低温胁迫对植物ROS通路及去饱和酶的研究

袁铭远 叶琛

摘 要：在自然界中植物的生存环境并非恒定，我国的南北地区水热条件不一，即便同一地区，在不同的时间段上仍然有冷热旱涝等。对植物产生伤害的环境称为逆境，又叫胁迫，其中包括生物胁迫与非生物胁迫。胁迫会引起植物发生一系列反应，从影响逆境基因表达、细胞代谢到生长发育。植物对这种不良环境的适应性和抵抗力称为植物的抗逆性，简称抗性。其分为两种形式：一是避逆性，即整个生育期不与逆境相遇;二是耐逆性，即通过滋生的形态和代谢写来忍耐逆境。本文将着重通过对植物应对寒冷逆境时植物ROS通路及去饱和酶的研究进展来进行具体阐述。

关键词：植物抗性生理;生物胁迫;非生物胁迫;避逆性;耐逆性

对植物在逆境下的生理变化以及相应的生理反应机制进行详细系统的研究，不仅有助于我们更好地了解植物这个体系的奥秘，更有助于我们采取有效的措施去提高植物的抗逆性或者保护植物免受逆境伤害，提高农作物的产量。植物有各种各样抵抗或适应逆境的本领。在形态上，有以根系发达、宵夜以适应干旱条件;有扩大根部通气组织以适应淹水条件;有生长停止，进入休眠，以迎接冬季低温来临;等等。在生理上，植物就发生各种生理变化，以适应（抵抗）逆境条件。在大致上，植物在胁迫下其特定细胞会依次发生下列变化：逆境感受，信号转导，基因表达，蛋白质合成，酶活性增加。总归简述胁迫后变化有以下几个方面：1.胁迫蛋白的表达与启动2.渗透调节的作用3.脱落酸的合成运输及作用4.活性氧的机理调节参与。

低温胁迫（low-temperature stress）对植物的危害，按低温程度和受害情况，可分为冷害（零上低温）和冻害（零下低温）两种。零上温度时，虽无结冰现象产生，但能引起喜温植物的生理障碍，使物种受伤甚至死亡，这种现象称为冷害（chilling injury）。原产于热带或亚热带的植物，在生长过程中遇到零上低温，则发生冷害，农作物的水稻、玉米、木瓜、香蕉、甘蔗、甘薯、黄瓜等属于冷敏感植物。当温度下降到0℃以下时，植物体内发生冰冻，因而受伤甚至死亡，这种现象称为冻害（freezing injury）。我国北方晚及早春时，寒潮入侵，气温骤然下降，造成过目和冬季作物严重冻害。

一、冷害与冻害对植物的影响

1.冷害对植物的影响：（1）水分平衡失调：冷害引起冷敏感植物最明显的生理变化是水分的丢失和植物的萎蔫，因为这些植物在低温的胁迫下，ABA的合成和运输受到抑制，页面气孔关闭能力减弱，造成水分丢失;另一方面，低温使根细胞吸水能力急剧降低，因而导致植物萎蔫。（2）呼吸速率反常：因零上低温条件下，氧化磷酸化解偶联，其随着低温时间的加剧和延长，呼吸速率大大下降。（3）光合速率减弱：引起淀粉水解以及叶绿素的光氧化，导致光合速率减弱，同时糖分运输变慢。（4）酶活性改变，如蛋白质合成酶，核算合成酶等。

2.冻害对植物的影响（1）植物含水量下降（2）呼吸减弱（3）ABA含量增多。其具体表现如下图：

二、抗冷性及抗冻性生理与分子调节机制

1.抗冷性：（1）去饱和酶应对膜的相变。根据生物膜的流动镶嵌模型，膜的双分子层脂质的物理状态与温度有关。温度高时为液晶相，温度低时为凝胶相。当温度下降达一定程度时，膜相从液晶相变为凝胶相，膜出現裂缝，透性增大，水溶液外渗，离子平衡破坏，而此时去饱和酶的活性增强，不饱和脂肪酸增多，使膜在较低温度时仍保留液态，所以脂肪酸去饱和作用能起到抗冷性。

（2）ROS信号途径的作用。近年来，研究表明，低温胁迫反应的信号途径通常直接与活性氧（ROS）信号途径发生相互作用，通过激活相关基因表达TIR-NB-LRR类型的抗性蛋白应对冷胁迫。

2.抗冻性：（1）ABA增多降低代谢进入休眠。实验表明，对脱落酸不敏感的拟南芥突变体（abil）或缺乏脱落酸的拟南芥突变体（abal）在低温中都不能驯化适应冰冻。而在自然条件下，冬季来临时，植物呼吸减弱，ABA含量增多，顶端分生组织的有丝分裂活动减弱，生长速率变慢，节间缩短。具体机制为，细胞核膜都具有相当大的孔，当寒冬时，核膜开口逐渐关闭，细胞分裂和生长活动受到抑制，植物进入休眠期。

3.抗冻基因和抗冻蛋白。大量研究已经证实，低温锻炼可诱发100种以上抗冻基因（antifreezing gene）的表达。拟南芥的COR（cold regulated）基因，油菜的BN28、BN15等基因。这些基因表达会迅速产生新多肽，在低温锻炼过程中一直维持着高水平。想这些新和成的蛋白质组进入膜内或附着于膜表面，对膜起保护和稳定作用，从而防止冰冻损伤。所有的COR基因启动子都带有CRT/DRE调节元件（c-repeat/drought response element），这个调节元件如转录活化反应元件（transcript activator response element）结合，就能刺激COR基因的表达。与此调节元件结合的激活蛋白叫做CBF1（c-repeat binding factor 1）。这个冷调节原件由9bp组成，其顺序为TACCGACAT，其核心序列为5bp，CCGAC。此外，还分理处编码结合于此调节元件的激活蛋白（CBF1）的cDNA，最近证实，CBF1是一个小基因的家族成员，其包括CBF1、CBF2、CBF3，都是转录活化反应因子，都可促进COR基因表达。

抗冻蛋白（AFP）是从耐冻的鱼、昆虫等过冬的生物组织中提炼出来的，它能抑制冰晶生长速度，降低冰点，保护细胞膜免受冷冻损伤。目前在我国已经发现有约30种植物存在AFP。

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