植物抗低温胁迫研究概述

王 玥，代翠红，孟祥文，崔 杰，程大友

(1.哈尔滨工业大学 150001；2.湖北科技学院，湖北 咸宁 437100)

0 前言

低温影响了植物的正常生长、发育、繁殖及其种植范围，并且在一定程度上限制了农业发展，属于非生物胁迫。因此，对于植物抗低温胁迫的研究也就显得尤为重要。植物的低温胁迫可分为冷害和冻害，前者是指在0℃以上的低温时，植物细胞虽然没有结冰，但会引起生理障碍，最终导致植物受伤或死亡。而后者则是指在0℃以下使植物组织结冰而引起的伤害。植物适应冰点以上低温称为抗冷性，适应冰点以下低温称为抗冻性，二者统称为植物的抗寒性。植物抗寒性的研究最早开始于18世纪末，当时研究者主要从植物受寒害后的细胞形态和理化性质等方面进行研究。随着生物信息学和分子生物学的不断发展，从分子水平对植物低温胁迫进行研究成为了近些年来的热点。同时也促进了基因工程的发展，研究者们希望通过转基因技术来提高植物的抗寒性，进而提高作物的产量，并在一定程度上减少植物的地理局限。本文将从不同方面对植物抗寒机理的研究进行综述，以期使植物抗寒机理的研究更为完善。

1 转录组学与植物抗低温胁迫的研究

转录组学是指从细胞的基因转录和转录调控方面进行研究，也可以看作分析细胞在不同时期或不同条件下的总RNA。在转录组学水平上研究植物抗寒机理，对应用转基因技术提高植物耐低温性具有重要的实际意义。而转录因子作为转录调控中具有重要作用的因素，已成为近些年来的研究热点。目前发现的与植物低温胁迫有关的转录因子主要有AP2/ERF、MYB、NAC、bZIP、和WRKY等。

1.1 AP2/ERF类转录因子

AP2/ERF类转录因子是植物转录因子中的大家族，因含有AP2/ERF结构域而得名，由57～70个氨基酸组成，与植物抗低温胁迫密切相关。这类转录因子的大量表达，可以明显的提高植物抵御低温的能力。从拟南芥中发现的DREB1/CBF已经被证实是一种植物低温胁迫调节因子，该转录因子同样在水稻、菊花等植物中被发现。但其家族中各类转录因子的具体表达机制尚不清楚，现阶段的研究只能证明植物抗寒基因的表达是他们共同作用的结果。

1.2 MYB类转录因子

MYB类转录因子是指家族中含有MYB结构域的转录因子，该结构域一般由51～52个氨基酸组成，每隔18个左右的氨基酸就有一个色氨酸残基。植物中主要存在的是含有2个R的R2R3-MYB类转录因子。水稻中发现的与植物抗寒相关的MYB类转录因子有OsMYB3R-2和OsMYB4。其中OsMYB4是通过使细胞内抗氧化物质含量提高来增强植物的抗寒性。拟南芥中的转录因子MYB15通过抑制CBFs的表达对植物低温胁迫进行负调控。

1.3 NAC类转录因子

NAC类转录因子是植物所特有的一类转录因子，同时也是植物转录因子中的大家族之一。其N端含有约150个氨基酸组成的高度保守的NAC结构域，C端为转录激活区。研究表明，NAC类转录因子在植物应对非生物胁迫方面具有重要的作用。过表达水稻中的SNAC2可以提高植物的耐寒能力，而SNAC1虽然与水稻抗寒性有关，但其过表达却不会使水稻耐寒能力提高。实验发现，小麦中的TaNAC2和TaNAC2a也能受到低温胁迫的诱导，从而证明了他们与小麦抗寒机理有关。

1.4 bZIP类转录因子

bZIP(basic leucine zipper，亮氨酸拉链)转录因子的N末端含有酸性激活区，并以二聚体的形式与DNA结合。该类转录因子所能识别的顺式作用元件的核心序列为ACGT，如TACGTA(A盒)、CACGTG(G盒)、GACGTC(C盒)等。bZIP类转录因子可以通过提高植物的光合作用进而增强植物的抗寒性。研究发现，拟南芥中ABF1和水稻中OsbZIP16参与低温应答，并且将水稻中的bZIP转录因子基因GmbZIP44和GmbZIP46等在拟南芥中过表达，可以提高拟南芥的抗寒能力。

1.5 WRKY类转录因子

WRKY转录因子最大的特点就是DNA结合域都至少含有一个由60个氨基酸组成的WRKY结构域，其N端是由WRKYGQK组成的7个高度保守的氨基酸序列。目前发现的与植物低温应答有关的WRKY类转录因子包括：黄瓜CsWRKY46和CsWRKY21(它们都是低温胁迫的正调控因子)、大麦Hv-WRKY38以及水稻中发现的10个与低温胁迫有关的WRKY类基因。虽然WRKY类转录因子在大多数的植物中都已证实与植物抗寒机理有关，但对其具体调控体制的了解却很少，有待进一步研究。

2 蛋白质组学与植物抗低温胁迫的研究

蛋白质组学就是研究一套基因在转录和翻译过程中所表达的全套蛋白质。蛋白质是基因选择性表达的结果，因此通过对蛋白质的研究，可以使我们更深入的了解生物的生命活动。在植物应答低温胁迫方面，蛋白质组学的应用有助于详细分析植物抗寒机理和适应机制。蛋白质组学的研究技术有很多，其中常用的有双向聚丙烯酰胺凝胶电泳(2D-PAGE)、蛋白质芯片(Protein chips)技术、质谱(Mass-spectrometric)技术和酵母双杂交系统(Yeast two-hybrid system)等。目前对于草本植物在低温胁迫下的蛋白质组学研究的较多，例如对拟南芥和水稻等模式植物的研究。关于木本植物虽然研究的较少，但也取得了不错的进展。

2.1 蛋白质组学在草本植物低温胁迫中的研究

2.1.1 水稻抗低温胁迫的蛋白质组学研究

水稻是我国主要粮食作物，同时也是科研中典型的模式植物。近些年来，随着对水稻基因组的了解，加速了蛋白质组学在探求水稻抗寒作用机理发面的发展，为研究出抗低温水稻提供了实质性的帮助。Lee等早在2007年就提出了一种识别应答寒胁迫下低丰度水稻叶片蛋白质的方法。他们将水稻置于5或10℃处理不同的时间，应用质谱检测到了12个上调表达的蛋白质点，如半胱氨酸蛋白酶、锌指蛋白及胚胎发育晚期丰富蛋白等多种蛋白，这几种蛋白是以前从未报道过的。这些蛋白可能会产生一种动态平衡来抵御低温环境。也有研究者在实验中发现了一种磷酸化钙网蛋白，该蛋白可以调控其他蛋白的表达。研究表明植物抗低温胁迫与其蛋白质的合成、折叠及细胞壁的合成都有一定关系，并且约43%与低温胁迫相关的蛋白质都位于叶绿体中，这说明光合作用可能也影响着植物耐低温能力。

2.1.2 拟南芥抗低温胁迫的蛋白质组学研究

拟南芥的结构简单，生长周期短，且基因组是目前已知的高等植物中第二小的因此成为了广泛研究的模式植物，被科学家们誉为“植物中的果蝇”。Bae等应用双向电泳和质谱技术分析了拟南芥核蛋白在逆境胁迫下的变化，他们共检测出500个点，鉴定了184个蛋白，其中与低温胁迫相关的蛋白有40个，其中包括HSP90-like protein和60S ribosomal protein P2-A等。之后他们又选取了其中的6个点进一步分析发现，有4种蛋白仅存在于细胞核中。Yukio等在对低温胁迫下拟南芥细胞膜蛋白质的研究中发现，这些蛋白质能提高细胞固定CO的能力，并且与细胞膜修复和膜的抗渗透性都有关系。这说明了低温胁迫下拟南芥中蛋白质的调控网络是十分复杂的，还有待进一步的研究。

2.2 蛋白质组学在木本植物低温胁迫中的研究

虽然目前关于木本植物低温胁迫下蛋白质组学的研究较少，但也取得了很大的进展。在对杨树蛋白低温胁迫的研究过程中发现：伴侣蛋白、脱水蛋白、热激蛋白、胚胎发育晚期丰富蛋白以及硫氧化还原蛋白的表达量均会上调，而与能量代谢有关的蛋白则会受到抑制或下调表达，如ATP合成酶和参与糖代谢的酶。研究表明低温会抑制杨树生长，还可能引发萎黄病。因此，详细了解低温诱导蛋白合成机理，对提高植物对逆境抵抗能力及保证植物正常生长，提高作物产量有着重要的实际意义。

3 植物miRNA与其抗低温胁迫的研究

MicorRNA(miRNA)是生物体内具有调控功能的、内源性的非编码小RNA，通常有20～25个核苷酸(nt)组成。植物中的miRNA通过降解靶基因mRNA或抑制基因的转录和翻译来参与调控基因表达。它通常能与靶基因mRNA高度互补后与之结合，来完成对靶基因mRNA的降解作用。研究表明，miRNA在植物应答非生物胁迫方面具有重要的调控作用，因此对于植物miRNA的研究受到了广泛关注。目前已经从水稻、拟南芥、冬小麦、玉米、蕨类、烟草、苔藓和白杨等植物中发现了大量与低温胁迫相关的miRNA。

3.1 水稻低温胁迫下miRNA的研究

近些年来，研究者们做了许多实验来研究水稻miRNA在其非生物胁迫中的作用。对于在低温胁迫下miRNA的研究主要通过生物信息学方法来完成。首选利用miRNA数据库和靶基因预测软件对水稻miRNA的靶基因进行预测，然后根据水稻蛋白质数据库和mRNA数据库筛选出与低温胁迫相关的靶mRNA序列，和其相对应的就是与水稻低温胁迫有关的miRNA，最后通过实验进行验证。目前，在水稻中发现的与低温胁迫有关的miRNA主要有osa-miR164、osa-miR393、osa-miR396和osa-miR535。研究发现，在冷胁迫过程中osa-miR393持续上调表达，而osa-miR396是先上调在下降的，这说明与冷胁迫相关的miRNA其表达形式虽然不同，但都可以响应冷胁迫。

3.2 拟南芥低温胁迫下miRNA的研究

拟南芥miRNA是植物miRNA中研究的最早的，也是研究的最多的。研究发现，拟南芥中miR393、miR397、miR171、miR172、miR169和miR408都可以在低温下表达。并且同一种miRNA可以受多种因素调控，如低温、干旱以及高盐等非生物胁迫。其中miR171、miR172、miR169和miR408是通过降低生长素，从而提高拟南芥对低温的抵御能力。

3.3 冬小麦低温胁迫下miRNA的研究

冬小麦是我国主要的粮食作物，低温会使冬小麦减产，对农户造成直接的经济损失。而对于冬小麦miRNA的研究，可以使我们了解冬小麦的抗寒机制，从而从基因层面对其进行调控。目前，在冬小麦中发现的miR156、miR160、miR398和miR444b经过实验验证，证实与冬小麦低温胁迫有关。并且发现前三种miRNA在拟南芥中也能响应低温胁迫，而miR444b在拟南芥中没有检测到，这说明了miRNA有一定的特异性。

4 结语

低温胁迫作为非生物胁迫中重要的一员，引起了研究者的广泛关注，并且从各个方面对植物低温胁迫进行了研究。虽然目前对植物低温胁迫机理的研究已经取得了很大的进展，但这仅限于几种模式植物，如水稻和拟南芥等。同时对其具体的生理过程了解的还不是很透彻，需要进一步研究。并且目前所做的研究大多是在实验室人工模拟的条件下进行的，对于其是否能与实际生产相匹配还有待进一步验证。