吳 丹,毛東海,趙小英

(1.湖南大學(xué)生物學(xué)院植物功能基因組學(xué)與發(fā)育調(diào)控湖南省重點實驗室,中國湖南 長沙 410082;2.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室,中國湖南 長沙 410125)

低溫影響植物的生長發(fā)育與地理緯度分布,低溫災(zāi)害是造成作物減產(chǎn)的主要逆境之一。隨著全球氣候變化加劇,低溫冷凍等極端氣候?qū)鼮轭l繁發(fā)生。因此,研究植物如何響應(yīng)低溫脅迫對于保障經(jīng)濟作物生產(chǎn)與糧食安全等重大問題有著重要的理論與實踐價值,植物低溫響應(yīng)分子機制研究一直是植物研究領(lǐng)域中的熱點話題。本文將根據(jù)相關(guān)研究現(xiàn)狀,圍繞已知信號途徑從植物對外界信號的感知、細胞內(nèi)的信號傳遞、信號通路中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及植物激素等與低溫信號的交叉反應(yīng)進行論述。

1 植物的低溫響應(yīng)

1.1 植物對低溫的生理響應(yīng)

根據(jù)低溫程度的不同,低溫脅迫可以劃分為冷害(0～20℃)和凍害(<0℃)[1～2]。在熱帶和亞熱帶氣候區(qū),冷害是主要的低溫脅迫,影響著水稻、玉米等作物的生產(chǎn);在溫帶氣候區(qū),凍害是主要的低溫脅迫,影響著小麥、油菜等作物的生產(chǎn)。兩種低溫脅迫都會改變植物的細胞結(jié)構(gòu)、生理代謝平衡以及蛋白質(zhì)活性等,從而影響植物的生長發(fā)育[1]。在冷害條件下,細胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,導(dǎo)致細胞內(nèi)電解質(zhì)的滲漏;細胞內(nèi)氧化代謝平衡失調(diào),造成活性氧(reactive oxygen species,ROS)的積累,引發(fā)細胞膜脂類的過氧化,造成細胞膜系統(tǒng)損傷,并促使多聚不飽和脂肪酸降解為丙二醛(malondialdehyde,MDA),進而損害植物組織和細胞;植物細胞的葉綠素合成與葉綠體形成減少,光合作用受到抑制[3]。蔗糖是花粉粒中淀粉合成的底物,在水稻花粉母細胞減數(shù)分裂時期,低溫引起蔗糖分解酶的活性降低和單糖轉(zhuǎn)運蛋白的表達下調(diào),使得花藥中的蔗糖等物質(zhì)不能供應(yīng)到絨氈層和花粉粒,從而導(dǎo)致花粉不育,種子結(jié)實率下降[4]。在凍害條件下,植物會出現(xiàn)更嚴重的傷害,凍結(jié)溫度促進植物組織的細胞外質(zhì)體(細胞間隙)結(jié)冰,細胞間冰晶物質(zhì)的積累破壞了細胞膜結(jié)構(gòu),造成細胞外水勢下降,導(dǎo)致細胞脫水嚴重[5]?？傊?低溫脅迫影響植物的生長與發(fā)育,嚴重時會導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。

1.2 植物的冷馴化

適應(yīng)溫帶地區(qū)生長的植物在長期進化過程中,已經(jīng)發(fā)展出一套復(fù)雜的機制,使它們能夠承受低溫脅迫。例如,模式植物擬南芥在經(jīng)過0℃以上的冷處理后,可以獲得對0℃以下凍害的抵抗能力,該過程被稱為冷馴化(cold acclimation,CA)[6]。冷馴化的分子機制是適度低溫可以激活低溫響應(yīng)基因(cold responsive genes,COR)的表達,使機體合成滲透保護劑合成酶、分子伴侶以及抗氧化酶等蛋白質(zhì),從而在更低溫度條件下保護細胞中的生物大分子與生物膜等[2,5,7～8]。水稻雖然起源于熱帶或亞熱帶地區(qū),各個時期對低溫都敏感,但是也存在類似的冷馴化現(xiàn)象,即適當?shù)蜏仡A(yù)處理,可以獲得對更低溫度的耐受性。研究人員通過分析低溫響應(yīng)關(guān)鍵基因CBF/DREB1(C-repeat binding transcription factor/dehydrate responsive element binding factor)的表達及進化關(guān)系,證明低溫響應(yīng)分子機制在較為耐冷的擬南芥與低溫敏感的水稻之間存在一定保守性[9]。

2 低溫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

2.1 植物感知低溫信號的受體

在植物中,溫度的波動會導(dǎo)致細胞膜流動性的改變,細胞骨架的重新排列,引發(fā)Ca2+的胞質(zhì)流向,隨后觸發(fā)低溫響應(yīng),從而產(chǎn)生低溫耐受性。因此,細胞膜的流動性與細胞骨架的構(gòu)象改變被認為是潛在的低溫感受器[10]。Ca2+作為第二信使,低溫脅迫會誘導(dǎo)它在細胞質(zhì)內(nèi)的增加,這提示位于細胞膜上的Ca2+通道,可能是植物感受低溫的最初靶標。在擬南芥中,Ca2+運輸相關(guān)的環(huán)核苷酸門控離子通道(cyclic nucleotide-gated channels,CNGCs)對植物感受溫度以及植物對溫度的響應(yīng)起著很重要的作用[11];在水稻中,G蛋白調(diào)節(jié)因子COLD1(chilling tolerance divergence 1)與G蛋白α亞基(G-protein alpha subunit,RGA1)形成復(fù)合體,增強G蛋白的GTP酶活性,并可能存在Ca2+通道功能,促進Ca2+流向細胞質(zhì),激活低溫響應(yīng),增強水稻低溫耐受性(圖1)。重要的是,COLD1基因存在自然變異,將溫帶粳稻來源的等位基因?qū)氲降蜏孛舾械亩i稻品種中,能增強植物耐冷性[12～13]。此外,光敏色素B(photosensitive pigment B,PHYB)作為光受體,近期也被證實擁有溫度計時器的功能,耦合了對光與溫度的信號感知[14～17],但是,光受體是否為低溫受體,還有待深入研究。

圖1 擬南芥和水稻冷信號蛋白激酶的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[8]Fig.1 Regulatory network of protein kinases in cold signalling in Arabidopsis and rice[8]

2.2 植物Ca2+信號受體對低溫信號的傳遞

植物需要Ca2+信號受體將外界低溫信號轉(zhuǎn)換為細胞內(nèi)的信號。這些Ca2+信號受體包括鈣調(diào)蛋白(calmodulin,CaM)、類鈣調(diào)蛋白(CaM-like protein,CML)、Ca2+依賴蛋白激酶(Ca2+-dependent protein kinase,CDPK)以及鈣調(diào)磷酸酶B類蛋白(calcineurin B-like protein,CBL)(圖1)[2,18]。這些蛋白質(zhì)富含EF手型結(jié)構(gòu)域(elongation factor-hand domain,EFBD),可以通過與Ca2+結(jié)合使蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變,從而激活蛋白質(zhì)活性,與其他蛋白質(zhì)相互作用,并對效應(yīng)蛋白發(fā)揮激酶或磷酸酶的功能[19～21]。其中,結(jié)合Ca2+的CaM蛋白,可以結(jié)合并磷酸化鈣調(diào)蛋白結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活因子(calmodulin binding transcription activators,CAMTAs)(圖1)。在這類蛋白質(zhì)中,CAMTA3和CAMTA5對溫度的快速下降有響應(yīng),并誘導(dǎo)下游基因DREB1的表達,但它們對溫度的逐漸降低沒有響應(yīng)[22]。CDPK可以通過絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)級聯(lián)反應(yīng)傳遞低溫信號。該MAPK級聯(lián)反應(yīng)涉及3種蛋白激酶,包括MAP3K、MAP2K和MAPK。MAP3K在保守的絲氨酸/蘇氨酸殘基處磷酸化MAP2K;活化的MAP2K磷酸化MAPK,活化的MAPK再激活下游的效應(yīng)蛋白,引發(fā)低溫響應(yīng)[3]。例如,擬南芥或水稻中的CRLK1(calmodulin-regulated receptor-like kinase 1)和CRLK2啟動一個MKK4/5-MPK3/6(MAP kinase kinase 4/5-MAP kinase 3/6)級聯(lián),拮抗MEKK1-MKK2-MPK4(MAP/ERK kinase kinase 1-MAP kinase kinase 2-MAP kinase 4)通路,使 ICE1(inducer of CBF expression 1)或 OsICE1磷酸化,從而改變蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性,進而影響COR表達與植物低溫耐受性(圖1)[23～25]。CBLs作為Ca2+信號傳感器,通過與CBL相互作用的蛋白激酶(CBL-interacting protein kinases,CIPKs)相互作用,將冷應(yīng)激引起的Ca2+瞬態(tài)傳遞到磷酸化事件中。在擬南芥中,CBL1和CIPK7的轉(zhuǎn)錄表達在4℃低溫處理時,分別在3 h和12 h達到高峰期;在Ca2+存在時,CBL1和CIPK7存在互作;cbl1突變體對低溫更為敏感,這些表明CBL1和CIPK7在植物低溫響應(yīng)中起著重要作用,它們不僅通過Ca2+傳遞低溫脅迫信號,同時也通過ROS信號和激素信號在植物體內(nèi)傳遞生物脅迫和非生物脅迫(圖1)[26～27]。在水稻中,OsCIPK1、OsCIPK3和OsCIPK9受低溫誘導(dǎo)表達,其中OsCIPK3被證實正調(diào)控水稻耐冷性[28],但是OsCIPKs的下游調(diào)控途徑有待深入研究。

2.3 植物常見的低溫響應(yīng)信號通路:CBF/DREB1途徑

在植物中,研究較為透徹的低溫響應(yīng)信號通路為CBF/DREB1信號途徑,其上下游的主要模塊為ICEs-CBF/DREB1s-CORs。擬南芥中有3個CBF基因:CBF1、CBF2和CBF3,在低溫條件下,CBF基因的表達量增加,同時作為轉(zhuǎn)錄激活因子結(jié)合其下游COR基因的啟動子并調(diào)節(jié)基因的表達,從而增強植物低溫耐受性[18]。ICE1編碼一個類MYC型的堿性螺旋-環(huán)-螺旋(basic helix-loophelix,bHLH)轉(zhuǎn)錄因子,ICE1蛋白能夠結(jié)合CBF3的啟動子調(diào)節(jié)CBF3的表達[29]。ICE2是ICE1的同源蛋白,能夠通過調(diào)節(jié)CBF1的表達,正調(diào)控植物對低溫的響應(yīng)(圖2)[30]。其他可調(diào)控CBF基因表達的各類轉(zhuǎn)錄因子還包括:正調(diào)控因子CAMTA、MYB56(myeloblastosis 56)等,負調(diào)控因子MYB15、MYBS3、PRRs(pseudo response regulators)等(圖2)[3]。CBF與COR基因的表達受到轉(zhuǎn)錄后修飾的調(diào)節(jié)。例如,C端結(jié)構(gòu)域磷酸酯樣蛋白(C-terminal domain phosphatase-like protein,CPL1)參與CBF的mRNA剪切;STA1(signal transducer and activator of transcription 1)與CBF基因表達調(diào)控因子1(regulator of CBF gene expression 1,RCF1)參與COR的mRNA剪切(圖2);NUP60(nucleoporin 60)影響CBF mRNA的核外輸出,它們都會影響植物的低溫耐受性[31～34]。CBF信號通路受到翻譯后修飾的調(diào)節(jié)。例如,該通路中的MYB15、ICE1與CBF調(diào)控因子,以及與其存在信號交叉的脫落酸(abscisic acid,ABA)信號通路的氣孔調(diào)控因子OST1(open stomata 1),都會受到各種翻譯后修飾,包括:泛素化(ubiquitination)、SUMO 化(sumoylation)、磷酸化(phosphorylation)以及豆蔻?；?myristoylation)等,使蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性、活性或定位情況發(fā)生改變,從而調(diào)節(jié)CBF信號通路,最終影響植物低溫耐受性[1,3,23,35～40]。此外,各類表觀遺傳機制通過CBF信號通路調(diào)節(jié)植物低溫耐受性。例如,長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)對低溫響應(yīng)基因的抑制[41],組蛋白乙?；c去乙?；瘜虮磉_的調(diào)控[42～46],組蛋白甲基化修飾對基因表達的調(diào)控[47]以及DNA的甲基化[48～49],最終都會影響COR基因的表達與植物低溫耐受性。

圖2 植物中CBF依賴/非依賴途徑的正調(diào)控和負調(diào)控因子[3]Fig.2 Positive and negative regulators of the CBF-dependent and CBF-independent pathways in plants[3]

2.4 植物激素與CBF信號通路的交叉

越來越多的證據(jù)表明,各種植物激素參與植物對低溫的響應(yīng)。乙烯(ethylene,ETH)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)與ABA為植物逆境激素,現(xiàn)有報道證實它們都參與植物對低溫的響應(yīng)。在擬南芥中,施加乙烯合成抑制劑可以增強植物低溫耐受性;乙烯信號通路中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子乙烯不敏感因子3(ethylene-insensitive 3,EIN3)抑制CBF基因的表達;乙烯信號途徑中各個組分的突變體,如抗乙烯突變體1-1(ethylene-resistant 1-1,etr1-1)、ein2-5、ein3-1 和 ein4-1 等,都表現(xiàn)為低溫耐受性增強表型[50];EIN3蛋白與F-box蛋白EBF(EIN3-binding F-box)1和2結(jié)合后,通過26S蛋白酶體途徑降解,從而激活CBF的表達,增強植物低溫耐受性(圖2)[16,50]。因此,在擬南芥中,乙烯負調(diào)控低溫耐受性。然而,在番茄或煙草等農(nóng)作物中,過表達乙烯響應(yīng)因子(ethylene responsive element binding factor 2,ERF2)促進植物體內(nèi)乙烯的合成,進而增強植物低溫耐受性[51]。可見,乙烯參與植物低溫響應(yīng)存在物種差異性,但是具體的分子機制仍不清楚,需要進一步研究。在擬南芥中,施加茉莉酸甲酯(methyl jasmonate,MeJA)可增強其低溫耐受性,而且低溫處理會增加植株體內(nèi)茉莉酸的含量。此外,茉莉酸合成途徑的脂肪氧合酶2突變體(lipoxygenase 2,lox2)表現(xiàn)為低溫敏感,該信號途徑正調(diào)控因子COI1(coronatine insensitive 1 like)的突變體或負調(diào)控因子JAZ(jasmonate ZIM-domain)l/4的過表達也均表現(xiàn)為低溫敏感。而且,JAZ1和JAZ4與ICE1存在互作,并抑制ICE1的轉(zhuǎn)錄活性(圖2)[52]。在水稻中,茉莉酸代謝酶HAN1(chilling tolerance 1)可以將活性的JAIle(jasmonoyl-isoleucine)轉(zhuǎn)化為非活性的12OHJA-Ile(12-hydroxy-jasmonoyl-isoleucine),進而調(diào)控茉莉酸介導(dǎo)的低溫反應(yīng)[53]。由此可見,茉莉酸正調(diào)控植物低溫耐受性?，F(xiàn)有研究顯示,給果實施加茉莉酸甲酯,可以降低果實收獲后的低溫傷害[54～55]。在擬南芥中,ABA合成途徑中的突變體aba3表現(xiàn)為對低溫更敏感,而其過表達植株獲得更強低溫耐受性[56～57]。而且,許多COR基因的啟動子中存在ABRE(abscisic acid response element)順式元件,這間接證實ABA信號通路與植物耐冷性相關(guān)[58]。OST1作為ABA信號通路中的重要調(diào)控因子,通過磷酸化修飾并穩(wěn)定ICE1蛋白活性,調(diào)節(jié)CBF基因的表達與植物耐冷性(圖2)[36,58～60]。可見,ABA正調(diào)控植物低溫耐受性,外施ABA處理能促進植物耐冷性。油菜素內(nèi)酯(brassinolide,BR)、赤霉素(gibberellin,GA)以及細胞分裂素(cytokinin,CK)是植物生長激素,現(xiàn)有報道證實它們也參與植物對低溫的響應(yīng)。在擬南芥中,BR信號傳遞缺陷突變體無論有無經(jīng)過冷馴化都增加了植物冷耐受性;相反,該信號傳遞的組成性激活能使得植物對低溫更敏感[61]。受BR調(diào)控的 bHLH轉(zhuǎn)錄因子CESTA可以促進CBF及其下游COR基因的表達;CES也可以促進不依賴于CBF信號途徑的COR基因的表達(圖2)[62]。BR信號通路中的負調(diào)控因子BR不敏感型2(brassinosteroid-insensitive 2,BIN2)編碼一個糖原合成酶激酶3(glycogen synthase kinase-3,GSK3),當BIN2突變后,植物耐冷性更強;它可以通過其下游的轉(zhuǎn)錄因子BES1/BZR1(bri1-ems-suppressor 1/brassinazole-resistant 1)和CES進行磷酸化修飾從而降解,這些轉(zhuǎn)錄因子通過不同順式元件結(jié)合CBF基因的啟動子,從而調(diào)節(jié)CBF基因的表達,最終影響植物耐冷性[61～62]?？梢?BR正調(diào)控植物低溫耐受性。研究報道,給農(nóng)作物黃瓜施加BR類似物(24-epibrassinolide,EBL)可以增強植物低溫耐受性[63]。

在擬南芥中,CBF1的組成型表達使得植物低溫耐受性增強,但也減緩了植物生長。這是由于CBF信號通路與GA信號途徑存在交叉。低溫可以誘導(dǎo)CBF基因的表達,也可以誘導(dǎo)GA代謝酶基因GA2oxs(gibberellin 2-oxidases)的表達,使植物體內(nèi)GA含量減少,促進DELLA蛋白積累。DELLA是GA信號途徑中的植物生長抑制因子,活性GA通過降解DELLA蛋白釋放其對植物生長的抑制效應(yīng)。組成性表達CBF1的轉(zhuǎn)基因植物積累的生物活性GA較少,因此表現(xiàn)出矮化和晚花。當CBF1在DELLA缺失突變體中表達時,這兩種表型都受到抑制[64]。棉花中存在相同的情況。GhDREB1基因的啟動子既含有低溫響應(yīng)元件也含有GA響應(yīng)元件。低溫可以誘導(dǎo)GhDREB1的mRNA積累,而外施GA可以抑制GhDREB1的mRNA積累。過表達GhDREB1的轉(zhuǎn)基因植物表現(xiàn)為低溫耐受性增強,但是在正常條件下,植物生長受阻,變得更矮小[65]。低溫可以通過誘導(dǎo)DELLA蛋白的積累直接抑制植物生長發(fā)育,而DELLA蛋白也可以與生長調(diào)節(jié)因子(growth regulator factors,GRF)相互作用從而抑制植物的生長[66～69]。此外,低溫影響內(nèi)源CK水平。在農(nóng)作物水稻與小麥中,低溫降低內(nèi)源CK的含量。但是在擬南芥中,CK對植物低溫耐受性的調(diào)控機制尚無定論。擬南芥中的雙組分信號系統(tǒng)(two-component signaling system,TCS)是細胞分裂素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵組分。細胞分裂素受體的雙突變體ahk2ahk3和ahk3ahk4表現(xiàn)為低溫更敏感[70];該通路中的擬南芥響應(yīng)調(diào)控因子7(Arabidopsis response regulator 7,ARR7)突變時,植物變得更耐低溫[70～72]。細胞分裂素應(yīng)答因子(cytokinin response factor,CRF)2/3編碼 AP2/ERFs(apetala 2/ethylene response factors)轉(zhuǎn)錄因子,在低溫脅迫下對擬南芥?zhèn)雀纬善鹬匾饔?。CRF2和CRF3分別通過TCS依賴性或TCS非依賴性途徑響應(yīng)低溫,并控制側(cè)根的起始和發(fā)育。與野生型相比,crf2和crf3單突變體或雙突變體在冷脅迫下的側(cè)根發(fā)生率降低;相反,CRF2或CRF3過表達導(dǎo)致側(cè)根密度增加[73]。

2.5 生物鐘和光周期與CBF/DREB1信號通路的交叉

生物鐘可以調(diào)控低溫響應(yīng)基因的表達。例如,在常溫條件下,CBF基因的表達表現(xiàn)出晝夜節(jié)律性;當生物鐘關(guān)鍵基因CCA1(circadian clockassociated 1)和 LHY(late elongated hypocotyl)同時突變時,CBF基因的表達節(jié)律性喪失,COR基因的表達量下降,從而使植物低溫耐受性降低(圖2)[74]?？梢?在白天與黑夜的不同溫度條件下,植物通過生物鐘可以平衡生長與低溫耐受性。同樣,有報道稱,日照長短可以調(diào)節(jié)植物CBF與COR基因的表達。CBF和COR基因在長日照下的表達量要比在短日照條件下的高。當植物的光敏色素基因PHYB以及光敏色素互作因子4/7(phytochrome interacting factors 4/7,PIF4/7)突變時,突變植株的CBF與COR基因的表達量在長日照條件下也變得更高。可見,植物通過PHYB、PIF4和PIF7在長日照下負調(diào)控CBF途徑(圖2)[75]。此外,擬南芥的光形態(tài)建成負調(diào)控因子PIF3可以結(jié)合CBF的啟動子并抑制CBF基因的表達,從而負調(diào)控植物耐冷性[16]。這些研究結(jié)果說明,植物通過對日照長短感知調(diào)整自身對溫暖季節(jié)和寒冷季節(jié)的適應(yīng)性,實現(xiàn)生長與低溫耐受性的平衡。上述已經(jīng)提到,PHYB既是光受體又是溫度計時器,這證實了光信號與低溫信號存在交互作用[14～17,59]?？梢?植物通過光信號調(diào)整自身生長發(fā)育使其適應(yīng)所處的不同溫度條件下的生長環(huán)境。

2.6 植物中其他非CBF的低溫響應(yīng)信號通路

在上述各種低溫響應(yīng)調(diào)控中,大多數(shù)與CBF信號通路相關(guān),但是還有許多COR基因的表達不受CBF信號通路調(diào)控。研究人員在CBF過表達植株和cbf1cbf2cbf3突變體中發(fā)現(xiàn),約4 000個COR基因參與低溫響應(yīng),但是其中只有數(shù)百個受CBF調(diào)控,表明除了CBF途徑之外,植物中還存在其他眾多的信號通路參與調(diào)節(jié)COR的表達[76～77]。目前,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的可調(diào)節(jié)COR基因表達并與CBF無關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子包括:HSFC1(heat shock transcription factor C1)、ZAT10/12(zinc finger transcription factor 10/12)、RAV1(related to ABI3/VP1)、CZF1[zinc finger(CCCH-type)family protein]和HY5(elongated hypocotyl 5)等(圖2)[3]。其中, 轉(zhuǎn)錄因子HSFA1(heat stress transcription factor A1)在低溫條件下,受到水楊酸(salicylic acid,SA)受體NPR1(nonexpresser of PR genes 1)的激活,然后通過非CBF途徑調(diào)控COR基因的表達和植物對低溫的耐受性(圖2)[40,78];油菜素內(nèi)酯調(diào)控因子BZR1,除了通過CBF信號通路,還通過其他途徑調(diào)節(jié)COR基因的表達[61];擬南芥T細胞因子1(T cell factor 1,TCF1)通過木質(zhì)素合成途徑BCB-PAL1/PAL2(blue-copper-binding-PHE ammonia lyase 1/2)調(diào)控植物低溫耐受性(圖2)[79]。因此,在調(diào)控植物低溫耐受性上,不依賴CBF的其他信號通路也發(fā)揮著重要的作用,但是其調(diào)控機制還有待進一步研究。

3 總結(jié)與展望

綜上可知,植物低溫響應(yīng)分子機制的研究已有重大的進展與突破,尤其在植物CBF/DREB1依賴型的低溫響應(yīng)信號途徑的轉(zhuǎn)錄調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控以及翻譯后修飾等方面。然而,目前研究較為深入的是CBF/DREB1途徑,其他不依賴于CBF/DREB1的低溫響應(yīng)信號途徑尚缺乏深入研究。其次,植物低溫響應(yīng)的表觀遺傳學(xué)規(guī)律值得探討。Park等[46]研究表明,在擬南芥遇到低溫脅迫時,HOS15(high expression of osmotically responsive gene 15)能促進組蛋白脫乙酰酶2C(histone deacetylase 2C,HD2C)的降解,從而促進COR基因轉(zhuǎn)錄,說明染色質(zhì)狀態(tài)的重塑在植物低溫應(yīng)激反應(yīng)中起到非常重要的作用。那么,通過多梳抑制性復(fù)合物1/2(polycomb repressive complex 1/2,PRC1/2)對組蛋白進行甲基化修飾的其他表觀調(diào)控機制是否與植物耐低溫有密切聯(lián)系？這有待探究。第三,在模式植物擬南芥中,人們當前更側(cè)重于植物營養(yǎng)生長時期低溫脅迫響應(yīng)分子機制的研究,缺乏對其生殖生長時低溫響應(yīng)分子機制的研究。隨著全球氣候變化加劇,各種農(nóng)作物在營養(yǎng)生長時期和生殖生長時期都會更加頻繁遭遇低溫脅迫,從而導(dǎo)致作物減產(chǎn)。因此,在植物低溫響應(yīng)分子機制的研究領(lǐng)域中,需要發(fā)揮擬南芥作為模式植物的研究優(yōu)勢,啟動各個時期尤其是生殖生長時期,低溫脅迫響應(yīng)的分子機制研究工作,為農(nóng)作物各個時期尤其是生殖生長時期耐低溫分子機制研究及其分子育種提供理論參考與基因資源。第四,由于物種差異性,作物低溫響應(yīng)分子機制的研究需要加強。目前,植物低溫響應(yīng)分子機制的研究主要在模式植物擬南芥中開展,而該植物為溫帶植物,其通過長期在溫帶低溫生長環(huán)境的適應(yīng)與馴化,獲得了較強的低溫耐受性。然而許多重要農(nóng)作物,例如水稻與玉米等,都是起源于熱帶或亞熱帶地區(qū),對低溫較為敏感。因此,這些低溫敏感農(nóng)作物的低溫響應(yīng)分子機制,可能與較為耐低溫的擬南芥存在一定程度的物種差異性。而且,當前農(nóng)作物低溫響應(yīng)的分子機制研究沒有擬南芥的那么寬廣與深入,因此,針對農(nóng)作物需要開展更深入、更全面的基礎(chǔ)研究。第五,低溫響應(yīng)關(guān)鍵基因的優(yōu)異等位值得發(fā)掘。在上述的各種低溫響應(yīng)基因中,絕大多數(shù)基因缺乏自然變異分析與優(yōu)異等位的發(fā)掘,所以還不能直接應(yīng)用于農(nóng)作物的育種實踐中。目前,在重要農(nóng)作物(如水稻)中已發(fā)掘的優(yōu)異耐低溫等位基因有:控制低溫萌發(fā)的qLTG3-1(low-temperature germinability 3-1)、控制苗期耐低溫的COLD1與HAN1、同時控制苗期與孕穗期耐低溫的bZIP7(basic leucine-zipper 7)以及控制孕穗期耐低溫的CTB4a(cold tolerance at booting stage)等[12,53,80～83]?？梢?當前能直接用于作物耐低溫育種的基因資源很有限。第六,作物耐低溫分子育種的技術(shù)手段有待更新。隨著基因組編輯技術(shù)的日趨完善,我們可以利用該技術(shù)擴展耐低溫基因?qū)ψ魑镞z傳改良的潛力。多數(shù)耐逆基因的表達既影響耐逆性狀也影響生長發(fā)育,例如低溫響應(yīng)的關(guān)鍵基因OsDREB1G,在植物中穩(wěn)定高表達該基因,雖然可以增強植物耐冷性,但是同時會抑制植物生長發(fā)育[84]。因此,我們可以利用基因組編輯技術(shù)在其啟動子區(qū)域進行定點插入或缺失,改變其調(diào)控元件,從而在維持基因功能活性不變的前提下,適當改變基因的轉(zhuǎn)錄水平,從而使得作物在正常氣候條件下保持高產(chǎn),在低溫逆境氣候條件下穩(wěn)定產(chǎn)出。總之,結(jié)合對植物低溫響應(yīng)分子機制的理解與生物技術(shù)的利用,培育出高產(chǎn)耐逆的綠色農(nóng)作物將成為現(xiàn)實。