论文推荐| 植物响应低温的生长发育及分子机制研究进展

文摘 2024-06-07 17:26 江苏

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题目：植物响应低温的生长发育及分子机制研究进展

作者：吴宇欣，蔡昌杨，唐诗蓓，谢裕红，王晓艳，朱强

第一单位：福建农林大学林学院

文章出处：吴宇欣,蔡昌杨,唐诗蓓,等.植物响应低温的生长发育及分子机制研究进展[J].江苏农业科学,2023,51(19):1-9.

文章介绍

研究背景

植物在生长过程中面临的多种非生物胁迫，特别是低温胁迫对植物生长和发育的显著影响。低温胁迫会破坏植物的质膜结构，降低其光合作用能力，并导致活性氧（ROS）的过量累积，从而影响植物的地理分布和生产力。植物在进化过程中发展出了一系列复杂的调控机制，包括生理生化水平上的渗透调节物质生成、蛋白激酶和转录因子的作用，以及CBF/DREB1等关键调节因子的参与。随着分子生物学技术的进步，植物响应低温胁迫的调控机制逐渐明晰，为通过基因工程手段提高经济作物的抗寒性提供了理论基础。

研究内容

植物对低温胁迫的生理生化响应

植物对低温胁迫的响应复杂多样。冷驯化现象是植物在不良环境中逐渐增强耐冻能力的表现，涉及光合作用、碳水化合物代谢、转录和蛋白质调控等多方面的调整。植物会生成渗透调节物质如可溶性糖、脯氨酸等，以抵抗脱水现象和减轻冷应激对细胞的损害。同时，抗氧化物酶累积以减轻活性氧引起的过氧化损伤，并调节激素代谢途径以增强对非生物胁迫的耐受性。低温胁迫下，植物的光合作用受限，生长发育缓慢，叶片萎蔫，根系受损，产量下降。此外，低温还会导致植物体内活性氧增加，细胞膜受损，进而影响植物的生长发育和生产。

植物冷胁迫响应的分子机制研究

2.1 CBF依赖型机制

CBF途径是植物响应冷胁迫的关键调控途径，其中ICE1-CBF-COR信号级联通路尤为重要。在冷胁迫下，转录因子ICE1与CBF基因启动子结合，激活CBFs表达，进而激活下游COR基因表达，提高植物的抗寒性。CBF基因属于AP2/ERF超蛋白家族中的ERF亚家族，成员CBF1、CBF2、CBF3在冷胁迫反应中起关键作用，尽管它们之间存在功能冗余，但在表达模式上有所不同。此外，本文还介绍了CBF转录调控的正调控作用，包括ICE1、CAMTA转录因子家族以及油菜素唑耐受因子BZR1等如何正向调控CBF基因表达，进而影响植物的抗寒性。

2.2 非CBF依赖型机制

非CBF依赖型机制在植物应对冷胁迫时发挥着重要作用，这类机制不依赖于CBF及其靶基因的表达。例如，HY5、SFR6和HOS9等基因通过不同的途径调节下游COR基因的表达，从而影响植物的抗冻能力。这些基因的功能增加或缺失不会影响CBF基因的表达，但会直接影响植物的抗冻性。这些发现揭示了植物在应对冷胁迫时具有多种复杂的调控机制。

2.3 转录后调控

转录后调控在植物冷胁迫耐受性中占据重要地位，它通过影响mRNA的质量和数量，以及通过剪接、核质转运和RNA代谢等过程来改变基因功能。STA1、NUP160和LOS4等关键因子通过不同的转录后机制影响COR基因的表达，进而影响植物的耐寒性。

2.4 翻译后调控

本文介绍了植物在冷胁迫下的翻译后调控机制，特别关注了磷酸化、泛素化和SUMO偶联这3种主要的翻译后修饰（PTM）。这些修饰改变了ICE、CBF、COR等基因的活性、构象、定位和稳定性，从而影响植物的冷胁迫耐受性。磷酸化修饰通过OST1和MAPK级联等激酶来增强或抑制CBF基因的活性。泛素化修饰通过E3-泛素连接酶如HOS1来降解ICE1蛋白，负调控CBF的表达。而SUMO化修饰则通过SUMO E3连接酶SIZ1来增强ICE1的稳定性，正向调节植物的耐寒性。这些机制共同构成了植物在冷胁迫下复杂的调控网络。

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利用基因工程改良植物抗冷性的相关进展

极端天气因温室效应而频发，对农林作物造成低温胁迫，影响作物生长和产量。为满足人口增长对粮食的需求，利用基因工程手段改良植物抗逆性，特别是抗寒性，对农业发展和经济增长至关重要。研究发现，在水稻、玉米、小麦、大麦和番茄等作物中，通过过表达特定基因（如bZIP73、DREB1A、OsMYB2、SNAC2、RAN2、ZmbZIP4、ZmMYB31、ZmICE1、TaCBF5L、TaDREB3、TaRAP2.1L、LeCOR413PM2、HY5、MYB15、SlBRI1和SlDREB3等），能有效提高作物对低温、干旱、盐胁迫等逆境的耐受性，同时不损害或甚至提高作物产量。

总结及展望

近年来，对植物耐寒机制的研究取得了显著进展，特别是ICE1-CBF-COR信号级联通路被证实在植物抗寒中发挥着关键作用。该综述回顾了植物在耐寒性方面的多重调控机制，包括CBF依赖型和非依赖型信号途径，并强调了CBF转录因子在植物感知低温信号及调节生长、发育和冷胁迫响应中的功能。同时，基因工程技术被广泛应用于改良植物的抗寒性，通过定向改变植物的功能性状，提高了植物的耐寒能力，并克服了传统育种的一些局限性。本文还总结了多个农业作物在抗寒性方面通过基因工程技术取得的成果，旨在为未来的植物抗性研究提供基础。然而，由于低温胁迫对植物的影响涉及多个层面，形成了复杂的信号网络，因此仍需要进一步研究来深入理解植物如何通过感知环境变化来调整自身发育的机制。在全球气候变暖、极端环境频发的情况下，加强植物抗寒性研究，培育抗寒能力强的新品种和种质资源，对于应对极端环境挑战、保障粮食安全具有重要意义。

对农业生产的作用

为提高植物的耐低温能力，培育耐低温能力强的植物新品种提供理论依据。

作者介绍

第一作者

吴宇欣

1997年生，女，江苏镇江人，硕士研究生

研究领域：从事林木遗传育种研究，研究方向主要包括竹子遗传转化和对低温胁迫响应的分子机制研究。

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