水稻耐高温相关基因功能及其信号通路研究进展

钦 鹏，樊世军，高 鹏，李仕贵

（四川农业大学水稻研究所，成都 611130）

随着全球气候变暖加剧，高温热害已成为限制农作物产量形成的重要外在因素[1]。相关研究表明[2]：气温每升高1℃，小麦产量将下降6%，玉米下降约7.4%，水稻则下降3.2%。水稻是我国重要的粮食作物，也是全球一半以上人口的主食，我国主要的水稻产区常常在抽穗灌浆期因7月中旬至8月中下旬副热带高压影响遭遇持续极端高温天气，造成大面积减产甚至绝收[3]。因此，克隆一些重要的耐高温相关基因，解析分子机理并进一步挖掘其育种应用价值对水稻育种和粮食安全具有重要的理论价值和现实意义。

过高或过低的环境温度对水稻各个生长发育阶段均具有明显的影响，导致植株生长迟缓、花期延迟、小穗不育和米质变差等[2]。在细胞水平上，热胁迫会改变叶绿体结构，破坏光合系统，诱导胞内毒性蛋白积累和代谢紊乱等[4]。由于高温相关表型属于复杂的数量性状，且难以准确稳定评价，导致水稻耐高温分子机理研究较为缓慢。储成才和林鸿宣团队分别从高温对水稻生理变化和信号响应机理角度综述了水稻热胁迫研究进展[5-6]。本文在此基础上，着眼当前水稻耐高温领域相关研究工作，重点对关键的耐高温基因功能及其信号通路进行分类阐释，旨在总结该领域已有研究基础并对未来可能亟待开展的研究问题提出见解，为进一步揭示新的耐高温基因、明确分子机理并挖掘其育种应用奠定理论基础。

1 水稻耐高温相关基因研究

目前水稻中已克隆大量与高温相关基因，从基因功能上大致可将其分为5类，包括热激蛋白、热激转录因子、逆境相关转录因子、酶蛋白和其他相关蛋白（表1）。以下将对这些基因功能进行分类阐述。

表1 水稻耐高温基因分类Table 1 Classification of genes related to rice high temperature resistance

1.1 热激蛋白

热激蛋白又名热休克蛋白（HSPs，heat shock proteins），因最初在果蝇体内热诱导试验中被发现而得名。这类蛋白在植物中种类繁多且含量丰富，是目前发现的主要分子伴侣蛋白之一，在植物胁迫应激过程中帮助蛋白质正确折叠并协助其跨膜转移，对增强植物体胁迫承受能力具有重要的生物学意义。水稻中已报道该类蛋白约17个，它们多数仅被报道受到热激诱导，具体生物学功能尚未明确[8，12]。其中，OsHSP26.7被报道编码一个叶绿体定位的热激蛋白，在保护叶绿体免受高温和紫外线引起的氧化损害中发挥重要作用[51]；sHSP17.7是从热应激胁迫的水稻中分离出来的一个新的热激蛋白，过表达试验显示该基因表达量提升带来植株耐热性的显著提高[9]；HSA32和HSP101被证明相互作用形成正反馈调节环在转录后水平发挥作用，帮助水稻延长热锻炼效应形成高温记忆[10]。

1.2 热激转录因子

热应激转录因子（HSFs，heat stress factors）是热胁迫响应的调节枢纽，其负责在热应激过程中将信号转导并激活热激蛋白表达。序列同源比对发现水稻中至少存在25个热激转录因子，其中受到热激诱导的约13个（表1），但关于该类基因功能的研究尚缺乏深入探究，分子机制有待揭示[19]。其中OsHsfA2d被报道编码两种剪切异构体，分别在正常温度和高温胁迫下发挥功能，帮助细胞建立蛋白折叠平衡[16]；OsHsfA2e定位于细胞核并具有C端转录活性，在拟南芥中超表达该基因可以显著增强拟南芥耐受环境胁迫能力[17]；OsHsfA2a存在多个转录本，它们在水稻生长发育和胁迫应答过程中扮演重要角色[14]。

1.3 逆境相关转录因子

除HSF外，一些含逆境胁迫元件的转录因子也陆续被发现参与高温胁迫。OsDREB1B是一个AP2/EREBP转录因子，该基因同时受到低温和高温诱导表达，在拟南芥中表达后可以显著提高植株耐冷和耐热能力[20]；OsWRKY11编码一个含WRKY结构域的转录因子，在水稻中受到热胁迫诱导，用HSP101启动子启动OsWRKY11表达后转入水稻可以显著提升后代耐热性和耐旱性[21]；OsAREB1和OsbZIP60分别编码一个bZIP转录因子，二者均被发现受热胁迫诱导并作为正向调控因子对水稻耐高温具有重要贡献[22-23]；HYR是一个直接激活光合作用的关键调控因子，在干旱和高温胁迫下HYR可以调控下游碳代谢基因影响形态-生理程序以稳定水稻产量[26]；SNAC3作为一个NAC转录因子过表达会显著增强水稻抗高温能力，该基因介导活性氧代谢调控水稻胁迫耐受性[25]；OsMYB55作为R2R3-MYB转录因子调控氨基酸代谢，过表达该基因可以显著提升水稻高温耐受性，降低高温对产量带来的负面影响[24]。

1.4 酶蛋白

近年来，大量酶蛋白被报道参与水稻温度胁迫过程，它们涉及多个生物学途径。GAD3和OsGSr分别编码一个谷氨酸脱羧酶和谷氨酰胺合成酶，它们被OsMYB55激活后高表达促进逆境相关氨基酸合成，对水稻耐高温具有重要贡献[24]；OsHCI1编码一个环指E3连接酶，高温下该蛋白在核内大量积累介导核底物输出泛素化，在拟南芥中异源表达该基因可以显著增强植株高温耐受性[27]；OsHTAS编码一个泛素连接酶，该基因同时定位在核和胞质，介导过氧化氢诱导的气孔开闭，对水稻耐热具有正向调控作用[28]；OsTT1是从非洲稻CG14中被鉴定到的一个耐高温位点，该基因编码26S蛋白酶体α2亚基，参与有毒蛋白泛素化降解过程，对水稻高温应答具有重要意义[29]；OsGIRL1编码一个富亮氨酸重复类受体蛋白激酶，热胁迫刺激下该基因过表达植株苗期存活率显著高于野生型[30]；TOGR1编码一个RNA解旋酶，在25～40℃ 范围内该基因酶活持续增加，参与高温情况下rRNA前体的加工，对高温下的细胞增殖十分重要[31]；AET1是一个tRNAHis鸟苷转移酶，该基因具有鸟苷转移酶活性，调控核糖体蛋白翻译过程，对维持高温下蛋白翻译稳定性具有重要意义[32]；OsNSUN2编码一个mRNA m5C甲基转移酶，通过调节mRNA翻译效率维持高温下水稻生长发育的正常进行[33]；PGL编码叶绿素a氧化酶1，主要在绿色组织中表达，其突变体对热胁迫敏感[34]；TCM5是一个Deg蛋白酶，该基因被证明参与高温下叶绿体发育，对光合系统Ⅱ的功能维持至关重要[35]；EG1是一个高温介导的线粒体脂肪酶，它可以保护高温下花器官基因表达，维持花器官发育稳定[36]；OsAPX2是水稻细胞质抗坏血酸过氧化物酶基因，参与水稻苗期热诱导下抗坏血酸过氧化物酶的表达[37]；OsGSK1是拟南芥BR信号通路关键调控因子BIN2的同源蛋白，该激酶敲除后对热胁迫敏感[38]；GSA1编码一个水稻糖基转移酶UGT83A1，该蛋白具有广谱糖基转移酶活性，调控黄酮类代谢物合成，同时调控水稻产量和抗逆，在耐高温育种中具有重要贡献[39]。

1.5 其他相关蛋白

除以上几大类基因外，还有一些与高温相关的基因被报道。FLO2是一个含三十四肽重复序列的蛋白，其被报道可以控制水稻种子直链淀粉含量，过表达引起谷粒增大，高温胁迫下不同水稻品种间FLO2表达差异显著表明该基因可能参与种子灌浆过程中耐高温[40]；Fie1是一个不依赖于受精的胚乳自主发生基因，该基因调控种子大小并调控灌浆过程中种子夜间高温敏感性，对高温下水稻产量维持具有重要意义[42]；RBG1是一个新的正调控籽粒大小的基因，该基因被报道可通过生长素和细胞分裂素途径增强水稻对热、渗透、盐胁迫的耐受性[41]；OsLEA4和OsLEA5编码两个晚期胚胎富集蛋白，在大肠杆菌中表现出显著的高温耐受，暗示其可能对逆境耐受性具有一定贡献[43]；ZFP177编码一个A20/AN1型锌指蛋白，该基因受热胁迫诱导，在烟草中过表达该基因能够提升热胁迫耐受能力[45]；OsRZFP34编码一个环锌指蛋白，该基因同样受热诱导，缺失功能后会导致气孔直径变小，温度耐受性降低[46]；OsANN1是一个钙结合蛋白，具有ATP酶活性，该基因敲除后对热胁迫敏感，导致体内氧化还原严重失衡[47]；OsCNGC14和OsCNGC16是两个环核苷酸门控离子通道蛋白，定位于质膜，负责调控细胞质钙离子内流，其突变体对温度胁迫敏感[48]；SLG1编码一个保守的细胞质tRNA 2-硫醇化蛋白2（RCTU2），参与tRNA修饰，在水稻幼苗和生殖发育阶段耐高温均具有重要贡献，过表达后可显著增强水稻耐高温能力[49]；OsGR-RBP4是一个富含甘氨酸RNA结合蛋白，该基因从水稻CDNA热激文库中筛选获得，在幼苗中组成性表达且受热胁迫诱导，酵母细胞中过表达该基因可显著提高酵母高温胁迫耐受性[50]。

2 调控水稻耐高温的关键信号通路研究

温度作为复杂的物理信号，对生物体影响的表型难以准确鉴定，其分子机制的解析相较于其他非生物胁迫也更为困难。近年来，随着大量高温相关基因的克隆，水稻中一些关键的耐高温信号通路被逐步明确。笔者将这些通路主要归纳为转录后调控、泛素蛋白酶体途径、物质代谢途径、钙离子信号、活性氧信号和激素信号途径六大类（图1）。

图1 水稻耐高温关键信号通路Figure 1 Signal pathway about rice high temperature resistance

2.1 转录后调控

拟南芥中研究早已表明，转录修饰对环境温度感知和热胁迫应答具有重要意义[52]。水稻中近年已报道4个与转录后调控相关的耐高温相关基因，包括RNA 解旋酶TOGR1[31]、tRNAHis鸟苷转移酶AET1[32]、RNA甲基转移酶OsNSUN2[33]和细胞质tRNA 2-硫醇化蛋白2基因SLG1[49]。其中TOGR1是核仁中SSU复合体的伴侣蛋白，参与高温下rRNA前体的加工过程[31]；AET1则对内质网和核糖体上前体tRNAHis成熟和后期蛋白质翻译具有决定性作用[32]；OsNSUN2介导高温下细胞核中光合作用相关解毒蛋白的mRNA甲基化修饰，提升翻译效率以保证水稻高温下正常生长[33]；SLG1负责胞质中tRNA硫醇化修饰，正向调控水稻耐热性[49]。

2.2 泛素蛋白酶体途径

在高等植物中，泛素分子与底物的连接可以通过Ub/26S蛋白酶体系统介导各种细胞功能，此途径也是植物耐高温的重要机制[53]。水稻中目前已报道3个参与此途径的基因，分别是OsHCI1[27]、HTAS[28]和OsTT1[29]。其中HTAS和OsHCI1均属于E3泛素连接酶，HTAS体外具有泛素连接酶活性，可以与抗坏血酸过氧化物酶互作介导气孔开闭影响高温耐受性，OsHCI1高温下在核中大量积累，介导核中底物蛋白沿细胞骨架快速输出泛素化降解[27-28]；OsTT1作为一个26S蛋白酶体α2亚基可以帮助水稻更高效降解有毒蛋白维持高温应答[29]。

2.3 物质代谢

植物对高温的响应是一个复杂的过程，一些代谢物的累积对耐高温过程具有显著贡献。如水稻中MYB55转录因子被报道可以调控下游谷氨酸脱氢酶GAD3和谷氨酰胺合成酶OsGS1.2的表达，在高温下促进L-谷氨酸、氨基丁酸等逆境胁迫相关氨基酸的积累增强植株耐高温能力[24]。此外，UDP葡萄糖基转移酶基因GSA1可以在非生物胁迫下促进代谢流下类黄酮和花青素合成，增强水稻抗逆能力[39]。脂肪酶基因EG1定位在线粒体和质体，介导高温下线粒体脂肪酶通路，调控脂质代谢和下游基因表达[36]。

2.4 钙离子信号

钙离子作为第二信使在植物响应非生物胁迫中具有重要作用，在热胁迫早期，胞内钙离子浓度上调是一个关键的逆境信号，但其具体的分子机制仍有待解析[54]。水稻中目前报道了3个钙离子相关蛋白参与热胁迫过程，其中CNGC14和CNGC16作为环核苷酸门控离子通道调控高温下质膜上的钙离子内流[48]，而胞质中的钙结合蛋白OsANN1则通过提高活性氧清除酶活性调控高温下的氧化还原平衡[47]。

2.5 活性氧信号

ROS信号是高温胁迫下胞内另一个重要的信号分子，拟南芥中42热激45℃即可检测到强烈的活性氧信号[54]。水稻中大多数高温相关基因突变也伴随着胞内ROS失衡，其中APX2和SNAC3是两个被报道与ROS清除直接相关的基因[25，37]。抗坏血酸过氧化物酶基因APX2高温下在胞质中大量合成，增强水稻过氧化氢清除能力，保护小穗免于脂质过氧化进而维持育性[37]。转录因子SNAC3在核内正调控ROS清除基因的表达，介导活性氧代谢，增强水稻高温耐受性[25]。

2.6 激素信号途径

高温胁迫下，多种激素信号在水稻体内交互发生。其中OsGSK1作为BR信号负调控因子介导水稻热胁迫应答过程[38]，质膜受体激酶OsGIRL1通过响应ABA或SA信号参与热胁迫调控[30]，热胁迫相关转录因子OsAREB1是ABA信号的正向调节子[22]，OsRZFP34则参与热胁迫下ABA介导的气孔开闭[46]。

3 总结与展望

随着全球气候变暖加剧，选育耐高温水稻品种对粮食安全至关重要，因此克隆高温相关基因、解析其分子机理且挖掘优异等位基因对确保水稻粮食安全具有重要意义。目前水稻中已克隆的与高温相关基因，多数局限于分子机理研究，可直接用于改良水稻耐高温性的优异等位基因极少。因此未来该领域研究需要更多地与生产实际相结合，克隆关键的耐高温基因，挖掘更优自然优异等位基因，为培育耐高温水稻新品种提供更多的基因资源。另外，随着更多高温相关基因相继被报道，部分与高温相关信号通路逐步明确，但关于水稻如何感知高温信号并向下游传递信号的分子机制和调控网络研究仍十分有限，因此研究植物如何将温度的物理信号编码为体内的化学信号，并传递给下游调控网络将是该研究领域热门方向之一。