陳思琪，孫敬爽，麻文俊，王軍輝，趙曦陽，胡瑞陽

（1林木遺傳育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國林業(yè)科學(xué)研究院華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，北京九龍山暖溫帶森林國家長(zhǎng)期科研基地，楸樹國家創(chuàng)新聯(lián)盟，北京 102300；2東北林業(yè)大學(xué)，林木遺傳育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；3林木遺傳育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家林草局森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楸樹國家創(chuàng)新聯(lián)盟，中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)所，北京 100091）

0 引言

低溫是重要的環(huán)境脅迫因子之一，影響著植物的生長(zhǎng)[1]。尤其近些年，極端溫度的出現(xiàn)，使林木、作物大量產(chǎn)生凍害，嚴(yán)重的造成死亡，成為農(nóng)林業(yè)發(fā)展面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。低溫不僅影響植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)，而且還限制植物的產(chǎn)量[2]。如水稻(Oryza sativa)低溫災(zāi)害已成為全球性的問題，低溫脅迫對(duì)水稻影響尤其嚴(yán)重國家有日本、美國和中國等，國內(nèi)每年低溫冷害損失稻谷30～50 t。低溫冷害不僅在北方阻礙水稻生產(chǎn)，而且在南方也影響早稻苗期與晚稻抽穗灌漿期[3]。關(guān)于報(bào)道低溫在林業(yè)生產(chǎn)方面的危害也是屢見不鮮，近年來由于極端天氣頻發(fā)，不管是北部地區(qū)果樹還是南部地區(qū)果樹，均經(jīng)常遭受不同程度的低溫傷害，給全世界果樹生產(chǎn)造成的損失日漸嚴(yán)重[4]。

植物經(jīng)受低溫脅迫后，其各種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、酶活性等會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，細(xì)胞結(jié)構(gòu)也隨之改變，相關(guān)抗寒基因的表達(dá)和響應(yīng)機(jī)制也發(fā)生變化。近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，關(guān)于低溫脅迫調(diào)控機(jī)制也日漸清晰。在低溫脅迫條件下，植物體通過激活一系列分子機(jī)制、抗寒相關(guān)的保護(hù)酶和代謝物的活性，誘導(dǎo)大量寒冷相關(guān)基因的表達(dá)合成對(duì)應(yīng)的保護(hù)蛋白及代謝相關(guān)復(fù)合物，從而構(gòu)建新的能量平衡、代謝物的平衡和氧化還原平衡，提高植物忍受低溫的能力[5]。同時(shí)關(guān)于低溫脅迫相關(guān)基因、代謝通路已被找到，關(guān)鍵的基因及其轉(zhuǎn)錄因子和酶已被探討。本研究對(duì)低溫脅迫下各調(diào)控機(jī)制進(jìn)行綜述，以期為植物低溫脅迫研究提供理論基礎(chǔ)。

1 低溫脅迫下植物的細(xì)胞響應(yīng)

植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能受低溫脅迫的影響，植物可合成保護(hù)物質(zhì)増強(qiáng)膜系統(tǒng)穩(wěn)定性，維持細(xì)胞內(nèi)代謝平衡，進(jìn)而提高植物抵御低溫脅迫的能力[6]。研究揭示，在低溫脅迫條件下，植物不得不對(duì)不利環(huán)境產(chǎn)生適應(yīng)性而存活，如植物具葉片厚、氣孔密度小、組織結(jié)構(gòu)緊密、葉片角質(zhì)層厚、葉脈導(dǎo)管發(fā)達(dá)、木質(zhì)部多和韌皮部少等特征[7]。如伍寶朵等[8]發(fā)現(xiàn)了胡椒(Piper nigrum L)葉片中海綿組織和柵欄組織的厚度隨低溫處理時(shí)間延長(zhǎng)而變薄，并且細(xì)胞損傷加劇。

不僅內(nèi)部植物組織器官結(jié)構(gòu)受低溫脅迫的影響，而且細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)也受其損壞，特別是對(duì)細(xì)胞器膜和細(xì)胞質(zhì)膜的傷害。在低溫下，植物細(xì)胞中囊泡數(shù)目增加、內(nèi)含物含量上升，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致液泡膜解體；葉綠體形狀發(fā)生變化，甚至解體；細(xì)胞壁呈糊狀，會(huì)出現(xiàn)質(zhì)壁分離；核膜消失、細(xì)胞器降解等現(xiàn)象[9-10]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于低溫感知，核仁最敏感，葉綠體敏感度高于線粒體，液泡膜較質(zhì)膜敏感度高，但類囊體膜對(duì)低溫敏感度較葉綠體膜高[11]。Kratsch等[12]指出，冷脅迫時(shí)植物細(xì)胞內(nèi)葉綠體首先受到影響，隨著冷脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)造成葉綠體類囊體膨大變形，淀粉粒膨大變形，葉綠體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)消失，最終葉綠體瓦解。

2 低溫脅迫下植物的生理響應(yīng)

2.1 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

在低溫脅迫條件下，植物體內(nèi)各滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量均會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而激發(fā)植物形成多種滲透調(diào)節(jié)能力，從而提高植物對(duì)低溫的抵抗能力。其中，低溫脅迫一般可以引起可溶性蛋白、可溶性糖及脯氨酸等滲透物質(zhì)含量的變化。

可溶性糖作為植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，其含量與抗寒性之間有著密切的關(guān)系。多數(shù)研究證明，植物在低溫期間，細(xì)胞內(nèi)可溶性糖含量與抵抗低溫能力之間存在明顯正相關(guān)[13]。如張兆銘等[14]測(cè)定了8個(gè)釀酒葡萄(Vitis vinifera)品種枝條在不同溫度處理下可溶性糖含量，結(jié)果顯示，隨著溫度的逐漸降低，葡萄枝條中的可溶性糖含量逐漸增加，并呈現(xiàn)快—慢—快的上升趨勢(shì)?？扇苄缘鞍资羌?xì)胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含量的高低可反映植物抗寒能力的大小[15]。研究發(fā)現(xiàn)，可溶性蛋白在低溫脅迫初期，其合成量增加，提高了植物對(duì)低溫的適應(yīng)性，但是脅迫時(shí)間到達(dá)一定界限其含量逐漸降低。馬娟[16]對(duì)8種常綠闊葉樹的生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)各樹種的可溶性蛋白含量隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增加后降低的趨勢(shì)，說明植物在低溫脅迫初期可通過增加可溶性蛋白含量來提高自身的滲透調(diào)節(jié)能力，但若植物較長(zhǎng)時(shí)間處于低溫度的環(huán)境條件下，會(huì)逐漸超過植物所能忍受低溫的閾值，會(huì)阻礙植物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成，其含量開始慢慢減少。

脯氨酸(Proline，Pro)是衡量植物抗寒性的重要生理指標(biāo)之一，普遍以游離狀態(tài)存在于植物體內(nèi)。正常條件下，植物體中Pro含量很低，但含量在低溫脅迫下能夠被誘導(dǎo)[17-18]。研究發(fā)現(xiàn)，Pro含量與植物抗寒能力大小呈正相關(guān)。如宜昌楠(Machilus ichangensis)經(jīng)3個(gè)不同溫度的低溫處理后，葉片中Pro大量累積，并且隨著低溫脅迫溫度的降低而呈顯著上升趨勢(shì)[19]。同樣，茄子(Solanum melongena)在低溫脅迫后Pro含量增加，增加幅度與品種的抗寒能力呈正相關(guān)[20]。但是也有人認(rèn)為，在低溫條件下，抗寒性弱的植物品種會(huì)立刻積累大量Pro來減少低溫對(duì)植物的傷害，其中Pro含量高峰較晚出現(xiàn)的植物品種，抗寒性較強(qiáng)[21]。同時(shí)有人認(rèn)為Pro含量的多少與低溫脅迫程度沒有關(guān)系。如楊亞軍對(duì)茶樹(Camellia sinensis)抗寒性進(jìn)行相關(guān)研究，認(rèn)為茶樹體內(nèi)Pro含量變化是適應(yīng)外界條件變化而做出的一種綜合反應(yīng)，難以證明Pro含量與抗寒力之間的關(guān)系[22]。

2.2 丙二醛含量變化

丙二醛(malondialdehyde，MDA)是膜脂過氧化產(chǎn)物之一，能夠鑒定細(xì)胞膜是否被破壞[23]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)丙二醛的含量逐漸增加，但是當(dāng)脅迫到一定時(shí)間后，丙二醛的含量會(huì)降低[24]。如鄧仁菊的研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下火龍果(Hylocereus undatus)的MDA含量隨低溫處理時(shí)間的延長(zhǎng)呈逐漸增加的趨勢(shì)[25]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)MDA的含量增加幅度與植物抗寒性呈負(fù)相關(guān)。李剛等[26]發(fā)現(xiàn)深冬期間木科樹種的丙二醛含量均顯著升高，其抗寒性較強(qiáng)樹種MDA含量增幅較小，而增幅較大的樹種，抗寒性則較弱。目前，植物組織中MDA含量已被作為評(píng)價(jià)細(xì)胞膜脂過氧化程度和植物抗寒性強(qiáng)弱的重要參考依據(jù)[27]。

2.3 保護(hù)酶系統(tǒng)

過氧化物酶(peroxidase,POD)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)以及過氧化氫酶(catalase,CAT)均對(duì)植物體內(nèi)活性氧和其他過氧化物自由基具有清除作用，其活性大小在一定程度上與植物抗寒性有關(guān)[6]。有研究表明，低溫下冷敏感品種抗氧化酶活性變化小于耐寒性品種[28]。如白靜[29]對(duì)抗寒性不同的甘藍(lán)型冬油菜進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)低溫處理后，抗寒性強(qiáng)的品種SOD、POD、CAT活性增加幅度高于抗寒性弱的品種。也有研究表明在低溫脅迫條件下抗氧化酶活性有先增后降的趨勢(shì)[30]。如蒲媛媛等[31]以隴油6號(hào)（耐寒性品種）和抗天油4號(hào)（冷敏感品種）為試驗(yàn)材料，測(cè)定了其SOD活性與抗寒性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩品種在低溫處理后SOD活性均呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。姜春寧等[32]對(duì)廣東含笑(Michelia guangdongensis)研究發(fā)現(xiàn)，POD活性在低溫脅迫下也呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，SOD含量顯著上升。

此外，還有研究指出，抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate reductase,APX)和谷胱甘肽(glutathione,GSH)的活性變化同植物抗寒性之間存在著相關(guān)性[33-34]。王萍等[35]對(duì)兩種抗寒性不同的杏(Armeniaca vulgaris)進(jìn)行8種不同程度低溫處理，結(jié)果表明，在低溫脅迫下APX活性高出對(duì)照最多的杏品種是抗晚霜能力最強(qiáng)。高俊杰等[36]對(duì)黃瓜(Cucumis sativus)抗冷性的分子機(jī)制研究結(jié)果表明，葉片中的GSH含量升高是嫁接苗抗冷性強(qiáng)的原因之一。有關(guān)保護(hù)酶活性在植物體內(nèi)變化的研究表明，保護(hù)酶在同一種植物不同低溫處理水平和條件下其活性變化不一樣。一般情況下，在低溫脅迫下耐寒植物保護(hù)酶的活性表現(xiàn)為先升后降，有的活性略有增高，而不耐寒的植物其活性表現(xiàn)為持續(xù)下降的趨勢(shì)。

2.4 光合作用

低溫對(duì)植物氣孔導(dǎo)度、光合器官的結(jié)構(gòu)、光合電子傳遞和參與光合作用的酶活性等方面產(chǎn)生影響[37-39]。研究揭示，當(dāng)溫度下降后，油棕(Elaeis guineensis)幼苗的蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率以及胞間CO2濃度等均呈下降趨勢(shì)[40]。大量研究表明，低溫通過誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉而降低植物凈光合速率。其潛在機(jī)理是植物體內(nèi)活性氧代謝失調(diào)而破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，CO2擴(kuò)散阻力增大，光合色素含量降低，光合產(chǎn)物的運(yùn)輸受到抑制，同時(shí)低溫影響光合作用暗反應(yīng)酶系統(tǒng)[39-41]。如低溫脅迫增加果蔗(Saccharum officinarum)細(xì)胞之間氣孔限制值，而Gs、Tr和Pn卻顯著下降，表明光合效率受低溫的影響程度較大[42]。有研究發(fā)現(xiàn)植物光合色素含量的變化和光合作用的降低有密切關(guān)系，因葉綠素是植物光合作用過程中接收能量和轉(zhuǎn)換能量的關(guān)鍵色素，而葉綠素生物合成相關(guān)酶的活性受低溫影響，進(jìn)而使其合成減慢、分解加快、并使其結(jié)構(gòu)受到破壞[43]。如王搖寧等[44]在越冬初期對(duì)油樟(Cinnamomum longipaniculatum)和芳樟(Cinnamomum camphora)的生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)油樟對(duì)低溫的適應(yīng)能力大于芳樟，但在相同溫度下，油樟Fv/Fm與葉綠素含量的下降趨勢(shì)小于芳樟，且芳樟葉綠素變幅大于油樟。

3 低溫脅迫下內(nèi)源激素的變化

低溫可誘導(dǎo)植物體內(nèi)激素活性和含量發(fā)生改變，進(jìn)而對(duì)植物的生長(zhǎng)代謝過程產(chǎn)生影響。脫落酸(abscisic acid，ABA)在低溫等逆境脅迫中發(fā)揮重要作用，是抵御非生物脅迫的一種天然激素[45]。擬南芥和水稻在低溫下葉片中ABA含量顯著增加[46]。此外，ABA可使植物含水量降低，促進(jìn)可溶性糖類及總酚含量的積累，從而提高植物的抗寒能力[47]。最早發(fā)現(xiàn)與抗寒有關(guān)的激素是赤霉素(gibberellin，GA)，研究發(fā)現(xiàn)CRT/DRE轉(zhuǎn)錄相關(guān)基因的表達(dá)與GAs有關(guān)。如研究CBF1和赤霉素的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)CBF1的組成型表達(dá)可使赤霉素活性減少。且赤霉素參與光信號(hào)的傳導(dǎo)，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物和蛋白質(zhì)的積累，誘導(dǎo)鈣依賴性蛋白激酶基因的表達(dá)等過程[48-49]。另外，赤霉素能增強(qiáng)植物細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，提高葉片的保水能力[50]。水楊酸(Salicylic acid,SA)是內(nèi)源小分子酚類化合物普遍存在于植物體內(nèi)，低溫條件下其含量顯著增加，若SA濃度過高對(duì)植物生長(zhǎng)不利，而低濃度SA對(duì)細(xì)胞膨大和生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用[51]。并且SA在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中也發(fā)揮重要作用，參與到植物低溫脅迫的應(yīng)答過程[52]。此外，在低溫脅迫下，SA可以清除活性氧，是通過提高非酶類抗氧化物質(zhì)的含量和抗氧化酶活性來調(diào)控脅迫響應(yīng)[53]。內(nèi)源生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)茉莉酸(Jasmonic Acid，JA)，是一種非常重要的植物信號(hào)分子，抗性基因表達(dá)可被JA介導(dǎo)的信號(hào)傳遞途徑所誘導(dǎo)。JA與CBF相互作用共同調(diào)節(jié)下游的冷響應(yīng)基因，從而增強(qiáng)植物耐冷性[54]。此外，JA含量的提高能夠增加CAT、SOD、和APX等活性，從而增強(qiáng)植物耐寒性[55]。

4 低溫信號(hào)感知與傳遞

植物感受低溫的機(jī)制并沒有明確的定論，但細(xì)胞膜是普遍認(rèn)為感受溫度的初始位置，而溫度的次級(jí)感受器有鈣離子通道(Ca2+channel)、組蛋白激酶(histidine kinase)和磷脂酶(phosoholipase)等[56]。各個(gè)組件在葉綠體中感受到低溫信號(hào)后，通過代謝消耗與能量轉(zhuǎn)變而傳遞低溫信號(hào)[57]。在水稻中與冷響應(yīng)相關(guān)的COLD1(chilling tolerance divergence1)是一種定位于細(xì)胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的跨膜蛋白。冷處理時(shí)，COLD1與α-異源三聚體G蛋白的RGA1(rice G-protein α subunit1)亞基互作誘導(dǎo)胞內(nèi)鈣離子濃度升高，促進(jìn)下游COR基因的表達(dá)，因此COLD1被認(rèn)為是一個(gè)低溫感受器[58]。植物除了對(duì)溫度直接的感應(yīng)機(jī)制外，還可利用間接機(jī)制來感受復(fù)雜波動(dòng)的溫度信號(hào)。如NTL8蛋白在低溫條件下緩慢積累且穩(wěn)定性高，從而使VIN3的表達(dá)緩慢上調(diào)。但在相同條件下NTL8的表達(dá)并沒有被誘導(dǎo)。在正常溫度下，研究者為抑制植物生長(zhǎng)而進(jìn)行多種不同處理，發(fā)現(xiàn)NTL8蛋白在各種處理下均有不同程度的積累[59]。

在受到低溫刺激后，Ca2+作為第二信使其濃度迅速增加，將冷信號(hào)傳遞到細(xì)胞體內(nèi)，并對(duì)下游一系列基因的表達(dá)具有激活作用[60-62]。鈣離子通過與鈣依賴性蛋白激酶(CDPKs)、鈣調(diào)蛋白(CaMs)、互作蛋白激酶(CIPKs)和類鈣調(diào)磷酸酶B蛋白(CBLs)等發(fā)生相互作用傳遞冷信號(hào)[63]。離子載體和Ca2+通道激動(dòng)劑的激活引起Ca2+的迅速流入，導(dǎo)致冷敏感特異性基因被激活表達(dá)[64]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，鈣信號(hào)途徑中的鈣調(diào)素(CAM)結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活子CAMTAs(Calmodulin-binding transcription activators)具有保守的CAM結(jié)合位點(diǎn)，可通CBFs激活表達(dá)正調(diào)控抗凍性[65]。其中，CAMTA1-5正調(diào)控CBF1和CBF2的表達(dá)，而且在溫度快速降低進(jìn)程中CAMTA3和CAMTA5調(diào)控CBF1的表達(dá)[66]。這些結(jié)果確立了CAMTAs蛋白在低溫中的作用，表明CAMTAs是連接Ca2+和CBFs表達(dá)的重要樞紐。

ICE-CBF-COR信號(hào)通路是由多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子參與并起關(guān)鍵調(diào)控作用的低溫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[67]。ICE1與CBF基因的啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合激活表達(dá)，從而介導(dǎo)植物的抗寒性[68]。低溫信號(hào)對(duì)ICE1基因轉(zhuǎn)錄不具有調(diào)控作用，但E3連接酶HOS1(high osmotic expression1)參與ICE1泛素化并通過26S蛋白酶途徑降解，從而影響ICE1蛋白的穩(wěn)定性[69]。研究發(fā)現(xiàn)，OST1激酶(open stomata1)的活性能被低溫快速誘導(dǎo)，ICE1和激活狀態(tài)的OST1互作使ICE1蛋白磷酸化，提高其與CBF3啟動(dòng)子區(qū)域的結(jié)合能力和ICE1的穩(wěn)定性[70]。也有研究發(fā)現(xiàn)OST1使BTF3L和BTF3磷酸化，并促進(jìn)它們與CBF相互作用，以提高冷脅迫下CBF的穩(wěn)定性[71]。在擬南芥中，JAZ1和JAZ4的Jas域與ICE1蛋白C末端域互作，抑制ICE1活性。在遭受低溫脅迫時(shí)，JAZ蛋白因JA含量增加激活JA信號(hào)而降解，從而解除ICE1受JAZ的抑制作用，提高低溫耐受能力[72]。

MAPK級(jí)聯(lián)信號(hào)傳遞通路于低溫響應(yīng)中起著重要作用，包含MAPKKK(MAP3K或MEKK)、MAP2K(MKK或MEK)和MAPK三類激酶[73]。對(duì)于低溫的耐受性其主要通過ICE1-CBF-COR信號(hào)通路發(fā)揮作用。此外，MEKK1-MEK2-MPK4級(jí)聯(lián)信號(hào)通過拮抗MKK4/5-MPK3/6通路正向調(diào)控CBF表達(dá)[74-75]。OsPP2C27是水稻耐寒性研究中發(fā)現(xiàn)一種新的2C型蛋白磷酸酶，對(duì)OsMAPK3-OsbHLH002-OsTPP1通路具有負(fù)調(diào)節(jié)作用，從而阻止冷脅迫正向通路的持續(xù)激活，使植物在低溫條件下可以維持正常生長(zhǎng)[76]。但是，也有人揭示ICE1與MPK3/MPK6激酶結(jié)合并對(duì)ICE1進(jìn)行磷酸化，降低了ICE1的轉(zhuǎn)錄活性和穩(wěn)定性，從而對(duì)CBF的表達(dá)起著負(fù)向調(diào)節(jié)作用[74]。這些研究表明，在不同物種的耐寒性中MAPK3發(fā)揮著不同的作用，并且MAPK是冷信號(hào)的重要轉(zhuǎn)導(dǎo)器。

5 低溫脅迫下植物的分子調(diào)控機(jī)制

植物抗寒性是受多基因控制的復(fù)雜性狀，如COR[77]、ICE[78]、CBF[79-80]、GPAT[81]、NAC、MYB、WRKY、Dof和bZIP等均在植物響應(yīng)低溫脅迫和提高抗寒性中發(fā)揮著重要作用。

5.1 CBF基因

CBF是一類含AP2/EREF結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子，也被稱為DREB(Dehydration responsive element binding protein)[82-83]。存在擬南芥、小麥、茶樹(Camellia sinensis)等多種植物中[84-86]。研究表明，CBF表達(dá)水平在myb15缺失突變體中呈上升趨勢(shì)，低溫的耐受方面，突變體也顯著增強(qiáng)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，CBF啟動(dòng)子與MYB15直接結(jié)合并負(fù)調(diào)控CBF的表達(dá)[87]。研究發(fā)現(xiàn)CBF基因的表達(dá)受U-boxE3連接酶PUB25/26動(dòng)態(tài)調(diào)控，從而正調(diào)控植物的抗凍性。低溫信號(hào)中的負(fù)調(diào)節(jié)因子MYB15和PUB25/26相互作用，并多聚泛素化MYB15，導(dǎo)致在低溫處理早期MYB15被泛素化降解，從而對(duì)低溫下CBFs的表達(dá)具有正向調(diào)控作用并提高植物的抗凍性[88]。大量研究表明，DHN（脫水蛋白）、COR（冷誘導(dǎo)基因）、LTI（低溫誘導(dǎo)）和RD（響應(yīng)脫水）等基因在低溫下受CBFs調(diào)控表達(dá)，植物抵抗低溫的能力可通過調(diào)節(jié)這類基因的表達(dá)而提高；此外，CBFs之間也可以相互作用，確保其能準(zhǔn)確調(diào)控下游抗性基因的表達(dá)，增強(qiáng)植物在低溫下的耐受力[89-90]。如擬南芥CBF1、CBF2、CBF3的轉(zhuǎn)錄水平在低溫條件下迅速提高，促進(jìn)了COR的表達(dá)，說明COR的表達(dá)較CBF晚[91]。通過CBF與抗凍相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)域的順式作用元件相結(jié)合，也可調(diào)節(jié)抗凍相關(guān)基因的表達(dá)，如COR15a、COR47、COR6.6、COR78等以此方式提高植物的抗寒性[92]。在擬南芥中，過表達(dá)VrCBF1和VrCBF4，會(huì)提高AtCOR15a、AtCOR47及AtCOR6.6的表達(dá)，同時(shí)還正調(diào)控AtICE1的表達(dá)，增強(qiáng)植株的抗寒性[93]。另外，CBF啟動(dòng)子的上E－box和G－box在低溫和黑暗條件下，同光敏色素互作因子(Phytochromeinteracting factors，PIF)PIF3結(jié)合能阻礙CBF的轉(zhuǎn)錄，從而增加植物對(duì)低溫的敏感度[86]。

5.2 COR基因

植物冷誘導(dǎo)基因(COR)是由冷脅迫調(diào)節(jié)的一類基因，僅在特定些條件下COR才能被激活來產(chǎn)生冷調(diào)節(jié)蛋白，例如低溫、短日照等條件，從而提高了植物的耐冷性[94]。同時(shí)生物大分子和多種蛋白質(zhì)影響著COR的表達(dá)，例如碳水化合物、抗氧化劑、參與呼吸的酶和抗凍蛋白的代謝等[78]。目前已從擬南芥、菠菜(Spinacia oleracea)和油菜(Brassica napus)等植物中鑒定出約有上百種冷誘導(dǎo)基因[95]。COR15a是研究最多、重要的一個(gè)冷相關(guān)基因。Sahim-cev-ikm和Moore發(fā)現(xiàn)枳(Poncirus trifoliata)CORc115和溫州蜜柑(Citrus unshiu)COR19都富含賴氨酸豐富區(qū)，并且高度同源。在柑橘類果樹中，溫州蜜柑屬于抗寒性較強(qiáng)的品種，枳屬于抗寒性極強(qiáng)的品種。在低溫脅迫下，均有COR19類似蛋白的表達(dá)，表明該基因與溫州蜜柑的抗寒性相關(guān)[96]。最近的研究顯示，HOS15與HD2C互作對(duì)CORs(COR47和COR15A)進(jìn)行激活表達(dá)[97]。在正常溫度下，HOS15-HD2C復(fù)合體與CORs啟動(dòng)子結(jié)合，通過誘導(dǎo)CORs染色質(zhì)去乙?；种票磉_(dá)。HOS15在低溫脅迫下通過激活E3連接酶CUL4(CULLIN4)對(duì)HD2C進(jìn)行泛素化降解，從而增強(qiáng)CBFs與CORs啟動(dòng)子的結(jié)合能力[98]。

5.3 MYB

MYB轉(zhuǎn)錄因子大家族，在植物的低溫脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。如Shingote等[99]從耐低溫甘蔗(Saccharum officinarum)中分離得到一個(gè)單重復(fù)MYB轉(zhuǎn)錄因子SsMYB18，將SsMYB18轉(zhuǎn)入到煙草中，顯著增強(qiáng)了煙草株系對(duì)低溫脅迫的耐受性。脂轉(zhuǎn)移蛋白基因LTP3受MYB96正調(diào)控，而植物體內(nèi)積累的LTP3蛋白有利于減輕低溫脅迫危害[100]。MYB96能夠誘導(dǎo)HHP蛋白合成，HHP蛋白反過來與CBF基因上游的調(diào)控因子結(jié)合，下游相關(guān)基因被激活表達(dá)，提高植物抗寒能力[101]。然而，也有研究指出，脅迫信號(hào)分子能夠抑制一些MYB基因的表達(dá)，說明在植物應(yīng)激反應(yīng)中MYB轉(zhuǎn)錄因子具有雙向作用[102]。例如水稻OsMYBS3和香蕉(Musa.nan Lour.)MpMYBS3在低溫脅迫下會(huì)抑制DREB1/CBF的表達(dá)[103-104]。綜上所述，在植物體內(nèi)MYB轉(zhuǎn)錄因子積極參與低溫脅迫的應(yīng)答，越來越多的證據(jù)支持MYB是提高植物抗寒能力的重要轉(zhuǎn)錄因子。

5.4 其他基因

參與植物低溫應(yīng)答調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子還有WRKY、bHLH、ZFP、NAC、CAMTA、VOZ及EIN3等。WRKY轉(zhuǎn)錄因子是植物中極為重要且有價(jià)值的調(diào)控蛋白家族[105]。WRKY轉(zhuǎn)錄因子能夠正向或反向調(diào)控下游相關(guān)基因，在多種植物生化過程中發(fā)揮著重要作用[106-107]。研究表明，WRKY基因的表達(dá)受干旱、冷害、乙烯、H2O2、以及脫落酸的誘導(dǎo)[108-111]。植物bHLH轉(zhuǎn)錄因子的功能主要體現(xiàn)在抗逆性方面[112]。在低溫信號(hào)傳導(dǎo)過程中水稻OsbHLH1基因起到轉(zhuǎn)錄調(diào)控的作用[113]。Huang等[114]從枳中分離出一個(gè)bHLH轉(zhuǎn)錄因子PtrbHLH，PtrbHLH表達(dá)量能夠影響檸檬(Citruslimon)寒耐性，表達(dá)量越高其耐寒性越強(qiáng)，而通過RNAi技術(shù)抑制PtrbHLH的枳對(duì)低溫敏感。同時(shí)Huang等[115]在煙草(Nicotiana tabacum)和檸檬中發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)PtrbHLH正向調(diào)節(jié)POD介導(dǎo)的活性氧清除過程，從而增強(qiáng)了轉(zhuǎn)基因植株的抗寒能力。NAC轉(zhuǎn)錄因子是植物生長(zhǎng)發(fā)育和非生物脅迫的重要調(diào)控因子，其生物學(xué)功能多種多樣，為植物所特有。

5.5 翻譯后修飾

目前，關(guān)于翻譯后修飾的研究報(bào)道不多，其有甲基化、泛素化、磷酸化等修飾。泛素化修飾是一種蛋白質(zhì)翻譯后修飾，參與細(xì)胞周期、DNA修復(fù)、蛋白酶體降解、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等過程[116]。研究表明，蘋果MYB30相互作用連接酶(MYB30-INTERACTING E3 LIGASE 1，MdMIEL1)與轉(zhuǎn)錄因子MdMYB308L互作，促進(jìn)MdMYB308L的泛素化降解，從而負(fù)調(diào)控蘋果的抗寒性[117]。泛素化過程多數(shù)伴隨磷酸化過程。如低溫使OST1激酶活性激活，PUB25/26被激活的OST1磷酸化，增強(qiáng)PUB25/26的E3活性，促進(jìn)其對(duì)MYB15蛋白的泛素化降解，從而正調(diào)控低溫下CBFs的誘導(dǎo)表達(dá)和植物抗寒性[89]。植物細(xì)胞內(nèi)有超過1/3的蛋白在遭遇非生物脅迫時(shí)都會(huì)發(fā)生磷酸化修飾，由磷酸化介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在植物環(huán)境脅迫防御機(jī)制的調(diào)控中發(fā)揮著重要作用[118-119]。目前，DNA甲基化是研究的最清楚、最重要的一種修飾方式。在植物克服低溫脅迫過程中，DNA甲基化程度發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，且在低溫處理后不同類型的植物甲基化結(jié)果不盡相同。Mayer等[120]對(duì)4個(gè)不同品種大麻(Cannabis sativa)甲基化在低溫馴化后的程度研究表明，其中一個(gè)品種甲基化程度不明顯，另一個(gè)品種在整個(gè)馴化過程中一直保持上升趨勢(shì)，然而其余兩個(gè)品種呈降低趨勢(shì)。此外，小RNA等表觀遺傳信息影響DNA甲基化[121]。如對(duì)小葉楊(Populus simonii)極端低溫脅迫研究發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化控制大量miRNA參與植物抗逆調(diào)節(jié)[122]。遺傳研究表明，DNA甲基化模式能夠連續(xù)且穩(wěn)定的遺傳給后代。在擬南芥中發(fā)現(xiàn)每一代都是穩(wěn)定遺傳的甲基化區(qū)域超過99.99%，自發(fā)形成的表觀等位基因非常稀少[123]。

6 展望

近年來，植物低溫脅迫機(jī)理研究取得了較大進(jìn)展，但仍有一些亟待解決問題。低溫破壞植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，特別是對(duì)細(xì)胞膜的損壞較嚴(yán)重，并且多數(shù)研究低溫對(duì)植物傷害都集中在葉肉細(xì)胞上，而對(duì)于根，花，果實(shí)等細(xì)胞的研究較少。因此，在今后研究中，可對(duì)植物各個(gè)部分的細(xì)胞進(jìn)行綜合研究，探尋其中的聯(lián)系。低溫使植物的生理結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，同時(shí)一些滲透調(diào)節(jié)和抗氧化酶類等物質(zhì)的含量也相應(yīng)的發(fā)生改變，并且不同植物具有不同的低溫響應(yīng)機(jī)理，單一指標(biāo)評(píng)價(jià)植物抗寒性是不全面，不準(zhǔn)確的。因此對(duì)于低溫脅迫下植物的生理響應(yīng)機(jī)制和抗寒性相關(guān)方面必須加大研究力度，同時(shí)針對(duì)植物的生長(zhǎng)、生理特性不同角度選擇合適指標(biāo)，從而增強(qiáng)該植物對(duì)低溫的抵抗能力，并且可以對(duì)不同植物的冷敏感度進(jìn)行有效地綜合評(píng)價(jià)，為耐寒性強(qiáng)的植物的種質(zhì)資源的選育提供基礎(chǔ)。然而，植物抗低溫分子機(jī)理研究還處于初級(jí)階段，特別是信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及調(diào)控基因研究還不夠深入，大多數(shù)研究都是圍繞ICE-CBF-COR及Ca2+信號(hào)通路進(jìn)行。其次，抵抗低溫的分子機(jī)理研究大多是圍繞著單個(gè)基因進(jìn)行研究，而植物的抗低溫是由多個(gè)基因控制的，應(yīng)該結(jié)合多個(gè)相關(guān)基因進(jìn)行系統(tǒng)的研究。除已明確的COR、CBF、MYB、WRKY、bHLH等外可能還存在著其他有關(guān)基因未被發(fā)現(xiàn)。對(duì)于轉(zhuǎn)錄因子的探討，目前主要聚焦在轉(zhuǎn)錄水平上，但對(duì)mRNA的首尾修飾、mRNA的剪接、rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工等轉(zhuǎn)錄后修飾以及泛素化、甲基化、磷酸化等翻譯后修飾的研究較薄弱，而它們?cè)谡{(diào)控低溫脅迫的機(jī)制中發(fā)揮著非常重要的作用。因此，要加強(qiáng)低溫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的研究，探究在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中涉及的各種中間體，明確信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的具體途徑及其相互關(guān)系，并著重研究轉(zhuǎn)錄后修飾和翻譯后修飾在抵御低溫過程中的具體作用機(jī)制。另外，植物的抗低溫性研究大多集中在園藝作物上，關(guān)于木本植物在低溫脅迫方面的報(bào)道較少，特別是對(duì)觀賞植物抗寒機(jī)理的研究則是更少。但隨著現(xiàn)在人們生活水平的提高，對(duì)于觀賞植物喜愛熱度快速日漸增長(zhǎng)，因此觀賞植物的抗低溫性機(jī)理研究以及提高觀賞植物抗低溫能力也將是今后重要的研究方向。

表1 低溫脅迫下相關(guān)基因被發(fā)現(xiàn)的植物

綜上所述，在低溫脅迫下，植物的各方面的響應(yīng)和抗寒機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜而多變的過程，需要繼續(xù)深入進(jìn)行研究，要多角度、多方面、多空間去發(fā)現(xiàn)和解決問題，單從一個(gè)角度去探討植物的抗寒機(jī)理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，且可在植物細(xì)胞、生理特性、分子機(jī)理等研究基礎(chǔ)上，對(duì)逆境中植物發(fā)出的各種響應(yīng)，以及植物受環(huán)境脅迫的影響進(jìn)行綜合分析，全面探討植物產(chǎn)生抗低溫脅迫的機(jī)制。