植物对低温胁迫反应机制的研究进展

李子涵李建运王飞辛亚龙

(1.西南林业大学/国家林业和草原局西南风景园林工程技术研究中心，云南 昆明 650224；2.玉溪市江川区林业和草原局，云南 玉溪 652600)

引言

低温是一种普遍的非生物胁迫，影响植物的生长，对于野生和农业作物的分布及其生产力带来了显著的影响[1]，这种影响进一步对食品安全以及农业的可持续发展构成了挑战[2，3]。鉴于此背景，深入了解植物是如何感知并应对低温胁迫的，已经成为科学研究的热门话题。得益于分子生物学技术的发展，科研人员在揭示植物响应低温机制上已经取得了显著进展，尤其是在信号传递、分子调节以及生理代谢调节等领域[4]。

低温寒害是农业生产面临的一项重大挑战，通常会导致广泛的受害区域和重大损失。其中，冰点以上(0～15°C)的低温危害称为冷害(chilling stress)，冰点以下(<0°C)的低温危害称为冻害(freezing stress)。这种胁迫严重限制了作物的生长和产量，已经成为植物生理学和农业生产领域中亟待解决的关键问题[5]。植物对低温胁迫的响应涉及一系列复杂的分子机制，通过这些机制，植物能够适应冷害和冻害，展示出不同程度的耐寒能力。在较低的非冰点温度或略微低于0℃的条件下，植物的耐冻性会得到增强，这对其安全度过寒冷季节至关重要。在低温条件下，植物的生长会暂时停止，光合作用和呼吸率减少，同时积累抗冻保护物。一些植物能够在持续低温、极端低温条件下，甚至是体内结冰的情况下生存。因此，探究植物在低温和冰冻胁迫条件下的生理和分子机制，不仅是重要的科学问题，同时也具有重要的经济价值。本文对这些关键的分子机制和信号通路进行了综述，这些机制和通路在植物适应低温胁迫中发挥作用，并指出当前研究中的空缺，提出通过基因工程和分子育种技术提高作物耐冷性的未来研究思路。

1 低温对植物的影响

1.1 低温对植物生长、发育和产量的影响

适宜的温度是种子萌发的重要条件，低温会延缓种子发芽，减弱其生长趋势和发育能力，导致发芽时间推迟，甚至导致发芽失败[6]。低温环境还会使种子吸胀速率减缓，细胞膜可能因水压变化而破裂，进而导致选择透过性变化[7]。连艺佳等[8]对冬小麦(Triticum aestivum L.)种子进行了一系列低温处理实验，以考察其在不同温度下的萌发生理特性；实验结果揭示，随着环境温度的下降，冬小麦种子的发芽率、发芽速度等关键生长指标显著下降，证明了低温对其萌发过程具有显著的抑制作用。

低温冷害严重影响植物，尤其是小麦的种子发芽、幼苗生长及植株成熟，进而显著降低产量和品质。如果小麦在灌浆初期遭受低温胁迫，将干扰籽粒中淀粉的积累，导致淀粉含量和结构发生变化，表现为粒径减小和合成能力下降，并影响淀粉的生物合成路径[9]。此外，低温还会引起形态上的变化，如根冠生长抑制、产量下降和叶色褪变及萎蔫，可能导致叶片死亡[10]。小麦受到低温影响会造成萌发过程延迟、出苗率降低和植株密度减少[11]，直接影响幼苗发育，最终导致作物整体产量和品质下降。

1.2 低温对植物生理生化的影响

在低温胁迫下，植物细胞内活性氧(ROS)种类增加，对线粒体结构和细胞能量供应造成损伤。此过程中，抗氧化酶系统内的过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)及过氧化氢酶(CAT)通过提升细胞内抗氧化能力，帮助植物减轻由低温引起的负面影响，保护细胞避免ROS损害，维持正常生长发育。研究表明，ROS与抗氧化剂之间的相互作用构成了代谢与环境信号间的代谢接口，通过此接口，植物可调节适应性过程的启动或激活细胞死亡程序[12，13]。低温胁迫使植物细胞内可溶性糖含量显著增加，这些糖类物质作为渗透调节剂，增强细胞内渗透力，有助于缓解低温引起的细胞体积收缩，通过提高细胞膜稳定性减少由冷害和脱水引起的损伤[14]。细胞膜通透性的提高导致不饱和脂肪酸的流失，促进膜脂过氧化物的形成，从而增加丙二醛(MDA)的含量[15]。在金龙飞等[16]对9个油棕(Elaeis guineensis)品种进行的低温胁迫研究中，设置10℃和15℃的实验温度，并以25℃作为对照组，研究显示，低温胁迫导致油棕叶片中MDA、可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)和脯氨酸(PRO)含量增加，抗氧化酶活性如SOD、CAT和POD在胁迫初期增加后下降，反映出油棕激活了一系列防御机制以减轻低温胁迫带来的损伤。

低温胁迫对植物光合和呼吸作用产生影响，通过降低温度抑制叶绿素合成关键酶，阻碍叶绿素及叶绿体形成，进而影响植物生长发育，导致生长延迟、发育异常，极端情况可致植物死亡[17]。叶绿素a/b结合蛋白(CAB)在低温环境中发挥着至关重要的作用，低温胁迫会显著影响CAB基因的表达水平，抑制一些植物中CAB基因的表达，表明CAB基因在植物响应低温胁迫中起着重要的调节作用，通过影响叶绿素的合成和叶绿体的功能，进而影响植物的生长和发育[18]。低温导致叶绿体结构损伤，降低二氧化碳利用效率和光合产物利用，减少光合效率，即使后移至温暖环境，此影响持续存在，显示低温对光合作用长期负面影响[19]。研究表明，低温环境下叶绿体结构受损，酶活性抑制，气孔开放减缓，减少叶绿素含量，光合效率降低，导致生长减慢，产量降低，此影响可能长期存在[20]。低温胁迫影响植物的呼吸作用，损伤生物膜，降低偶联氧化磷酸化效率，减少有氧呼吸，增加无氧呼吸；导致在呼吸过程中产生过量热量，不利于代谢产物转化与合成，醇、醛类化合物积累，可能引起组织中毒[21]。冯汉青等[22]以25℃、4℃2个温度处理小麦幼根，探讨了低温对无叶绿体根系的生长及呼吸作用的影响。研究显示，在低温胁迫下，低温降低了小麦幼根的生长，增加了小麦幼根的氧化压力，进而显著引起细胞死亡。

2 植物抗冷的分子调控机制

2.1 低温信号感知与传导

在低温胁迫下，植物通过复杂的信号感知与传导机制响应环境变化。植物细胞借助膜蛋白，如受体和离子通道感知低温信号并启动信号转导过程；这些信号通过二级信使如钙离子(Ca2+)的浓度变化，激活下游的信号分子，包括各种激酶和转录因子[23]。这些转录因子进入细胞核，调控低温响应基因的表达，启动一系列抗寒应答过程。具体包括激活抗氧化防御机制，积累渗透调节物质，以及蛋白质保护机制，从而提升植物的低温适应性和耐受性[24]。同时，研究发现，植物细胞对低温的初始反应可能首先影响Ca2+通道。通过对红皮云杉叶肉细胞钙含量季节性变化的观察指出，初秋时钙含量有显著上升，这表明低温促进了Ca2+的内流[25]。Guo等[26]研究也强调了这些通道在植物对冷信号感知和传导中的重要性。具体来说，低温引起细胞膜硬化及细胞骨架的重组，从而触发Ca2+通过Ca2+通道进入细胞内，如环核苷酸门控通道(CNGCs)在拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻中的作用。这些Ca2+信号随后由Ca2+结合蛋白解码，引发下游反应以传递冷信号。如，在拟南芥中，CRPK1和CRLK1/2在感知冷信号和磷酸化下游因子中起作用，激活冷应答；在水稻中，COLD1作为RGS(调节G蛋白信号)的一部分，通过激活GTPase RGA1感知冷信号，可能是Ca2+通道的一部分或调节Ca2+通道。

更有研究表明，植物低温胁迫下的Ca2+反应涉及Ca2+通道激活、内流和通过CDPKs等传感器解码，对调节生长和应对非生物胁迫具有关键作用。CDPKs感应细胞内Ca2+浓度变化，参与低温信号传导，调控适应性和耐受性。低温下Ca2+动态变化和信号调控关键在于激活抗寒应答，如转录因子活化和基因表达[27]。另有研究强调，低温胁迫下，ABA和ROS诱导的Ca2+浓度增加，在植物冷害信号传递中的核心作用。植物遭遇低温时，细胞内会产生大量的ROS，能够改变细胞内的氧化还原平衡，并且ROS的浓度与Ca2+的传输紧密相联[28，29]。目前还有Ca2+信号之外的传递低温信号功能的印证，讨论了磷脂酰肌醇特异性磷脂酶C(PI-PLC)在低温胁迫情况下传递低温信号的作用。通过水解膜相关的磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸产生肌醇-1，4，5-三磷酸(IP3)和二酰甘油(DAG)，激活钙通道和蛋白激酶C(PKC)，从而参与低温信号传递[30]。

2.2 低温响应信号通路及其调控机制

2.2.1 CBF/DREB的调控机制

CBF(C-repeat/DREB binding factor)转录因子能够在低温条件下通过激活COR(cold-regulated)基因增强植物的抗寒能力，在低温分子调控中研究较多。CBF在植物冷驯化中激活COR强化抗冻能力，SnRK2s和MAPKs蛋白激酶重要性显著。同时，探讨了MdMYB88和MdMYB124转录因子是低温胁迫响应中的关键，正向调控冷响应基因，促进花青素积累[31]。CBF基因调节的过程中，CBF基因被ICE1、CAMTA3迅速诱导，同时被MYB15和PIFs等因子抑制。这些转录因子调控CBF表达，进而激活抗寒基因，提高植物的冷驯化能力。蛋白激酶如OST1和MPK3/6通过磷酸化调节转录因子的活性，影响CBF表达[32]。关于植物在低温胁迫下CBF基因表达的调控及其修饰，特别强调了转录后和翻译后修饰(PTM)对CBF表达的影响。研究显示，如磷酸化、泛素化和SUMO化等PTM在调节ICE-CBF-COR信号通路中发挥重要作用，增强了ICE基因对下游基因的稳定性和结合效率，从而提高了植物对冷胁迫的耐受性[33]。而在小麦中，TaMYC2转录因子通过ICE-CBF-COR信号模块增强拟南芥冷冻耐受性的机制，研究显示，TaMYC2的过表达可以激活CBF途径，促进COR基因的表达，从而提高植物在低温环境下的存活率；还揭示TaMYC2如何通过调节ROS的代谢过程，加强植物的抗寒能力[34]。

在近些年关于CBF转录因子在寒冷适应机制中作用的研究不断深入，采用染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)技术，探究了拟南芥中CBF转录因子的全基因组结合位点。这些蛋白特异性识别并结合到目标基因的C重复/脱水响应元件(CRT/DRE)，显著影响了1012个基因的表达。进一步分析CBF1、CBF2、CBF3三重突变体的转录数据，识别出146个直接受CBF调控的核心基因。此外，研究还表明，CBF目标基因在调控植物对激素信号、光信号和昼夜节律的响应中起到关键作用，突显了CBF在协调内部和外界环境信号中的集成器角色，为理解植物早期寒冷响应的调控机制及CBF在植物生命过程中的多功能作用提供了新的视角[35]。

2.2.2 其他调控方式

植物对低温的响应是一个涉及复杂生理及基因表达调控网络的多因素协同作用过程，除了CBF冷响应途径外，还有多种调控途径被激活，包括转录因子、信号传递、细胞壁生物生成、防御，以及光合作用等方面基因的上调和下调。在番茄(Solanumlycopersicum L.)和烟草(Nicotianatabacum L.)中乙烯响应因子LeERF2/TERF2对乙烯生物合成基因表达的调控作用，及其对乙烯产生的控制，研究发现，LeERF2/TERF2能够通过与促进乙烯生物合成基因的启动子区域(如GCC box和DRE/CRT)的相互作用，激活这些基因的表达，进而调节植物的乙烯生产[36]。在拟南芥对低温的反应研究中，除了CBF转录因子途径外，还揭示了其他信号传导途径的重要作用。研究揭示了冷胁迫条件下9个磷脂信号传导基因的表达量发生了变化，其中8个基因表现为表达量上调，强调了磷脂二级信使在冷信号传导中的关键角色。同时，2个Rab GTPase基因和1个GDP/GTP焦磷酸激酶(RSH2)的上调表达指示细胞内膜运输和(p)ppGpp介导的信号传导活性变化[37]。Wang Y等[38]发现，CsWRKY2，一个茶树WRKY转录因子，属于WRKY I组家族，主要定位于细胞核；其在叶片中的表达水平较高，并且能够对低温、干旱胁迫以及外源ABA的诱导作出响应，通过ABA信号途径在植物对低温和干旱胁迫的防御反应中起关键作用。NAC转录因子通过参与ABA信号途径，调控与环境胁迫响应相关的基因表达，提高植物对低温的耐受性，能够激活特定的胁迫响应基因，促进代谢物的积累，从而增强植物的逆境适应能力[39]。

3 展望

在最近几年的研究中，人们对植物如何应对低温环境的复杂机制有了更深入的理解。发现植物抗寒性是由特异性抗寒基因通过复杂网络调控形成，涵盖低温信号感知、传导至响应基因表达全过程。研究聚焦于Ca2+信号通路和ICE-CBF-COR等关键途径，但细胞膜物理性变化、激酶活性调控和低温对基因表达的影响等其他机制仍需深入理解。尽管CBF途径被广泛研究，非CBF途径和表观遗传调控机制探索仍在进行。此外，热带地区的植物由于在高温环境下进化，可能积累了不利于抗寒的遗传变异，这对提高植物的低温耐受性带来了额外挑战。因此，深入理解抗寒机制，对促进耐低温育种和利用转基因技术提高作物低温抗性至关重要。这需要基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学等多学科方法及模式植物研究，探索植物特别是生殖生长阶段的低温响应，以期获得更全面的认识。

未来的研究需要集中关注表观遗传调节在植物对低温响应中的角色，特别关注DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA在冷胁迫下的动态变化。将有助于揭示植物如何在分子水平上“记忆”低温环境，并适应这种生存挑战。了解这些复杂的调控机制不仅能够丰富人们对植物生物学的基础知识，还可能为通过调节这些表观遗传因素增强作物的低温耐受性开辟新途径。此外，基因编辑技术，如CRISPR/Cas9系统，提供了精确操控关键基因表达的可能性，为验证这些基因在植物冷应答中的具体功能提供了有力的工具。通过结合高通量的组学技术，未来的研究有望在系统层面深入解析植物对低温胁迫的响应机制，为培育具有更高冷耐性的作物品种奠定基础。

随着植物低温响应机制研究需求增长，未来研究需强调跨物种比较及功能基因组学，以识别不同植物中的抗寒响应途径，揭示抗寒性的进化模式和基因功能多样性。同时，考虑到环境胁迫的多重生理和分子互作，探索低温与其他非生物胁迫如干旱、盐害的交互效应，对理解植物逆境响应网络至关重要。这将有助于深化对植物复杂环境胁迫协调响应的理解，为培育多重逆境耐受作物开辟新策略。综上所述，通过综合运用系统生物学、分子遗传学和先进的基因编辑技术，未来研究将能够为提高作物低温耐受性和适应性提供更加精确和有效的分子基础，从而在全球气候变化的背景下保障农业生产的稳定性和可持续性。