青藏高原生物低温适应机制的研究进展

2022-12-27王雪妍崔云斌拉门措韩富忠邹登朗

青海草业 2022年2期

王雪妍，崔云斌，李妍，拉门措，韩富忠，邹登朗

(1.青海师范大学生命科学学院青海省青藏高原生物多样性形成机制与综合利用重点实验室，青海西宁 810008；2.青海省黄南州麦秀林场，青海麦秀 811401)

引言

被誉为“世界屋脊”的青藏高原是世界上海拔最高的高原[1]，平均海拔4 000 m，绝大多数地区平均气温不到0 ℃，是高寒区域。海拔高、辐射强、气温低是青藏高原独有的生态环境，因此这里是研究生物、环境、地理、资源等方面的天然实验场地[2]。

低温是青藏高原限制生物生活繁衍的主要因素之一，影响着动植物的分布，在此区域生存的生物在长期的进化过程中形成了适应低温环境的机制[3]，以抵抗恶劣环境的影响。本文就青藏高原生物对于低温适应机制展开论述，为低温适应机制的研究和应用提供理论基础。

1 青藏高原植物低温适应的研究

青藏高原高山密布，地形复杂险峻，海拔平均在4 000 m以上，各处的高山落差大，层次不齐；气候方面，紫外辐射强、日照多、温度低、温差大。其中温度低这一因素限制着高原地区植物的生产[4]，有关研究表明，每年因为低温造成植物产量的降低而损失数千亿元，研究植物适应高原低温的机制，具有很重要的科学意义[5]。

1.1 植物低温下生理机制研究

低温是青藏高原植物生长的抑制因子之一，高原植物的细胞膜因低温受损是影响其生长繁殖的根本原因[6]。在低温条件下细胞内部活性氧代谢受到影响，膜脂增大过氧化作用，使细胞膜发生一系列严重损伤[7]。膜脂过氧化分解的最终产物是丙二醛，通过丙二醛的含量可以推断细胞膜受损的程度。高等植物经过多年对环境的适应，形成了较完善的抗氧化机制以应对不良环境，包括抗氧化酶系统(如过氧化物酶POD、过氧化氢酶CAT、超氧化物歧化酶SOD)以及其他抵抗氧化的物质[8]，例如类胡萝卜素、脯氨酸、谷胱甘肽、抗坏血酸等，这些物质在体内可以及时清除活性氧分子，维持机体氧代谢平衡，减少过氧化导致的破坏，保护细胞膜，增强植物整体对于低温的适应[9]。

此外，青藏高原低温的环境会导致植物光合作用效率降低[10]，表现为光和色素含量减少，光合酶活性和对应基因的表达下调；生物通过增加或减少调节渗透小分子所需的物质，保持植物细胞间的物质交换平衡，降低低温对于植物生存的压力[11]。有研究发现，植物抗低温与次黄酮等次生代谢产物、可溶蛋白、脯氨酸含量的多少有关，因此说明低温环境使植物激素水平发生改变[12]。

1.2 植物低温下分子机制研究

植物对于低温条件下的分子调控途径的研究很多，而具体机制有待进一步验证。钙离子在细胞信号传导过程中发挥着次生信使的作用，低温会使Ca2+加速产生并向下传导，使植物对应通路激活，产生应答反应，Ca2+通道很可能是低温信号的受体[13]。有关科研人员通过水母的发光蛋白依赖钙离子机制发现了植物细胞的Ca2+在低温环境下40 s做出动态回应。有报道称在高等植物和一些原核生物中，受低温影响后，细胞膜的流动性降低，很可能是激活Ca2+信号传导的最初反应，随后Ca2+进入细胞内，激活MAPK信号级联效应，与钙响应蛋白激酶和受体蛋白激酶一起调控COR基因的表达。受体激酶CRLK1能将Ca2+与信号通路结合起来，对低温激活MAPK通路起重要作用。同时COLD1可能也是低温激活受体，该蛋白位于内质网膜和脂膜之间，与G蛋白的α亚基RGA1结合，且有学者猜测其自身可能是响应低温条件的Ca2+通道[14]。

目前针对低温信号通路的研究比较细致的是ICE-CBF转录因子调节，低温影响基因CBF的快速表达，CBF/DREBs可以与下游基因COR启动子区域结合，激活表达，该途径负责调节多种生物功能，例如细胞膜的转运、激素形成与行使功能、转录和调节、磷酸肌醇的代谢、ROS解毒等。通过对基因表达的研究，将拟南芥中基因CBFs转载到其他植物，可以提高对低温的适应性，反之拟南芥接受其他植物的该基因，也可提高耐受性[15]。

CBFs基因对应的激活子和抑制子调控该基因的表达，CBF3启动子所在区域需要ICE1编码bHLH转录因子结合后激活表达。若拟南芥中CBF3缺失，植株将对温度变化表现敏感，而增强CBF2、CBF3等基因表达，则会提高植株抗寒性。CBF的翻译修饰也起重要作用，在拟南芥中，由于ICE1被E3泛素连接酶泛素化，使26S酶体降解[16]。

CBF不依赖的信号通路在低温响应中起很重要作用，转录组分析仅有12%的低温表达基因和CBFs调控有关。例如在大豆中，响应低温信号的C2H2蛋白SCOF1通过上调bZip和G-box结合因子1的DNA结合诱导下游CORs表达。

在研究植物对低温的分子机制中，对转录组的研究可以从整体研究基因结构和功能，揭示出研究的生物学过程及分子机制。高通量测序的转录组测序技术RNA-Seq是目前先进的研究植物转录组的工具，可以在信使RNA基础上对植物在低温胁迫的条件下进行转录水平和表达情况的研究，通过结果揭示出植物对于低温环境下的适应机制，便于之后的研究[17]。

1.3 青藏高原植物对于低温适应的研究进展

针对青藏高原植物来说，适应低温的能力受多种因素影响，例如细胞膜因氧化受损，可以通过观察电解质渗透水平判断细胞膜系统的稳定性。在青藏高原上生长的植物是研究极端环境资源的良好材料[18]，从中可以发现经过自然选择后的优良基因，例如青藏高原上生长的野生垂穗披碱草，是分布广的优良牧草，其强大的再生性、高营养价值、抵抗恶劣环境能力强的特点是研究植物抗逆性的理想材料。

2 青藏高原动物低温适应的研究

青藏高原有世界“第三极”的称号，其复杂的环境和气候对于土著动物的适应和进化有重要影响，尤其低温使生活在高原上的动物进化出自己的机制来维持种群生存。经多次科考，青藏高原有约2 340种昆虫、约152种鱼类、约1 047种陆地脊椎动物，其中高原鼠兔、藏羚羊等是青藏高原独有的物种，因此，研究动物对于低温的适应对科学界有重要意义[19]。

动物对于低温适应包括两方面：耐寒性和耐冻性。耐寒性是动物在遇到低温的情况下，防止体内结冰，维持过冷却状态，使体液保持流动，避免机体受到损伤，例如陆地的无脊椎动物为了应对低温环境，产生抗冻蛋白或产生高浓度糖来降低冰点。耐冻性是机体遇到低温的情况下，保持体液流动而不凝固的现象，但是也有例外，比如生活在南极的线虫。抵抗结冰的动物会产生抗冻剂保证水分的流动和维持细胞的稳定性，在满足耐低温的条件下，其还需满足因为体液流动性下降的耐缺氧性[20]。

机体产生的防冻保护液是为了阻止细胞膜的相变，防止细胞结冰脱水后水的置换，保证了糖类保护剂的正常功能，例如葡萄糖和膜上的磷脂基团相互作用形成氢键，阻止细胞膜在脱水后的结合，同时增加膜的流动性，降低了相变所需温度，保持细胞膜目前的结构；甘油、苏鲜糖醇和苏糖醇可与体内的水结合，增加体内结合水的比例，变相维持细胞膜上蛋白的正常功能，维持细胞膜流动性，降低冻伤几率[21]。

青藏高原上的两栖爬行类动物在遇到低温的情况下，在原有膜结构的基础上重新构建细胞膜，开启机体应对恶劣环境的策略，即改变膜上蛋白成分，阻止外部冰晶对膜的伤害，产生出的小分子可以稳定和促进细胞膜的功能，起到保护作用，维持机体完整性。在青藏高原上生活的变温动物应对低温的策略是进化出一种调节体内代谢的能力，通过对体内酶活性的调节，维持体内代谢平衡。有研究表明，昆虫面对低温会产生多种保护剂，表现在体内的糖原磷酸化所需的酶在低温条件下活化[22]。

对于高等动物而言，糖代谢过程中肝脏起主要作用，它负责储存糖原，同时有糖异生和糖分化分解功能的作用，同时合成抗冻蛋白，将其释放到血液中，针对冬眠的动物有很关键的作用[23]。在机体缺乏能量的情况下，肾脏中针对糖异生的限速酶激活，产出葡萄糖为机体供能，提高动物耐寒能力。

3 青藏高原典型生物低温适应的研究

3.1 青海沙蜥对于低温的适应

基于青藏高原环境低温的特征，大量的学者聚焦于适应高海拔低温条件下的物种[24]，除恒温动物外，变温动物对高海拔低温的环境有显著变化。在高原上的沙蜥属蜥蜴属于寒漠种，不同于荒漠种的是其对于高原低温环境的独特适应机制[25]。有研究表明，不同海拔栖息的青海沙蜥应对寒冷有不同的应激指标，生活在高海拔的体内丙二醛含量有组织特异，具体表现在脑中降低，在肌肉中增多，肝脏等器官没有明显影响，在高海拔区域肌肉中抗氧化剂含量有所降低，以此应对恶劣环境[26]。

3.2 高原鼠兔对于低温的适应

在青藏高原上生活着一种独特的动物—鼠兔，是鼠兔科小型动物，具有研究的代表性。其具有抵抗低温、耐缺氧环境的特点，鼠兔对于耐低温也采取与大多哺乳动物类似的适应机制[27]，即利用棕色脂肪组织产热，同时机体内白色脂肪也会发生分化，作用在内脏的脂肪区域，提高线粒体活性，提高解耦连蛋白1的含量，为机体提供能量产热。为了应对低温，鼠兔的心脏肌肉细胞线粒体含量增高，骨骼肌线粒体、组织的微血管密度升高，脂肪代谢是依靠瘦素减少外部脂肪堆集，提供非震动产热以此使机体度过不良环境[28]。

研究表明，鼠兔在低温环境下维持的通气反应中，色氨酸家族和AMPA受体参与了对呼吸中枢的控制，在面对低温刺激时，通气反应受神经递质、五羟色胺浓度的变化而增加，增强机体的代谢，体内血红蛋白浓度增高，增加氧气的运输，能量产出变快，便于鼠兔在低温条件下生存[29]。

3.3 青藏高原牦牛对于低温的适应

牦牛主要生存在我国青藏高原及周边地区，是高海拔地区独有的牛种，其生命力强，生活在海拔3 000～5 000 m的区域，能适应零下30～40 ℃的极端环境，适应55 000 Pa左右的低压环境，也能在氧气稀薄的条件下维持生存，被誉为“高原之舟”[30]。

有研究表明，牦牛相比于低海拔地区黄牛的心肺指数有明显升高，肺血管数和肺泡数数目多；为适应低温环境，呼吸速率和脉搏增快，通气气管粗大[31]，软骨较窄，便于在高原上增加通气反应和血液中氧气运输的能力，并降低在高原上低温带来的不良影响。有研究表明，牦牛心脏、肌肉等多处组织中HIF-1α均有表达，对于牦牛在低温低氧环境下生存起重要作用。吴晓云等[32]将牦牛EPAS1和VEGF-A基因与高原黄牛做了表达及SNPs检测分析，发现两个物种的基因表达量有明显的差异，牦牛很可能通过长期进化，形成了特有的适应高原低温的遗传特征。