衡，导致一系列生理生化代谢紊乱。

1.2 低温胁迫对渗透调节物质的影响

渗透调节物质作为细胞内的保护物质，其含量与植物抗逆性呈正相关。可溶性糖可降低细胞水势，增强持水力。脯氨酸具强亲水性，兼具稳定胞质体组织内代谢过程和氧化还原的活性剂功能。低温胁迫诱导可溶性糖含量与淀粉比率变大，细胞的保水能力下降，可溶性物质外渗，细胞渗透性增加, 细胞核核膜孔数量减少，切断核与细胞间的物质交换，阻碍细胞分裂生长。低温胁迫后木薯抗寒品种ARG 7叶片的还原糖、蔗糖和可溶性总糖含量显著高于其它2个木薯品种SC 124和SC 8[4]。

1.3 低温胁迫对根系的影响

根系作为植物吸收器官和代谢器官，其生长状况直接控制植物水分、营养物质和矿质元素的吸收，制约植物地上部分的产量和品质，而根系和低温胁迫密切相关。低温胁迫下根系受损，根吸收能力下降，水分代谢失调，植物叶片焦化凋谢。烤烟K 326幼苗低温处理6 d后，根粗、根长、根表面积和根体积性状指标都表现为显著下降[5]。

1.4 低温胁迫对叶绿素含量的影响

叶绿体是植物光合作用的重要场所，低温胁迫破坏叶绿体超微结构，使叶绿体膜中的光合系统Ⅱ的电子传递受阻，叶绿体色素合成酶活性降低，合成叶绿素原料不足，植物机体代谢缓慢[6]，植物叶片内叶绿素含量减少。随低温胁迫的延长，净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)均持续下降。低温胁迫导致黄瓜幼苗碳同化能力下降，对光能利用减少，过剩激发能增加，引起光抑制，光合机构受损伤，Pn大幅度下降，使幼苗干物质积累减少[7]。

2 低温胁迫诱导基因表达

低温胁迫诱导一系列信号转导途径激活，与相应的顺式作用原件特异性结合，激活下游与抗逆相关基因的表达，从而提高植物抗性。这些基因的表达受细胞内Ca2+流调控[8]，一些二级信号分子，如ABA[9]，ROS[10]可通过诱导细胞内Ca2+内流从而引发低温胁迫信号应答。

AP 2/ERF转录因子是植物特有的一大类转录因子，包括AP 2、RAV(related to ABI 3/VP 1)、DREB(DRE-binding protein)和 ERF 4个亚家族，其中DREB在植物响应非生物胁迫方面起关键调控作用，DREB亚家族中的A-I亚组(又称DREB 1/CBF亚组)正调控植物抗逆性，而A-5亚组DREB转录因子负反馈调节下游基因表达响应逆境胁迫，如DEAR 1和Rap 2.1等，拟南芥中过表达DEAR 1或Rap 2.1抑制了CBF下游靶基因的表达。ERF亚家族参与茉莉酸、乙烯、ABA等多种信号转导途径，同时还可激活下游应答逆境的基因表达[11]。

在植物中存在两种低温诱导基因的调控途径，即依赖于CBFs[12]的调控途径和不依赖于CBFs[13]的调控途径。CBFs与靶细胞的启动子中CRT/DRT(C-重复元件/干旱响应元件)顺式作用元件结合并且诱导这些基因的转录以响应低温。Muniz Garcia等研究发现，马铃薯质子泵互作蛋白StPPI 1对低温胁迫等逆境有响应[14]。Carvallo等比较了野生马铃薯、马铃薯栽培种和拟南芥在低温处理后转录组的差异，以及CBFs调控基因表达的差异，结果表明：许多受低温诱导而且保守的基因编码产物是转录因子，这些转录因子蛋白在植物受到低温胁迫时调节植物的生长发育，保护植物渡过危机[15]。Amiri 等[16]在马铃薯中过表达δ-12去饱和酶提高细胞膜脂合成，从而提高了转基因马铃薯耐受低温的能力。同时，一些研究[17]利用过表达一些耐受低温胁迫的相关基因，获得了耐受低温的新品种，对我国农业生产有着重要的现实意义。

3 植物DNA甲基化与低温胁迫的关系

3.1 DNA甲基化维护机制

DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰，是基因表达调控的重要机制之一，与植物生长发育及抗逆性密切联系。哺乳动物的DNA甲基化广泛存在于功能基因编码区、群转座子元件及重复的DNA中。植物DNA甲基化是指DNA中胞嘧啶第5位碳原子在DNA甲基转移酶的作用下发生的甲基化，即在富含CG、CNG(N代表任意核苷酸)或CHH(代表A、C或T)等区域，DNA甲基化转移酶将S-腺苷酰甲硫氨酸分子上的甲基基团转移到DNA分胞嘧啶残基中的第5位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶。植物DNA甲基化的方式有从头甲基化和去甲基化两种。

3.2 DNA甲基化修饰调控植物响应逆境胁迫

生物的表观遗传学主要包括DNA甲基化、X染色体计量补偿、组蛋白密码和基因组印记等方面。研究[18]表明，植物在面临一些生物和非生物胁迫时，基因组的甲基化状态会发生变化，使得某些基因的表达改变，进而形成一种耐受性机制。DNA甲基化作为真核生物中广泛存在的一种表观遗传修饰，即在逆境、发育等过程中，虽然核苷酸序列没有发生改变，但基因表达调控发生了改变，它可以遗传，也可以发生逆转。Mirouze等研究发现，逆境胁迫诱导的甲基化状态改变可通过减数分裂和有丝分裂跨代遗传，从而提高种族适应环境的能力，即记忆印记[19]。

近年来，不少学者对植物响应低温胁迫做了大量的研究。Choi等发现,冷胁迫诱导烟草中NtGPDL基因编码序列的去甲基化，从而促进该基因的表达[20]。冷诱导的玉米根部特异性Ac/Ds转座子区域呈现去甲基化，进一步研究发现,冷胁迫诱导的ZmMII基因表达与核小体核心区DNA甲基化水平降低有关[21]。Hashida[22]将金鱼草低温处理后发现转座子Tam 3在CpNpN序列上的甲基化状态发生了改变，从而诱导了Tam 3的转座。在水稻中过表达甲基化转移酶能够提高水稻幼苗的耐低温和盐胁迫的能力[23]。虎耳草耐低温生态型细胞中DNA甲基化水平要高于对低温敏感的生态型[24]。水稻9311在冷胁迫下，位于编码区的CIDM 7片段发生去甲基化，表达量增加[25]。有研究表明，油菜种子的多项生理指标都与DNA的内外侧甲基化修饰有较强的相关性[26]。辛翠花等[27]利用MSAP技术对马铃薯主栽品种大西洋低温处理48 h后胞嘧啶甲基化从37.71%增加到56.51%，而60 h后甲基化又下降到42.14%。

植物通过DNA甲基化形态变化调节基因的表达，进而达到响应低温胁迫的目的。而检测到的基因组大量的DNA甲基化与去甲基化，表明细胞内的众多基因参与到抗逆过程，可能涉及到多种通路、多种系统，并协调相关的系统发挥作用，使生物体能够抵御恶劣的环境。而目前DNA甲基化修饰调控植物响应低温胁迫的研究更多的停留于对基因组甲基化状态变化的分析。

4 展 望

全世界每年因寒害造成的损失惨重，因此植物耐受低温胁迫研究是一个前景广阔的领域。目前有关植物耐受低温胁迫的材料报道大多为耐性材料，张泽全等[28]比较了具丰富抗性基因的栽培二粒小麦/节节麦人工合成小麦和硬粒小麦/节节麦人工合成小麦的耐低温特性，前者抗性显著高于后者。李素丽等[29]探明了桂糖28号(抗冷型)和园林6号(冷敏感型)甘蔗品种茎尖Ca2+和Ca2+-ATP酶活性对低温胁迫的响应机制。简令成等[30]研究了冷敏感植物甜玉米和番茄在生长临界温度锻炼下抗冷性的提高以及某些生理指标的适应性变化。因此研究非耐低温胁迫材料响应低温胁迫具有更加重要的现实意义。

植物通过表观遗传修饰在不改变DNA序列的情况下调控基因表达以适应外界不良环境的制约，体现了植物的高度灵敏性。近年来，关于DNA甲基甲化修饰在植物生长发育和逆境胁迫中的作用已报道很多，而且甲基化变化的相关基因克隆和功能分析成为分子遗传学研究的热点。缘于逆境胁迫信号、激素活性氧等代谢物次级信号，RNA介导DNA甲基化(RdDM)途径等DNA甲基化相关基因的激活，目前对DNA甲基化介导的植物逆境应答和胁迫记忆的研究还存在很多亟待回答的问题。例如，植物体内催化DNA甲基化的DNA甲基化转移酶除DNA甲基化转移酶1家族(MET 1)、甲基转移酶(DRM)和DNA甲基化酶(CMT)3种外，还发现了第4种甲基转移酶Dnmt 2，但其功能尚不清楚。DNA甲基化分为主动去甲基化和被动去甲基化两类，但DNA去甲基化的功能和机制仍不明确。随着高通量DNA甲基化分析技术和DNA测序技术的出现和分子生物学的发展进步，为 DNA甲基化等表观遗传变异在植物抗低温驯化分子育种中提供了科学的理论依据。

[1]Atici O.,and Nalbantoglu B.,Antifreeze proteins in higher plants,Phytochemistry,2006,64(7):1 187-1 196.

[2]Patton A.J.,Cunningham S.M.,Volenec J.J.,et al.Differences in freeze tolerance of zoysiagrasses:II.carbohydrate and proline accumulation,Crop Science,2007,47(5):2 170-2 181.

[3]潘明君,尹永强,沈方科,等.调环酸钙对低温胁迫下烟草幼苗生理指标的影响[J].西南农业学报,2016,29(2):288-293.

[4]姚远,闵义,胡新文,等,低温胁迫对木薯幼苗叶片转化酶及可溶性糖含量的影响[J].热带作物学报,2010,31(4):556-560.

[5]崔翠,李君可,王静,等.烤烟幼苗根系在低温胁迫后的形态及生理生态响应[J].农机化研究,2012,4(4):130-135.

[6]王晨光,王希,苍晶,等.低温胁迫对水稻幼苗抗冷性的影响[J].东北农业大学学报,2004,35(2):129-134.

[7]徐晓昀,郁继华,颉建明,等.水杨酸和油菜素内酯对低温胁迫下黄瓜幼苗光合作用的影响[J].应用生态学报,2016,27(9):3 009-3 015.

[8]Ma Y.,Dai X.Y.,Xu Y.Y.,et al.COLD 1 confers chilling tolerance in rice,Cell,2015,160(6):1 209-1 221.

[9]Xiong L.,Ishitani M.,Lee H.,et al.The Arabidopsis LOS 5/ABA 3 locus encodes a molybdenum cofactor sulfurase and modulates cold stress- and osmotic stress-responsive gene expression,Plant Cell,2011,13(9):2 063-2 083.

[10]Lee B.H.,Lee H.,Xiong L.,et al.A mitochondrial complex I defect impairs cold-regulated nuclear gene expression,Plant Cell,2002,14(6):1 235-1 251.

[11]刘辉,李德军,邓治.植物应答低温胁迫的转录调控网络研究进展[J].中国农业科学,2014,47(18):3 523-3 533.

[12]Thomashow M.F.Plant cold acclimation:Freezing tolerance genes and regulatory mechanisms,Plant Physiol.and Plant Mol.Biol.,1999,50:571-599.

[13]Park S.,Lee C.M.,Doherty C.J.,et al.Regulation of the Arabidopsis CBF regulon by a complex low temperature regulatory network,Plant,2015,82(2):193-207.

[15]Carvallo M.A.,Pino M.T.,Jeknic Z.,et al.A comparison of the low temperature transcriptomes and CBF regulons of three plant species that differ in freezing tolerance:Solanumcommersonii,Solanumtuberosum,andArabidopsisthaliana,J.Exp.Bot.,2011,62(11):3 807-3 819.

[16]Amiri R.M.,Yur’eva N.O.,Shimshilashvili K.R.,et al.Expression of acyl-lipid Δ12-desaturase gene in prokaryotic and eukaryotic cells and its effect on cold stress tolerance of potato,J.Integr. Plant Biol.,2010,52(3):289-297.

[17]Bello B.,Zhang X.Y.,Liu C.L.,et al.Cloning of Gossypium hirsutum sucrose non-fermenting 1-relate-D protein kinase 2 gene (GhSnRK2) and its overexpression in transgenicArabidopsisescalates dr-Ought and low temperature tolerance,PLoS One,2014,9(11):e 112 269.

[18]Hagmann J.,Becker C.,Muller J.,et al.Century-scale methylome stability in a recently divergedArabidopsisthalianalineage,PLoS Genet.,2015,11(1):e 1004920.

[19]Mirouze M.,and Paszkowski J.Epijenetic contribution to stress adaptation in plants,Curr.Opin.Plant Biol.,2011,14:267-274.

[20]Choi C.S.,and Sano H.Abiotic-stress induces demethylation and transcriptional acrivation of a gene encoding a glycerophospho-diesterase-like protein in tobacco plants,Mol.Genent. Genomics,2007,277:589-600.

[21]Steward N.,Kusano T.,and Sano H.,Expression ofZmMETI,a gene encoding a DNA methyltransferase from maize,is associated not only with DNA replication in actively proliferating cells,but also with altered DNA methylation status in cold-stressed quiescent cells,Nuc. Aciids.Res.,2000,28:3 250-3 259.

[22]Hashida S.N.,Uchiyama T.,Martin C.,et al.The temperature-dependent change in methylation of theAntrirrhinumtransposon Tam 3 is controlled by the activity of its transposase,Plant Cell,2006,18(1):104-118.

[23]Sharma R.,Mohan Singh R.K.,Malik G.,et al.Rice cytosine DNA methyltransferasesgene expression profiling during reproductive development and abiotic stress,FEBS J,2009,276(21):6 301-6 311.

[24]Johnston J.W.,Benson E.E.,and Harding K.Cryopreservation induces temporal DNA methylation epigenetic changes and differential transcriptional activity in Ribes germplasm,Plant Physiol.Bi-ochem.,2009,47(2):123-131.

[25]华扬,陈学峰,熊建华,等.水稻低温胁迫诱导的甲基化差异片段CIMD 7的分离和分析[J].遗传,2005,27(4):595-600.

[26]高桂珍,应菲,陈碧云,等.热胁迫过程中白菜型油菜种子DNA的甲基化[J].作物学报,2011,37(9):1 597-1 604.

[27]Xin C.H.,Hou R.K.,Wu F.,et al.Analysis of cytosine methylation status in potato by methylation-sensitive amplified polymorphisms under low-temperature stress,Plant Biol.,2015,58(6):383-390.

[28]张泽全,舒长生,赖运平,等.人工合成小麦幼苗耐低温特性鉴定[J].中国农学通报,2010,26(12):135-138.

[29]李素丽,杨丽涛,李志刚,等.不同冷敏感型甘蔗茎尖Ca2+和Ca2+-ATP酶活性对低温的响应,中国农业大学学报,2011,16(2):14-21.

[30]简令成,卢存福,李积宏,等.适宜低温锻炼提高冷敏感植物玉米和番茄的抗冷性及其生理基础[J].作物学报,2005,31(8):971-976.

Research Progress of Plant Under Low Temperature Stress

ZHAOHui,ZHAOYibo,GUOJiangbo,XINCuihua

2016-11-19

国家自然科学基金项目(No.31260344；No.31660414；No.31660064)。

赵 慧(1992—)，女，内蒙古呼和浩特人；硕士研究生，研究方向：植物分子生物学；E-mail:948951016 @qq.com。

辛翠花(1977-)，女，内蒙古乌兰察布人，副教授，博士，研究方向：植物逆境生物学；E-mail:primersyn@sina.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2017.05.047

Q 945.78

A

1001-4705(2017)05-0047-04