禾本科响应非生物胁迫研究进展

史梦梦，王玉泉，郑兴卫

（1.山西大学生物工程学院，山西 太原 030006；2.河南科技学院小麦中心，河南 新乡 453003；3.山西省农业科学院小麦研究所，山西 临汾 041000）

干旱、高盐、冷害和高温等非生物胁迫严重制约了作物的正常生长和产量提高，是造成作物减产的主要因素之一[1]。非生物胁迫会诱发植物一系列分子、生化和生理的变化，包括渗透物质积累、光合作用降低、气孔关闭和胁迫应答基因的表达[2]。干旱、高温和盐胁迫会引起植物脱水，导致细胞质和液泡体积的减小[3]；还会产生活性氧（ROS），破坏生物膜、蛋白质和DNA，甚至使光合速率和效率下降，萎蔫，进而引发细胞程序性死亡[4]。低温胁迫除了会造成细胞活性氧含量增加及光合作用下降[5]外，还会引起低温敏感植物的生殖器官结构和功能异常，导致受精失败[6]。

植物感知和应答非生物胁迫是一个较复杂的过程，有多个基因、多信号转导途径及多基因表达产物参与其中[7]。发挥作用的因素主要包括ROS清除酶系统[8]、蛋白激酶、膜转运蛋白[9]、ABA、转录因子、miRNA[1]等。

禾本科（Poaceae）包括许多重要的农作物：水稻（Oryza sativa）是全球1/2以上人口的重要粮食来源[10]；玉米（Zea mays）是世界主要的粮食和饲料作物之一；小麦（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、耐盐碱等特性，是我国干旱、半干旱地区重要的粮食作物和能源作物[11]。1980—2008年间的气候变化导致了不同作物，包括禾本科，显著的产量损失：水稻在我国和其他发展中国家大幅度减产；全球玉米和小麦产量分别下降了3.8%和5.5%[12]。这些数据显示了研究禾本科作物抗逆生理的重要性。在本研究中，山西省农业科学院小麦研究所小麦细胞工程与分子育种课题组将针对禾本科作物在干旱、高盐、低温和热胁迫下的应答机制来概述禾本科胁迫生理学领域的最新进展。

1 抗氧化系统在禾本科作物抵抗逆境中的作用

非生物胁迫导致的活性氧（ROS）积累是引起粮食作物减产的主要原因之一[13]。植物体需要通过增强抗氧化系统来清除胁迫引起的ROS积累，抗氧化系统包括可能在植物ROS水平调节过程中发挥作用的各种酶类和非酶类代谢物。LANDI等[14]概括了多种禾本科植物中参与非生物胁迫的相关基因。

在拟南芥中表达圆锥小麦超氧化物歧化酶基因TdMnSOD，促进了脯氨酸积累，降低了H2O2含量，使转基因拟南芥提高了对多种非生物胁迫的耐受性[15]。小麦钙网联蛋白基因Ta CRT1在Ca2+信号传导和蛋白质折叠中起重要作用，在烟草中过量表达TaCRT1后，相对于野生型耐盐性增强[16]。

RAVET等[17]研究发现，干旱、高盐和其他胁迫诱导了拟南芥铁蛋白基因（Ferritin）的表达。小麦铁蛋白基因TaFER-5B转化的拟南芥植株和过表达小麦植株均表现出较低的和H2O2积累，增强了植株的耐热性和抗旱性[18]。这些结果同时表明，当单子叶植物的抗逆基因在双子叶植物中异源表达时，可以增强植株的抗逆性。

ROS清除系统在改善水稻非生物胁迫耐受性方面也发挥了重要作用。CUI等[19]研究发现，水稻OsSGL基因编码一个DUF1645家族蛋白，将该基因转化拟南芥，并在水稻中过表达，结果发现，转基因植株的耐旱性增强。RNA-Seq结果显示，过表达OsSGL水稻中几种ROS响应基因的表达量上调，从而将OsSGL的抗旱功能与ROS清除系统相关联。

在禾本科中，多种转录因子可以通过调控活性氧清除机制提高植株对非生物胁迫的抗性。YANG等[20]研究发现，在水稻中超量表达R2R3型MYB转录因子，可以增强过氧化物酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶等ROS清除相关基因的表达，能显著增强植株对低温胁迫的抗性。在干旱条件下，将短柄草BdWRKY36基因在烟草中过量表达，发现与野生型相比，ROS清除相关酶基因表达上调，表明WRKY转录因子在干旱胁迫下对抗氧化系统起调控作用[21]。

2 质膜蛋白在禾本科作物逆境生理中的作用

从细胞水平来看，物质跨膜运输是植物细胞生长与代谢的基础，质膜与细胞壁一起成为细胞感知和应答外界信号的屏障。质膜蛋白（plasma membrane）构成质膜的基本结构，是质膜行使防御功能的基础。关于植物非生物胁迫诱导质膜蛋白质组学，以及相关基因的克隆和功能分析已有大量报道。邱丽丽等[22]整合分析了植物质膜响应逆境的蛋白质组学研究，揭示了质膜蛋白在植物应答逆境胁迫中的重要作用。

利用蛋白质组学，在禾本科植物如水稻、小麦、玉米中已鉴定出一系列非生物胁迫响应的质膜相关蛋白。水稻中鉴定出8个盐胁迫相关的质膜蛋白，分别作用于以下几方面：质膜泵和通道，膜结构，氧化胁迫防御，信号转导，蛋白质折叠和甲基循环[23]。冷胁迫下，从水稻根部鉴定出12个质膜蛋白[24]。在玉米根部，盐胁迫能够使大部分水通道蛋白（aquaporins）的表达量在转录水平降低[25]。对逆境下根系的蛋白质组研究表明，在干旱、高盐和低温胁迫条件下，跨膜的水或离子通道蛋白的丰度会更高，表明离子或渗透压平衡发生了变化[26]。

在抗逆分子调控领域，越来越多的质膜蛋白基因功能被验证。小麦质膜蛋白基因TaPM19-1在洛旱2号中受干旱、高盐和高温胁迫诱导，但在中国春中不响应高盐和高温胁迫，预示着该基因在洛旱2号和中国春中可能存在不同的转录调节机制[27]。盐胁迫中，大麦（Hordeum vulgare L.）HvPIP2/1 基因在根中表达量下降，在茎中表达量上升[28]。

RLKs基因家族是丝/苏氨酸蛋白激酶，是一类重要的质膜蛋白，作为信号分子的受体，通过磷酸化和去磷酸化调控下游靶基因的表达[29]。RLK基因在作物中应对多种非生物胁迫响应过程也发挥了重要作用[7]。在水稻中过表达OsSIK1基因，在干旱和盐胁迫下，植株体内超氧化物歧化酶水平升高，从而增强转基因植株抗逆性[30]。LRR型类受体蛋白激酶OsRPK1基因在根系皮质细胞的质膜上表达，且表达量受低温、干旱和ABA等因素诱导[31]。李倩[32]克隆了玉米ZmRLK基因并转化拟南芥，结果表明，过表达ZmRLK能提高植株对冷胁迫的耐受能力。

为控制质膜蛋白在细胞膜上的丰度和活性，质膜蛋白同样受到转录因子的调控。YOKOTANI等[33]研究结果表明，超量表达水稻OsWRKY76转录因子上调了抗氧化相关酶及脂质转运蛋白基因的表达，增强了对质膜的保护，转基因植株对冻害的耐受性提高。

3 miRNA在禾本科作物响应逆境胁迫中的作用

MicroRNA（miRNA）是一类长度为 19～24 nt的小分子非编码RNA，通过降解靶基因途径，在转录后水平调控相关靶基因的表达，广泛参与到植物生长、发育及逆境胁迫应答等重要过程[34]。

构建miRNA文库、直接克隆深度测序、生物信息等研究植物逆境胁迫相关miRNA的主要方法[35]。继拟南芥之后，禾本科作物如水稻、小麦和玉米中克隆得到了大量miRNA。KANTAR等[36]利用miRNA芯片从野生二粒小麦（Triticum dicoccoides）中筛选与干旱胁迫相关的miRNA，该研究得到了13个miRNAs，其中8个在胁迫后表达量上调，可能参与关闭某些正常的代谢通路以节水达到对细胞的保护。在这些上调的miRNA中，miR156已被证明参与拟南芥负调控植物生长和开花过程，并在干旱胁迫中发挥作用。同样，在小麦受到高温胁迫时，miR156表达量表现上调[37]。miRNA474在拟南芥中不能被非生物胁迫诱导，然而在野生二粒小麦和玉米中，均表现为干旱胁迫下上调，靶向于脯氨酸脱氢酶（PDH），降低PDH活性从而积累脯氨酸维持渗透平衡[38]。

miRNA芯片可以对所有已知的miRNA进行不同逆境胁迫下的miRNA表达变化的研究，再通过生物信息学和高通量测序、免疫共沉淀等技术对靶基因进行预测，从而高通量、准确地寻找与农作物逆境胁迫有关的miRNA及其靶基因，为作物逆境胁迫开拓了新的研究方向。

4 结语

非生物胁迫严重制约禾本科作物的生长和产量，很有必要对作物的抗胁迫机制进行阐述[39]。抗氧化系统清除胁迫引起的ROS积累，质膜蛋白通过感知和传递胁迫信号调节植物抵御胁迫，逆境下miRNA调控靶基因的表达，三者在参与植物逆境胁迫中发挥了重要作用，有助于进一步理解作物对胁迫响应的生物学调控机制，同时也为作物耐逆、高产品种改良指明了新的方向。

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