亚适低温影响植物生长及氮营养的分子生理机制研究进展

吴长征 蒲文宣 盛崧 向禹澄 杨伟芹 李文瑞 黄平俊 刘来华

摘要：早春低温是限制植物生长的环境因子之一，低温胁迫将导致作物严重减产、品质下降、养分利用效率降低。目前，相关研究多关注于温度在15 ℃以下的植物生理及分子调控过程网络。增施氮肥或激素等能提高植物耐寒能力，总结了亚适低温对植物的生长表型、代谢生理以及氮利用的影响，讨论了植物响应亚适低温并调控氮吸收利用的生物学机制，以期为深入解析植物在亚适低温下的氮高效利用及其分子生理机制提供参考。

关键词：亚适低温；低温；氮素；吸收利用；分子机制doi：10.13304/j.nykjdb.2021.0896

中图分类号：Q78 文献标志码：A 文章编号：10080864（2023）01001610

非正常生长温度是植物生命过程中常见的环境胁迫因素之一，不仅影响植物的生长发育、产量与品质，亦会影响植物的生态分布[1]。全球气候变暖，极端气候频繁出现。在过去的30多年间，全球大部分地区平均气温上升，导致农业生产特别是主要作物（玉米、水稻、小麦和大豆）产量下降[2]。亚适低温（suboptimal low temperature）是介于最低与最适生长温度之间的一种常见温度胁迫[3]，通常介于10～18 ℃之间。而对于起源于热带或亚热带的物种，如玉米（Zea mays L.）、大豆（Glycine max）、棉花（Gossypium hirsutum）、土豆（Lycopersicon esculentum）、香蕉（Musa sp.）和烟草（Nicotiana tabacum L.）等，当其暴露在10～15 ℃的温度时会发生明显的损伤[4]，最终造成产量下降（可高达50 %）[5]。

农作物在生长早期常常遭遇倒春寒气候，通常发生在3—4月，期间平均气温在10 ℃左右，一般持续3～7 d，甚至更长[6]。目前大多数关于低温对植物生长影响的研究都集中在15 ℃以下的温度范围。但是，亚适低温的胁迫可能在整个植物生长周期中都普遍存在，并且严重影响植物生长、品质和产量[7]。

低温胁迫影响植物的生长与代谢过程，促使植物启动一系列的生物学响应机制。在低温条件下，植物面临的一大挑战是如何吸收充足的养分[8]。氮素是植物正常生长必需的大量元素，缺氮会严重影响植物的生长。虽然植物进化出了一套高效的吸收系统来适应环境中的养分变化，但是低温仍然明显抑制氮素的吸收和同化速度[9]。

因此，研究如何提高亚适低温条件下植物氮素利用效率并保证品质的相关生理学机制以及遗传学基础对于农业生产具有重要的意义。本文总结了亚适低温对植物生长及氮素利用的影响，并分析了亚适低温胁迫下可能涉及的调控途径，以期为提高植物在亚适低温下的氮素利用效率及解析相关分子机制提供理论参考。

1 亚适低温对植物生长发育的影响

低温胁迫能够快速地引起植物形态及生理上的变化，较长时间胁迫甚至造成植物死亡。在亚适低温条件下，植物生长发育变得迟缓，相应的生理变化也十分显著，但亚适低温对植物生长的影响程度因品种、耐寒能力、胁迫时间及生育期等不同而存在差异。番茄低温敏感品种在15/10 ℃处理5～10 d后，其株高、生长速率、根表面积、总根长相较于最适温度均显著降低，而耐寒品种则在长时间（大于10 d）处理后才出现显著的生长差异；此外，不同品种的丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量和过氧化物酶（peroxidase，POD）活性在亚适低温下显著增加2～3倍，低温敏感品种变化更加明显[3]。番茄在进入生殖生长以后，亚适低温延长了果实的成熟时间，从而降低了番茄的最佳经济效益[10]。生长在（14±2）℃的黄瓜幼苗的根系活性、地上部和根系干重、叶面积和根冠比皆显著降低，光合速率及与氮素同化相关的硝酸还原酶（nitrate reductase，NR）、亚硝酸还原酶（nitritereductase，NiR）、谷氨酰胺合成酶（glutaminesynthetase，GS）和谷氨酸合成酶（glutamatesynthase，GOGAT）活性下降约40%，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）和POD等活性增强1.3～2.6倍[11-13]。

類似的其他作物，如西瓜在20/15 ℃时生长迟缓，MDA含量显著增加[6]；水稻在热带和亚热带广泛栽培，在营养生长阶段，亚适低温抑制水稻干物质和氮素的积累，且低温时间持续越久抑制作用越大，但短时间（小于5 d）胁迫后则能够恢复生长[14]；在生殖生长阶段，水稻花的正常发育受到影响、灌浆率下降、粒重降低、光合效率和氮素利用效率降低，最终造成水稻减产[15]。

许多越冬植物能够通过关键基因（如转录因子、代谢酶、脱水蛋白和抗氧化酶等）的表达调控增强植物适应低温非冷冻温度的能力，这种植物暴露于非冻结低温下一段时间而获得抗冻能力的过程称为冷驯化（cold acclimation）[16]。虽然起源于热带和亚热带的植物大部分缺乏冷驯化的机制/能力，但有研究表明，将西瓜和玉米在亚适低温下驯化3或者7 d以后，能够提高它们对低温的耐受能力[6， 17]。20/15 ℃亚适低温驯化后的西瓜植株相对于未驯化的植株电渗透势和MDA含量明显下降，低温胁迫导致的光抑制和CO2同化速率的降低也得到缓解[6]。

有别于低温在数小时内能较快速地影响植物生长，亚适低温通常在较长时间处理以后，植物方能表现出明显的生理变化和表型特征。所以，对于在低温下评估得到的植物低温耐受力等级可能会因温度的变化而改变。Gazquez等[18]分别在实验室和大田环境下对18个水稻栽培品种进行亚适低温处理，发现亚适低温对于水稻生长的抑制因品种的不同而产生了明显的差异，耐寒品种‘Koshihikari在亚适低温条件下生长增长值、气孔导度、水利用效率等都显著优于另外2个耐寒品种，说明不同品种对于寒冷的耐受力可能存在响应低温和亚适低温的差异。因此，在亚适低温条件下是否存在不同于低温的分子生理调控过程，这种现象是否普遍存在于其他物种，还需要进一步研究。

2 低温对植物氮素吸收利用的影响

各种非生物胁迫和土壤养分限制是阻碍植物生长的主要环境因素[19]。氮素对于植物的抗逆过程及能力至关重要。植物的生长受根系所处温度和养分相互作用的控制。在百合中，氮、磷、钾肥处理不同则植物响应根温的能力也存在显著差异[20]。根区温度与养分状态会影响植物响应低温的能力。Andrews等[21]在黄瓜中的研究表明，低温和养分对干重、根长和叶面积的影响有较强的交互作用；在根区低温条件下，氮素比磷和钾对植物生长的影响更大。

2.1 低温对植物吸收的氮素形态及比例的影响

土壤中的氮素形态多样，植物主要吸收利用的是无机态氮硝态氮（NO?3）和铵态氮（NH+4）。因此，植物在土壤中常处于一种非均质的氮素环境状态，而非理想的单一氮源。常温下的研究结果表明，烟草（硝∶铵5∶5、3∶7）[22]、番茄（铵∶硝75∶25）[23]、玉米（铵∶硝75∶25）[24]在合适的铵硝配比下生长均优于单一的氮源。此时植物光合效率、生长素合成途径代谢增强，氮素吸收和利用效率最大。Liu等[23]研究显示，低温条件下硝∶铵为50∶50时番茄的生长最佳。

低温导致土壤氮素矿化、硝化及反硝化能力降低[25]，而植物优先吸收的氮素形态亦受土壤温度的影响。在一些温度较低或氮矿化率较低的生态系统中，植物对氨基酸的吸收比例高于对土壤无机氮的获取[9]。当把生长在20 ℃的黑麦草转移到不同温度且分别标记了15NH+4 或15NO?3 的NH4NO3溶液中时，其在3～10 ℃之间更趋于对NH+4的吸收[9]。通过测定不同生长阶段和温度下间作作物的氮素吸收，发现植物吸收NH+4 的比例高于NO?3，在低于9 ℃的温度下，这种趋势更加明显，超过85% 的氮以NH+4 的形式被吸收。在不同的根温下植物的生长速率不同，对NH+4 的偏好也存在差异，但不同组织（细胞）中的总氮含量在鲜重基础上非常相似[26]。在亚适低温条件下，15 ℃显著减少黄瓜根系总的氮素吸收[27]；Cao 等[28]测定了18 ℃下分别生长在单一氮源NO?3、NH+4、Gly下根系15N吸收速率，发现亚适低温分别降低氮素吸收速率约51%、46%、51%，这表明亚适低温对不同氮素形态的吸收无显著影响。但Anwar 等[11]以NH4NO3为氮源，并分别测定黄瓜幼苗NO?3 或NH+4在（14±2）℃流通速率（flux rate），亚适低温处理后NO?3 的流通量减少显著高于NH+4，此时流通量分别减少了54.85%、41.70%。此外，生长在17 ℃的水稻，随着处理时间延长，氮素的吸收逐渐减少6%～41%，用于籽粒生产的氮素利用效率，生物量的氮素利用效率都显著降低[15]。因此，亚适低温严重影响植物对氮素的吸收，并且氮素的供应形式对NO?3 或NH+4 的影响存在差异，相对于寒冷温度，亚适低温影响较小，随着温度降低，植物对铵的吸收偏好更加明显。

2.2 低温对植物NO?3 吸收系统的影响

硝酸盐吸收系统由低亲和（low affinitytransport system， LATs）及高亲和（high affinitytransport system， HATs）转运系统组成。Malagoli等[29]研究表明，随着温度由4～24 ℃逐渐上升，HATs与LATs加HATs的NO?3 吸收量随着温度的降低逐渐减少。但是低亲和系统的吸收在低温条件下变化趋势不明显，而温度的降低对硝酸盐HATs的影响较大（从24～4 ℃，NO?3 的吸收下降约75%）。Laine等[30]分别在不同间作作物地上部和地下部低温的条件下测定了硝酸盐吸收的动力学参数（Km）和最大吸收速率（Vm），结果表明，在地下部遭受到低温胁迫时，硝酸盐吸收的Km 下降约7%，此时植物对硝酸盐的吸收亲和力增加；而当整株植物处于低温环境时，Km 则上升约14%；Vm不受植物低温部位的影响，总体呈现显著下降的趋势，因此地上部低温对于植物吸收硝酸盐的影响大于地下部低温。这可能是由于当地上部遭受低温胁迫时，植物的光合作用受到抑制，從而改变了植物体内的碳氮平衡，影响植物地上部对根系氮素吸收的调控过程，此时与植物氮素吸收有关调控因子基因的表达可能发生改变，从而影响根系对硝的吸收能力。另外，对烟草低温敏感品种K326和耐寒品种HD的硝酸盐吸收动力学参数的测定结果显示，在亚适低温下（15 ℃）它们的Km分别降低73.27% 和39.47%，表明在亚适低温下烟草根系硝酸盐吸收系统的亲和力明显增加，亦利于低温下植物对更低水平氮素的获取，但此时测得的根系吸收硝酸盐的Vmax 则下降了61.05% 和54.73%（数据未发表）。

2.3 低温对植物NH+4 吸收系统的影响

植物根系铵的吸收系统也由低亲和及高亲和转运系统组成，其中AMTs（ammonium transporter）家族转运蛋白组成了铵跨膜高亲和转运系统。

Wang等[31]研究表明，温度的降低主要抑制了植物铵高亲和转运系统的吸收，其铵吸收量明显减少，而对于低亲和铵转运系统影响较小。当同时供应硝态氮和铵态氮时，植物更加偏向对铵态氮的吸收，并且随着温度的降低，该趋势更加明显。类似的，单独对烟草K326和HD的测定结果表明，在亚适低温下其Km分别下降了57.17%和53%，Vm降低37.48%和31.41%（数据未发表）。说明温度降低对铵的吸收亦有显著的影响，但是对铵的影响确实小于对硝的影响，并且受品种差异的影响较小。

总之，植物吸收氮素的生物学系统为响应低温胁迫而发生了明显的改变。但是，在分子水平上，这种变化是因为低温改变了氮素转运蛋白基因的表达模式，或改变了相应转运蛋白的空间构型，或二者兼具，需要更深入的研究和解析。

3 植物响应亚适低温的机制

3.1 植物感应亚适低温胁迫及调控机制

随着环境温度降低，植物体内感受低温信号的蛋白发生变化，如拟南芥光感受体phyB（phytochrome B）作为热传感器（12～27 ℃），整合了光和温度信号，当其从活性Pfr形式改变到非活性Pr形式时，不受光照条件的影响[32-33]。光信号元件PIFs（phytochrome interacting factors）在冷驯化中起着关键的作用，PhyB与转录因子PIFs结合调控下游基因的表达。PIF3 能够直接结合到CBFs（C-repeat binding factors）的启动子区域并抑制其表达，最终降低植物的耐寒能力[34]。CBF1 调控PIF4/5 的表达以及17和22 ℃时植物下胚轴的生长，但在4 ℃条件下，虽然CBF1 的表达仍然受低温诱导，但却不能调控下胚轴生长[35]。隐花色素CRYs（cryptochrome）在15 ℃时从活性状态到非活性状态的黄素再氧化率显著低于25 ℃时，表明低温下CRYs可能具有更高的生物活性[36]。而蓝光诱导的CRY2磷酸化形态在低温下稳定，并且通过与HY5（elongated hypocotyl 5）竞争减少HY5-COP1 的相互作用，提高低温下HY5 的积累[37]。无论是HY5、PIFs，还是COP1、CBFs，都是复杂调控网络中光和温度信号之间的关键调控元件。

3.2 亚适低温下植物调控氮素吸收利用的机制

在不同非生物胁迫下，植物通过调节自身的氮素代谢提高抵抗胁迫的能力。亚适低温是非生物胁迫之一，而在非生物胁迫下，硝态氮通过光合同化（nitrate photoassimilation）促使植物叶绿体产生的能量被高效利用[38]。在逆境下植物对硝酸盐的吸收减少，根向地上部转移的硝酸盐也减少，从而使留在根系的硝相对增加，该现象被称之为胁迫诱导的硝酸盐向根系的分配，即SINAR（stressinitiatednitrate allocation to roots）[39]。此时，植物通过调节与硝态氮吸收转运相关基因的表达提高植物在胁迫环境下的耐受能力。已经发现2个硝酸盐转运蛋白AtNRT1.5 和1.8 （nitratetransporter1.5/1.8）参与到了SINAR 过程，并且阐明了它们的精确调控过程。在逆境环境下（如镉、盐、干旱胁迫等），植物合成乙烯（ethylene，ET）和茉莉酸（jasmonic acid，JA），并激活其信号途径调控AtNRT1.5 和AtNRT1.8 的表达。ET和JA信号途径中的EIN3/EIL1（ethylene insensitive3/EIN3-like1）转录因子激活下游基因ERFs（ethyleneresponse factors）的表达，然后ERFs 通过与NRT1.8的启动子结合并促使其上调表达；相反的，ET信号途径EIN3/EIL1 及JA 信号途径的COI（coronatine insensitive1）与NRT1.5 启动子结合后抑制了基因的表达[40]。NRT1.8 与NRT1.5 相反的表达模式共同改变了由胁迫引起的硝在植物根系的再分配，从而提高了植物对逆境的耐受能力[39]。而在亚适低温胁迫下，根系氮素的吸收能力减弱，与氮素吸收利用相关的基因表达下调，但该过程是否同样在低温过程中发挥作用，还需要进一步的研究。

随着研究的不断深入，植物耐冷调控机制得到广泛的解析。植物氮素的吸收利用也受到如转录因子HY5、钙离子信号相关的钙调磷酸酶B类蛋白（calcineurin B-like protein， CBLs） 和CIPKs（CBLs-interacting protein kinases）等的调控。氮素是植物生长所必需的营养元素，也是调控植物生长的信号物质。如NRT1.1可作为NO?3 的信号受体，通过感受NO?3 的水平变化而改变其对底物的转运种类（如硝酸根、生长素）和亲和力，从而调控植物对氮素的吸收/转运[41-42]。在低温胁迫下，甘氨酸通过提高植物氮素的吸收能力而增强了水稻对低温的抵抗能力[28]。随着温度的降低，植物的氮/碳分配也出现了变化，老根中的氮含量增加，而新根和叶片的氮则减少[27]。这说明在低温胁迫下，植物通过改变氮素的分配和利用从而提高抵抗低温的能力。亦有报道显示，NO 与MPK1/2（mitogen-activated protein kinase 1/2）相互作用而提高番茄冷驯化后的耐寒力，此也涉及到与其他冷胁迫信号分子的互作，如调控CBF信号途径以及基于NO 的翻译后修饰大量响应低温的蛋白等[43]。

4 植物亚适低温响应的研究进展

4.1 组学技术在亚适低温研究中的应用

随着对低温研究的逐渐增加，转录组学及蛋白组学也在低温胁迫研究中普遍应用。通过整理烟草和水稻的研究结果（表1）发现，亚适低温下涉及到的主要途径有光合作用、植物激素信号传导、碳水化合物的代谢等途径；不同于寒冷温度胁迫，水稻中与亚适低温有关的主要途径还有细胞壁结构、膜转运能力、玉米素合成等。本课题组通过比较18与4 ℃的烟草转录组学数据发现，二者之间差异基因主要与液泡膜、高尔基体、核糖体rRNA有关（数据未发表）。

4.2 植物激素對低温下氮素吸收利用的影响

植物激素参与植物响应氮素营养和逆境的调控过程。研究表明，外源施加油菜素内酯或者赤霉素能够改善亚适低温对植物的影响，促进亚适低温下黄瓜的氮素吸收速率并提高氮含量，增强与氮素吸收相关基因的表达上调[11-13]。生长素调控植物根系构型及生长发育，NRT1.1是由硝调控的生长素转运蛋白，低氮条件下，NRT1.1蛋白T101残基的磷酸化能够运输生长素[44]，促进侧根的发育。低温影响生长素调控相关基因的表达[59]，Shibasaki等[60]研究表明，低温胁迫主要影响细胞内的生长素转运。原因可能是生长素转运蛋白PIN2的极性运输虽不受低温的影响，但低温抑制其在细胞内的合成与分解，最终导致植物根系生长素含量梯度的形成能力减弱，而影响根系发育。

NRT1.2（ AIT1/NPF4.6）作为硝酸盐低亲和转运系统的主要成员[61]，同时也转运脱落酸（ABA），但硝酸盐与ABA不存在相互作用，其作为NRT1.2的转运底物不会影响ABA 的转运活性[62]。低温胁迫时添加ABA 能够提高植物的耐寒能力，R2R3-type MYB 转录因子MYB96 基因的表达受ABA 诱导，同时受到低温诱导，并调控CBF 的表达[63]，进一步试验证明，MYB96 与HHPs（heptahelical protein）蛋白相互作用，HHPs能够与低温诱导蛋白ICE1/ICE2（inducer of CBF expression）及CAMTA3（calmodulin binding transcription activator 3）作用。因此，MYB96-HHP可能参与到CBFs的调控途径[6364]；此外，ABA 诱导表达的OST1（openstomata 1）基因也参与了CBFs的调控，低温诱导OST1 表达，与ICE1蛋白相互作用并磷酸化ICE1蛋白，使其在低温下稳定表达[65]。Kreps等[66]研究表明，约10%的ABA相关基因响应低温胁迫。植物体内ABA的含量影响植物的耐寒性，对于不同的低温区间，Mega等[67]过表达水稻ABA代谢基因OsABA8ox1，此时水稻幼苗ABA含量降低，15 ℃处理提高转基因水稻株系耐寒能力，但4 ℃时仅25-20 株系耐寒能力提高，可能是因为27-3 株系的ABA含量显著低于25-20株系。因此推测，植物内源ABA的含量可能影响植物对不同温度梯度的响应。

这些结果说明，在低温条件下植物激素可能涉及到氮素吸收利用的调控途径，通过改善氮素的利用而提高植物对低温的耐受能力，改善植物的生长状况。因此与这些物质相关的调控途径是否参与低温下氮素的高效利用，仍有待进一步探究。

5 植物响应亚适低温研究建议

植物在低于最适生长温度条件下会发生不同程度的损伤，亚适低温与低温下，植物的生理变化和调控机制相似。至今，人们已经运用组学技术分析得到不同温度处理下植物可能涉及到的通路，这些通路涉及植物感应亚适低温、调控基因的表达或者光合作用及养分吸收同化，但是温度的变化差异可能导致植物响应低温的途径存在差异，而对这些差异可能涉及到的基因，或者调控通路仍需进一步研究。对于植物响应低温的研究已经取得了许多突破，因此，可借鉴这些研究进一步深入解析植物响应亚适低温的分子机制。而氮素作为亚适低温下受到影响最为显著的营养元素，虽然已有研究解析了亚适低温对氮素利用的影响，但也仅集中在其中一方面，还需系统性的研究，并结合分子调控机制解析亚适低温对植物氮素吸收利用的影响。

对于亚适低温胁迫，通过改善养分利用或者生理及基因调控路径来提高植物耐寒能力，可能完全或者显著的恢复植物的生长。对于改善亚适低温下植物氮素利用效率的育种研究，结合亚适低温对植物生理及响应低温的过程，可以综合为以下3个方面（图1）：①对于有冷驯化能力，并且在苗期易受低温影响的植物，通过冷驯化过程（特别是易实现和操作的亚适低温冷驯化）提高植物的耐寒能力；②因为低温影响植物的养分吸收和转运及代谢相关的酶活等，通过农业措施，如更易于抗寒的氮素形态、不同氮素配比以及施用时间和施用量等，提高植物自身的养分吸收能力，改善植物在低温下的生长；③植物响应低温胁迫，其光合作用、光呼吸、养分代谢等相关的调控基因发生变化，因此利用基因工程技术，包括基因编辑、过表达等培育耐寒品种。

6 结语

倒春寒发生时间是大部分农作物进行育苗和移栽的时节，此时的幼苗极易受到低温损伤，最终造成作物减产。氮素作为植物全生育时期都需要的大量元素，随着温度的降低，其利用也随之受到影响。因此提高低温下的氮素利用效率，通过改善氮素的使用从而提高植物的耐寒能力对于农业生产具有重要的意义。但是目前的研究大量集中在低温，而对于更易出现的亚适低温的研究较少，其可能通过改善养分利用或者生理及基因调控提高植物耐寒能力，甚至恢复生长。

植物响应低温或者氮素高效利用的基因及相关的分子生物学调控网络虽已有一定的研究，但是关于如何在低温下调控氮素吸收利用的探索则很少。虽然，通过转绿组学和蛋白组学分析表明，谷胱甘肽代谢途径（glutathione metabolismpathway）或其他氮素代谢相关的途径的基因可能涉及到低温下氮素的吸收/转运调控，但是仍需要进一步的试验明确这些基因是否参与或者如何调控植物的氮素营养。深入研究结果将解释低温下植物吸收氮素相关基因的表达下调，与植物氮素吸收亲和力增加（Km降低）的调控机理。对于同一品种耐受低温和亚适低温能力相反的现象，及亚适低温冷驯化提高植物耐寒性涉及到的生理差异和调控机理将有利于更加全面的认识到亚适低温与低温在分子和生理层面的差异。此外，外源施以植物激素（如赤霉素、油菜素内酯等）能够改善植物的氮素利用，提高氮素吸收速率，但是对于其中可能涉及到的分子机理也需要进一步研究。对于解析植物在亚适低温下氮素有效利用的分子生理机制，期望能为今后運用分子育种技术和基因工程手段研发、培育出亚适低温下氮高效和耐低温的优良品种提供有应用价值的参考依据。

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（責任编辑：温小杰）