史夢夢，王玉泉，鄭興衛(wèi)

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西 太原 030006；2.河南科技學(xué)院小麥中心，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，山西 臨汾 041000）

干旱、高鹽、冷害和高溫等非生物脅迫嚴(yán)重制約了作物的正常生長和產(chǎn)量提高，是造成作物減產(chǎn)的主要因素之一[1]。非生物脅迫會誘發(fā)植物一系列分子、生化和生理的變化，包括滲透物質(zhì)積累、光合作用降低、氣孔關(guān)閉和脅迫應(yīng)答基因的表達(dá)[2]。干旱、高溫和鹽脅迫會引起植物脫水，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)和液泡體積的減小[3]；還會產(chǎn)生活性氧（ROS），破壞生物膜、蛋白質(zhì)和DNA，甚至使光合速率和效率下降，萎蔫，進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞程序性死亡[4]。低溫脅迫除了會造成細(xì)胞活性氧含量增加及光合作用下降[5]外，還會引起低溫敏感植物的生殖器官結(jié)構(gòu)和功能異常，導(dǎo)致受精失敗[6]。

植物感知和應(yīng)答非生物脅迫是一個較復(fù)雜的過程，有多個基因、多信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及多基因表達(dá)產(chǎn)物參與其中[7]。發(fā)揮作用的因素主要包括ROS清除酶系統(tǒng)[8]、蛋白激酶、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[9]、ABA、轉(zhuǎn)錄因子、miRNA[1]等。

禾本科（Poaceae）包括許多重要的農(nóng)作物：水稻（Oryza sativa）是全球1/2以上人口的重要糧食來源[10]；玉米（Zea mays）是世界主要的糧食和飼料作物之一；小麥（Triticum aestivum）提供了全世界近55%的碳水化合物；C4作物高粱（Sorghum bicolor）具有抗旱、耐鹽堿等特性，是我國干旱、半干旱地區(qū)重要的糧食作物和能源作物[11]。1980—2008年間的氣候變化導(dǎo)致了不同作物，包括禾本科，顯著的產(chǎn)量損失：水稻在我國和其他發(fā)展中國家大幅度減產(chǎn)；全球玉米和小麥產(chǎn)量分別下降了3.8%和5.5%[12]。這些數(shù)據(jù)顯示了研究禾本科作物抗逆生理的重要性。在本研究中，山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所小麥細(xì)胞工程與分子育種課題組將針對禾本科作物在干旱、高鹽、低溫和熱脅迫下的應(yīng)答機(jī)制來概述禾本科脅迫生理學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展。

1 抗氧化系統(tǒng)在禾本科作物抵抗逆境中的作用

非生物脅迫導(dǎo)致的活性氧（ROS）積累是引起糧食作物減產(chǎn)的主要原因之一[13]。植物體需要通過增強(qiáng)抗氧化系統(tǒng)來清除脅迫引起的ROS積累，抗氧化系統(tǒng)包括可能在植物ROS水平調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮作用的各種酶類和非酶類代謝物。LANDI等[14]概括了多種禾本科植物中參與非生物脅迫的相關(guān)基因。

在擬南芥中表達(dá)圓錐小麥超氧化物歧化酶基因TdMnSOD，促進(jìn)了脯氨酸積累，降低了H2O2含量，使轉(zhuǎn)基因擬南芥提高了對多種非生物脅迫的耐受性[15]。小麥鈣網(wǎng)聯(lián)蛋白基因Ta CRT1在Ca2+信號傳導(dǎo)和蛋白質(zhì)折疊中起重要作用，在煙草中過量表達(dá)TaCRT1后，相對于野生型耐鹽性增強(qiáng)[16]。

RAVET等[17]研究發(fā)現(xiàn)，干旱、高鹽和其他脅迫誘導(dǎo)了擬南芥鐵蛋白基因（Ferritin）的表達(dá)。小麥鐵蛋白基因TaFER-5B轉(zhuǎn)化的擬南芥植株和過表達(dá)小麥植株均表現(xiàn)出較低的和H2O2積累，增強(qiáng)了植株的耐熱性和抗旱性[18]。這些結(jié)果同時表明，當(dāng)單子葉植物的抗逆基因在雙子葉植物中異源表達(dá)時，可以增強(qiáng)植株的抗逆性。

ROS清除系統(tǒng)在改善水稻非生物脅迫耐受性方面也發(fā)揮了重要作用。CUI等[19]研究發(fā)現(xiàn)，水稻OsSGL基因編碼一個DUF1645家族蛋白，將該基因轉(zhuǎn)化擬南芥，并在水稻中過表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株的耐旱性增強(qiáng)。RNA-Seq結(jié)果顯示，過表達(dá)OsSGL水稻中幾種ROS響應(yīng)基因的表達(dá)量上調(diào)，從而將OsSGL的抗旱功能與ROS清除系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。

在禾本科中，多種轉(zhuǎn)錄因子可以通過調(diào)控活性氧清除機(jī)制提高植株對非生物脅迫的抗性。YANG等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在水稻中超量表達(dá)R2R3型MYB轉(zhuǎn)錄因子，可以增強(qiáng)過氧化物酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等ROS清除相關(guān)基因的表達(dá)，能顯著增強(qiáng)植株對低溫脅迫的抗性。在干旱條件下，將短柄草BdWRKY36基因在煙草中過量表達(dá)，發(fā)現(xiàn)與野生型相比，ROS清除相關(guān)酶基因表達(dá)上調(diào)，表明WRKY轉(zhuǎn)錄因子在干旱脅迫下對抗氧化系統(tǒng)起調(diào)控作用[21]。

2 質(zhì)膜蛋白在禾本科作物逆境生理中的作用

從細(xì)胞水平來看，物質(zhì)跨膜運(yùn)輸是植物細(xì)胞生長與代謝的基礎(chǔ)，質(zhì)膜與細(xì)胞壁一起成為細(xì)胞感知和應(yīng)答外界信號的屏障。質(zhì)膜蛋白（plasma membrane）構(gòu)成質(zhì)膜的基本結(jié)構(gòu)，是質(zhì)膜行使防御功能的基礎(chǔ)。關(guān)于植物非生物脅迫誘導(dǎo)質(zhì)膜蛋白質(zhì)組學(xué)，以及相關(guān)基因的克隆和功能分析已有大量報道。邱麗麗等[22]整合分析了植物質(zhì)膜響應(yīng)逆境的蛋白質(zhì)組學(xué)研究，揭示了質(zhì)膜蛋白在植物應(yīng)答逆境脅迫中的重要作用。

利用蛋白質(zhì)組學(xué)，在禾本科植物如水稻、小麥、玉米中已鑒定出一系列非生物脅迫響應(yīng)的質(zhì)膜相關(guān)蛋白。水稻中鑒定出8個鹽脅迫相關(guān)的質(zhì)膜蛋白，分別作用于以下幾方面：質(zhì)膜泵和通道，膜結(jié)構(gòu)，氧化脅迫防御，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，蛋白質(zhì)折疊和甲基循環(huán)[23]。冷脅迫下，從水稻根部鑒定出12個質(zhì)膜蛋白[24]。在玉米根部，鹽脅迫能夠使大部分水通道蛋白（aquaporins）的表達(dá)量在轉(zhuǎn)錄水平降低[25]。對逆境下根系的蛋白質(zhì)組研究表明，在干旱、高鹽和低溫脅迫條件下，跨膜的水或離子通道蛋白的豐度會更高，表明離子或滲透壓平衡發(fā)生了變化[26]。

在抗逆分子調(diào)控領(lǐng)域，越來越多的質(zhì)膜蛋白基因功能被驗證。小麥質(zhì)膜蛋白基因TaPM19-1在洛旱2號中受干旱、高鹽和高溫脅迫誘導(dǎo)，但在中國春中不響應(yīng)高鹽和高溫脅迫，預(yù)示著該基因在洛旱2號和中國春中可能存在不同的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制[27]。鹽脅迫中，大麥（Hordeum vulgare L.）HvPIP2/1 基因在根中表達(dá)量下降，在莖中表達(dá)量上升[28]。

RLKs基因家族是絲/蘇氨酸蛋白激酶，是一類重要的質(zhì)膜蛋白，作為信號分子的受體，通過磷酸化和去磷酸化調(diào)控下游靶基因的表達(dá)[29]。RLK基因在作物中應(yīng)對多種非生物脅迫響應(yīng)過程也發(fā)揮了重要作用[7]。在水稻中過表達(dá)OsSIK1基因，在干旱和鹽脅迫下，植株體內(nèi)超氧化物歧化酶水平升高，從而增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植株抗逆性[30]。LRR型類受體蛋白激酶OsRPK1基因在根系皮質(zhì)細(xì)胞的質(zhì)膜上表達(dá)，且表達(dá)量受低溫、干旱和ABA等因素誘導(dǎo)[31]。李倩[32]克隆了玉米ZmRLK基因并轉(zhuǎn)化擬南芥，結(jié)果表明，過表達(dá)ZmRLK能提高植株對冷脅迫的耐受能力。

為控制質(zhì)膜蛋白在細(xì)胞膜上的豐度和活性，質(zhì)膜蛋白同樣受到轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。YOKOTANI等[33]研究結(jié)果表明，超量表達(dá)水稻OsWRKY76轉(zhuǎn)錄因子上調(diào)了抗氧化相關(guān)酶及脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)，增強(qiáng)了對質(zhì)膜的保護(hù)，轉(zhuǎn)基因植株對凍害的耐受性提高。

3 miRNA在禾本科作物響應(yīng)逆境脅迫中的作用

MicroRNA（miRNA）是一類長度為 19～24 nt的小分子非編碼RNA，通過降解靶基因途徑，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控相關(guān)靶基因的表達(dá)，廣泛參與到植物生長、發(fā)育及逆境脅迫應(yīng)答等重要過程[34]。

構(gòu)建miRNA文庫、直接克隆深度測序、生物信息等研究植物逆境脅迫相關(guān)miRNA的主要方法[35]。繼擬南芥之后，禾本科作物如水稻、小麥和玉米中克隆得到了大量miRNA。KANTAR等[36]利用miRNA芯片從野生二粒小麥（Triticum dicoccoides）中篩選與干旱脅迫相關(guān)的miRNA，該研究得到了13個miRNAs，其中8個在脅迫后表達(dá)量上調(diào)，可能參與關(guān)閉某些正常的代謝通路以節(jié)水達(dá)到對細(xì)胞的保護(hù)。在這些上調(diào)的miRNA中，miR156已被證明參與擬南芥負(fù)調(diào)控植物生長和開花過程，并在干旱脅迫中發(fā)揮作用。同樣，在小麥?zhǔn)艿礁邷孛{迫時，miR156表達(dá)量表現(xiàn)上調(diào)[37]。miRNA474在擬南芥中不能被非生物脅迫誘導(dǎo)，然而在野生二粒小麥和玉米中，均表現(xiàn)為干旱脅迫下上調(diào)，靶向于脯氨酸脫氫酶（PDH），降低PDH活性從而積累脯氨酸維持滲透平衡[38]。

miRNA芯片可以對所有已知的miRNA進(jìn)行不同逆境脅迫下的miRNA表達(dá)變化的研究，再通過生物信息學(xué)和高通量測序、免疫共沉淀等技術(shù)對靶基因進(jìn)行預(yù)測，從而高通量、準(zhǔn)確地尋找與農(nóng)作物逆境脅迫有關(guān)的miRNA及其靶基因，為作物逆境脅迫開拓了新的研究方向。

4 結(jié)語

非生物脅迫嚴(yán)重制約禾本科作物的生長和產(chǎn)量，很有必要對作物的抗脅迫機(jī)制進(jìn)行闡述[39]?？寡趸到y(tǒng)清除脅迫引起的ROS積累，質(zhì)膜蛋白通過感知和傳遞脅迫信號調(diào)節(jié)植物抵御脅迫，逆境下miRNA調(diào)控靶基因的表達(dá)，三者在參與植物逆境脅迫中發(fā)揮了重要作用，有助于進(jìn)一步理解作物對脅迫響應(yīng)的生物學(xué)調(diào)控機(jī)制，同時也為作物耐逆、高產(chǎn)品種改良指明了新的方向。

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