植物冷驯化相关信号机制
植物抗寒性的生理生态学机制研究进展_徐燕
第43卷第4期2007年4月林业科学SCIE NTIA SILVAE SINICAE Vol .43,No .4Apr .,2007植物抗寒性的生理生态学机制研究进展*徐 燕 薛 立 屈 明(华南农业大学林学院 广州510642)摘 要: 综述植物在冷驯化过程中发生的一系列生理生化变化。
环境对植物抗寒性的影响主要与光诱导、温湿度以及气候的变化有关。
植物表面形成冰层会引起植物的无氧呼吸,导致植物受害;光抑制诱导活性氧的产生,从而导致植物光合系统的退化,抗寒能力下降,而短日照诱导植物休眠,有利于植物抗寒。
光敏色素则被认为是启动冷驯化的光受体;植物通过冷驯化增加碳水化合物的积累及病原体相关蛋白的合成,以增强对低温病原体的抵抗能力;气候的变化使植物遭受了更大的冷伤害风险。
微管最初遇冷时部分的解体可以有效诱导植物抗寒性;抗氧化酶活性增强,植物体内糖、脯氨酸、多胺等内含物含量上升。
植物休眠状态中的生理变化(种子的休眠、芽的休眠)与AB A 敏感性的差异有关。
对植物抗寒性分子机制的研究表明:CO R 基因的表达对于植物抗寒性和冷驯化是十分关键的;与气候梯度有关的基因梯度的分布说明寒冷地区的树种更为抗寒;多表型性状的数量性状分析,为重要的农艺性状标记辅助选择(MAS )提供基础。
对植物抗寒过程中的信号转导进行研究发现,Ca 2+是低温下参与调节冷驯化应答机制中信号转导途径的重要的第二信使。
未来植物抗寒领域的研究热点为信号转导和基因调节,低温抗性的遗传学和遗传应用及代谢组学,气候变化对于植物抗寒的影响等方面。
关键词: 植物;环境;抗寒;生理;分子机制中图分类号:S718.43;Q945.78 文献标识码:A 文章编号:1001-7488(2007)04-0088-07收稿日期:2006-01-20。
基金项目:广东省林业局项目(4400-F02084,4400-F05004)。
*薛立为通讯作者。
Physiological and Ecological Mechanisms of Plant Adaptation to Low TemperatureXu Yan Xue Li Qu Ming(C oll eg e o f For es tr y ,Sou th Chi na Agr icul tur al Uni vers ity Gu ang zh o u 510642)Abstract : Chilling injury is one of the ecological factors c ausing environmental stress in plants .Exploring the physiological and ecological mechanisms of c old tolerance in plants can under stand ho w plants gro w at low temperatur e ,which has important meaning in theory and practice .At present ,study on cold toler ance in plants focuses on physiology ,genes ,and relationship between plants and environment and so on .This article revie ws the physiological and ecological response of plants to lo w temper atur e during c old acclimation .Over wintering plants encased in ice can be exposed to anaerobic conditions and suffer phytotoxicity .Photoinhibition induced the increase of r eactive oxygen species (ROS ),causing the degradation of photosystems ,which is unfa vorable for cold hardiness of plants .Shor t da ys induc e dor manc y in plants ,resulting in a increase in cold hardiness of plants .Phytochr ome has been c onsidered to be the photoreceptor r esponsible for tr iggering the initiation of the first sta ge of c old acclimation .The acc umulation of carbohydrates and pathogenesis -related proteins enhances the resistance of plants to low -temper atur e pathogens .Scientists pr edict that plants will suffer greater risk of low -te mperature da mage with the c hanges in climate .An initial partial disassembly of microtubles is sufficient to trigger efficient cold acclimation .The adaptation of plants to c old also associates with the incr eased levels of antioxidants enzymes ,sugar ,proline ,polymines and so on .Changes in dormanc y status are mor e likely related to changes in ABA sensitivity than to var iations in ABA levels .The expr ession of COR (cold r esponsive )genes is cr itical in plants for both c hilling tolerance and c old acclimation .Genotypes fr om colder envir onments have greater cold hardiness in situ than those from milder envir onments .The QTL analysis of multiple phenotypic traits pr ovides the basis for marker assisted selection (MAS )of important a gronomic characters .Calcium is an important second messenger in a low temper atur e signal transduction pathway involved in regulation of c old -acclimation response .Signal tr ansduction ,gene re gulation ,genetics ,metabolomics ,and climate change affecting the plant survival are impor tant aspects in the future study of c old tolerance in plants .Key words : plants ;environment ;cold tolerance ;physiology ;molec ular mechanism低温寒害是农林业生产中一种严重的自然灾害,据统计,世界每年因此造成的损失达2000亿美元(卢存福,2004)。
植物抗寒生理的研究进展
植物抗寒生理的研究进展
植物抗寒生理的研究进展主要涉及以下几个方面:
1. 低温适应机制:植物在低温环境下生存和生长的能力是至关重要的。
研究已经发现,植物通过一系列的生理生化机制来适应低温环境,包括产生冷反应基因和相关的基因,以及这些基因之间的相互作用。
2. 植物激素在抗寒中的作用:植物激素在植物抗寒中起着重要的作用。
例如,脱落酸(ABA)可以诱导植物产生抗寒性,而细胞分裂素则可以保护植物免受低温的伤害。
此外,一些植物激素还可以调节植物对低温的响应,如钙调蛋白激酶和MAPK等。
3. 抗寒基因的鉴定和功能研究:随着生物技术的发展,越来越多的抗寒基因被鉴定和研究。
这些基因包括编码保护酶类(如SOD、POD、CAT等)的基因、调节ABA合成和信号转导的基因等。
对这些基因的研究将有助于我们更深入地了解植物抗寒的分子机制。
4. 抗寒锻炼和适应性生理变化:植物在经历低温锻炼后,可以产生一系列适应性生理变化,如增加膜的稳定性、提高保护酶的活性等。
这些变化有助于植物在低温环境下生存和生长。
5. 抗寒育种:通过选择具有抗寒特性的品种,培育出抗寒能力更强的植物,是植物抗寒研究的一个重要应用。
通过结合传统育种方法和现代生物技术,可以培育出既具有优良农艺性状,又具有较强抗寒能力的植物新品种。
总的来说,植物抗寒生理的研究进展在多个领域都有所涉及。
未
来,随着生物技术的不断发展,我们期待在植物抗寒生理的研究中取得更多的突破和进展。
植物低温响应的分子机制研究进展
低温影响植物的生长发育与地理纬度分布,低温灾害是造成作物减产的主要逆境之一。
随着全球气候变化加剧,低温冷冻等极端气候将会更为频繁发生。
因此,研究植物如何响应低温胁迫对于保障经济作物生产与粮食安全等重大问题有着重要的理论与实践价值,植物低温响应分子机制研究一直是植物研究领域中的热点话题。
本文将根据相关研究现状,围绕已知信号途径从植物对外界信号的感知、细胞内的信号传递、信号通路中的信号转导以及植物激素等与低温信号的交叉反应进行论述。
1植物的低温响应1.1植物对低温的生理响应根据低温程度的不同,低温胁迫可以划分为冷害(0~20℃)和冻害(<0℃)[1~2]。
在热带和亚热带气候区,冷害是主要的低温胁迫,影响着水稻、玉米等作物的生产;在温带气候区,冻害是主要的DOI:10.16605/ki.1007-7847.2020.08.0239植物低温响应的分子机制研究进展收稿日期:2020-08-20;修回日期:2020-10-03;网络首发日期:2021-07-23基金项目:国家自然科学基金资助项目(3117117);湖南省自然科学基金项目(2018JJ3036)作者简介:吴丹(1997—),女,湖南浏阳人,硕士研究生;*通信作者:赵小英(1973—),女,湖南慈利人,博士,湖南大学教授,主要从事植物功能基因组学研究,Tel:*************,E-mail:*****************.cn 。
吴丹1,2,毛东海2,赵小英1*(1.湖南大学生物学院植物功能基因组学与发育调控湖南省重点实验室,中国湖南长沙410082;2.中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室,中国湖南长沙410125)摘要:低温是限制植物生长发育与植被分布的重要环境因子,植物在长期的环境适应过程中获得了冷驯化机制。
关于低温响应机制的解析,目前研究最为清楚的信号通路是模式植物拟南芥CBF /DREB 1(C-repeat binding transcription factor /dehydrate responsive element binding factor )依赖型低温响应信号通路。
寒害生理与植物抗冷性
寒害生理与植物抗冷性寒害生理与植物抗冷性摘要:植物在长期进化过程中,形成了各种适应冬季低温的生长习性。
寒害指由低温引起植物伤害的现象,包括冷害和冻害。
植物对低温的适应性和抵抗能力称为抗寒性。
关键词:冷害冻害抗寒性冷驯化1. 冷害生理与植物抗冷性1.1 冷害、抗冷性的概念及分类零上低温时,虽无结冰现象,但能引起喜温植物的生理障碍,是植物受伤甚至死亡,0℃以上低温对植物造成的危害称为冷害(chilling injury)。
而植物对零上低温的适应能力称为抗冷性(chilling resistance)。
在我国,冷害常发生于早春和晚秋季节,主要危害发生在作物的苗期和子粒或果实成熟期,处于开花期的果树遇冷害是会引起大量落花,使结实率降低。
根据植物对冷害的反应速度,冷害分为:一、直接伤害。
植物受低温影响数小时,最多在一天内即出现伤斑及坏死,直接破坏了原生质活性。
二、间接伤害。
植物受低温危害后,短时间无异常表现,至少在几天后才出现组织柔软、萎焉,因低温引起代谢失常而造成细胞伤害。
1.2 影响冷害因素冷害对植物的伤害不仅与低温的程度和持续时间直接有关,还与植物组织的生理年龄、生理状况及对冷害的敏感性有关。
温度低,持续时间长,植物受害严重,反之则轻。
在同等冷害条件下,幼嫩组织和器官比老的组织和器官受害严重;同一植株生殖生长期比营养生长期对冷害敏感,其中花粉母细胞减数分裂期前后最敏感。
1.3 冷害机制冷害对植物的伤害大致分为两个步骤:第一步是膜相改变,第二步是由于膜损坏而引起代谢紊乱,导致死亡。
1)膜脂发生相变。
在低温冷害下,生物膜的脂类由液晶态变化凝胶态,从而引起与膜相结合的酶解离或使酶亚基分解失去活性。
因为酶蛋白质是通过疏水键与膜脂相结合的,而低温使二者结合脆弱,易于分离。
相变温度随脂肪酸链的长度而增加,而随不饱和脂肪酸所占比例增加而降低。
温带植物比热带植物耐低温的原因之一是构成膜脂不饱和脂肪酸的含量较高。
膜不饱和脂肪酸指数,即不饱和脂肪酸在总脂肪酸中的相对比值,可成为衡量植物抗冷性的重要生理指标。
植物对低温的适应
植物对低温的适应
植物对低温有多种适应的机制,以便在寒冷的环境中存活和生长。
以下是一些常见的植物对低温的适应机制:
1. 冬眠:一些植物在低温季节会进入冬眠状态,减缓其生长和代谢过程。
这有助于保护植物免受低温引起的伤害。
2. 变色:一些植物在低温下会改变叶片颜色,以提高吸收和利用光能的效率。
例如,一些红叶植物在寒冷条件下叶片会变红,以增加叶片的温度。
3. 抗冻蛋白:一些植物会在低温下产生抗冻蛋白,以防止细胞的冻结和损伤。
这些蛋白质可以帮助维持细胞的结构完整性,并保护细胞免受冻结引起的压力。
4. 寒冷适应基因:一些植物具有寒冷适应基因,可以调节其生长和代谢过程以适应低温环境。
这些基因可以帮助植物在低温下维持正常的生理功能。
5. 规避低温:一些植物会在低温来临之前通过生长和繁殖的方式快速完成其生命周期,以避免低温对其生长和繁殖的不利影响。
这种策略被称为规避低温。
总的来说,植物对低温的适应机制是多样的,它们可以通过改变生长和代谢过程、产生特殊的蛋白质以及调节基因表达等方式来适应
寒冷环境。
植物抗寒的适应机制
植物抗寒性的适应机制1. 低温对植物生长发育的影响植物生长在自然条件下,其生长发育不可避免地要受到盐碱、干旱、低温、高热等极端环境的影响。
其中,温度是影响植物生长、发育,甚至导致植物死亡的最基本的决定因素和关键性的环境因子。
低温胁迫可对细胞膜系统及叶绿素合成、光合作用等过程产生影响;细胞内脯氨酸、甜菜碱的含量和细胞膜脂质过氧化产物丙二醛的含量也会发生变化,进而引起植物体内一系列的生理生化变化,如无氧呼吸加强、蛋白质变性、电解质外渗、激素平衡异常、根活力增加等⑴;低温冷害下参与相关信号转导的调控因子及功能基因的表达模式细胞的膜质组成、对糖类、多胺类等物质的积累能力及胞内酶活力等方面均发生改变[2];植物细胞骨架的结构及稳定性也受到影响,进而造成物质合成受阻,能耗增加,使植物的正常生长发育受到影响,甚至导致死亡。
所幸植物对低温胁迫的响应并非是完全被动的,在长期的进化过程中,植物本身能够感知和转导逆境信号,启动相关基因的表达,进而激活相应的代谢调控途径,形成了一系列对外界变化快速感知和主动适应机制,来缓解及降低胁迫造成的伤害⑶。
2. 植物抗寒性的适应机制2.1细胞骨架与抗寒性作为真核细胞内维持细胞立体形态的细胞骨架,其存在状态受细胞内外各种因素的协同调节。
在低温、干旱等逆境下,可通过自身组装与去组装将信息在胞内进行传递,具有其他细胞结构所不能替代的功能。
细胞骨架与跨质膜的细胞外基质受体是互相联结的,外界刺激(如机械刺激和高温、低温等)首先作用于这种跨膜的胞外受体,然后将刺激信号传递给细胞骨架,并经由细胞骨架这种“桥梁” 网络把细胞外信号传递给生命活动的控制中心一一核基因组,以及其他细胞器,进而对下游相关基因表达进行调控,基因表达的强弱及模式的改变又可反馈调节部分细胞器功能,形成一个统一、协调的调控网络。
而作为细胞骨架组成的基本成分,微管、微丝及中间纤维等结构在低温胁迫应答中也具有重要作用。
有关微管冷稳定性的机制,在动物细胞方面的研究较多,而对植物中的研究较少。
冷寒生理与植物的抗冷性
性寒害生理与植物抗寒温度是植物生长的必要条件之一,也是植物自然地理分布的主要限制因素。
低温会引起植物的寒害。
我国和全世界,每年由于寒害造成粮食作物、蔬菜、果树及经济作物的损失是十分巨大的。
因此,加强对植物寒害和抗寒性的研究,以及根据作物品种的抗寒力科学地确定其种植地区和播种期,培育抗寒力强的新品种,已成为农业生产中的重要问题之一。
寒害指由低温引起植物伤害的现象,包括冷害和冻害,植物对低温的适应性和抵抗能力称为抗寒性。
一、冷害生理与植物抗冷性(一)冷害的概念与症状冷害是指零上低温时,虽无结冰现象,但能引起喜温植物的生理障碍,使植物受伤甚至死亡。
而植物对零上低温的适应能力称为抗冷性。
冷害是很多地区限制农业生产的主要因素之一,处于热带的植物引种到北方不能忍受其零下的低温,易发生冷害。
在中国,冷害常发生于早春和晚秋季节,主要危害发生在作物的苗期和籽粒豁果实成熟期。
处于开花期的果树遇冷害时会引起大量落花,使结实率降低。
冷害对植物的伤害不仅与低温的程度和持续的时间直接有关,还与植物组织的生理年龄、生理状况及对冷害的相对敏感性有关。
温度低,持续时间长,植物受害严重,反之则轻。
在同等冷害条件下,幼嫩组织和器官比老的组织和器官受害严重;同一植株生长期比营养生长期对冷害敏感,其中花粉母细胞减数分裂期前后最敏感。
根据植物对冷害的反应速度,冷害可以分为:一是直接伤害,即植物受低温影响数小时,最多在一天之类即出现伤斑及坏死,禾本科植物还会出现芽枯、顶枯等现象,说明这种影响已侵入细胞内,直接破坏了原生质的活性;二是间接伤害,即植物受到低温危害后,植株形态在短的时内并无异常表现,至少几天之后才会出现组织柔软、萎蔫,这是因为低温引起代谢失常而造成的细胞伤害。
(二)冷害引起的生理生化变化1、细胞膜受损伤冷害使细胞膜透性增加,细胞内可溶性物质大量外渗,引起植物代谢失调,对冷害敏感植物,胞质环流缓慢或完全停止。
2、根系吸收能力下降低温使植物根系生长缓慢,吸收面积减少,细胞原生质粘性增加,流动性减慢,呼吸减弱,能量供应不足,使植物体内矿质元素的吸收与分配受到限制,同时失水大于吸水,水分平衡遭到破坏,导致植物萎蔫、干枯。
植物低温信号的感知、转导与转录调控
中国农业科技导报,2009,11(3):5-11Journal of Agricultural Science and Technol ogy 收稿日期:2009202224;修回日期:2009203219 基金项目:国家973计划项目(2006CB100102);国家杰出青年基金(30525034)资助。
作者简介:张融雪,硕士研究生,主要从事植物抗逆分子生物学研究。
Tel:010*********;E 2mail:zrx1230@ 。
通讯作者:黄荣峰,研究员,博士生导师,主要从事植物抗逆分子生物学研究。
Tel:010*********;E 2mail:rfhuang@caas .net .cn植物低温信号的感知、转导与转录调控张融雪1,2, 张治礼2,3, 张执金4, 黄荣峰4(1.海南大学农学院,海南儋州571737;2.中国热带农业科学院热带生物技术研究所,海口571101;3.海南省农业科学院,海口571000;4.中国农业科学院生物技术研究所,北京100081)摘 要:低温是植物生长的主要环境胁迫因子之一。
植物对低温的应激是一个复杂的过程,包括低温信号的感知、信号转导和转录调控等阶段。
低温可以通过质膜流动性的改变被质膜感知,也可以通过质膜上的钙离子通透性通道、组氨酸激酶、受体激酶和磷酸酯酶感知。
低温信号转导包括钙信号途径和其他信号途径,其中钙信号途径是低温应答过程中重要的信号途径。
在此途径中,因低温增加的胞质钙离子能被C DPK 、磷酸酶和MAPK 识别并传导;其他信号途径主要与ABA 有关。
低温信号最终将启动C BF 和非CBF 介导的转录调控,提高植物的低温抗性。
关键词:植物;低温;信号转导;转录调控中图分类号:Q756 文献标识码:A 文章编号:100820864(2009)0320005207S i gna l Percepti on,Tran sducti on and Tran scr i pti ona lRegul a ti on dur i n g Cold Stress i n Pl an tZHANG Rong 2xue1,2,ZHANG Zhi 2li 2,3,Z HANG Zhi 2jin 4,HUANG Rong 2feng4(1.College of Agriculture,Hainan University,Hainan Danzhou 571737; 2.I nstitute of Tr op ical B i oscience and B i otechnol ogy,Chinese Academy of Tr op ical Agricultural Sciences,Haikou 571101; 3.Hainan Acade my of Agricultural Sciences,Haikou 571000; 4.B i otechnol ogy Research I nstitute,Chinese Acade my of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China )Abstract:Cold is one of the key envir on mental stress ors which affect p lant gr owth and devel opment .The res ponse p r ocess of p lant t o cold is a comp lex p r ocedure .It includes several step s,such as l ow te mperature signal percep ti on,signal transducti on,transcri p ti on regulati on .Cold can be perceived by p las ma membrane either due t o changes inme mbrane fluidity or with the hel p of sens ors like Ca 2+per meable channels,histidine kinases,recep t or kinases and phos pholi pases .Cold signal transducti on includes calciu m signal path way and other signal path ways,of whichcalciu m signal path way is an i m portant path way of cold res ponse p r ocess in p lant .I n this path way,cyt os olic Ca 2+induced by cold can be recognized and transduced by CDPKs,phoshatase and MAPKs .O ther signal path ways are mainly related t o ABA.Cold signal will at last s witch on C BF and non 2C BF independent transcri p ti onal cascade,thus t o i m p r ove p lant resistance t o cold .Key words:p lant;cold;signal transduti on;transcri p ti on regluati on 低温是主要的环境胁迫因子之一,能引起植物细胞膜脂相变、细胞水分亏缺、体内酶的活性降低和光合速率下降,严重时能形成胞外冰晶,刺伤细胞膜导致细胞破裂,从而影响植物的生长,制约植物的地域分布和生长季节,并且影响农作物的产量和品质。
植物冷驯化作用机制的研究进展
贵州农业科学2018,46(9) :11〜14Guizhou Agricultural Sciences[文章编号]1001-3601 (2018)09-320-0011-04植物冷驯化作用机制的研究进展何天久,吴巧玉,雷尊国,李飞,陈恩发,夏锦慧**(贵州省农业科学院生物技术研究所,贵州贵阳550006)[摘要]低温胁迫是影响植物生长发育的主要环境因素之一,每年都有农作物因低温危害造成巨大的经济损失;冷驯化是植物应答低温做出的自我保护响应,在农业生产中对提高作物的低温适应性具有重要作用。
为同类研究及生产应用提供借鉴参考,从生理变化、细胞结构变化、相关功能基因及信号转导等方面对植物冷驯化作用机制的研究进展进行了概述,并对今后的研究方向进行了展望。
[关键词]植物;冷驯化;生理变化;细胞结构;作用机制[中图分类号]Q945. 78 [文献标识码]AResearch Progress on Plant Cold Acclimation MechanismH E T ia n:j iu,W U Q ia o y u,L E I Z u n g u o,L I F e i,C H E N E n fa,X IA J in h u i*(Biotechnological Institute , Guizhou Academy o f Agricultural Sciences , Guiyang, Guizhou 550006, China)Abstract :L o w te m p e ra tu re stress is one o f m ain e n v iro n m e n ta l fa cto rs in flu e n c in g p la n t g ro w th and d e ve lo p m e n t, w h ic h re s u lts in gre a t econom ic loss o f crops every year. C old a cclim a tio n is a p la n ts’ se lfp ro te c tio n response to lo w te m p e ra tu re. C old a cclim a tio n has an im p o rta n t e ffe ct on im p ro v e m e n t o f crops ^ lo w te m p e ra tu re adaptation. T h e research progress in p la n t cold a c c lim a tio n m echanism is review ed fro m fo u r aspects o f p h y s io lo g ic a l cha n g e,cell s tru c tu ra l cha n g e,re la te d fu n c tio n a l genes and signal tra n s d u c tio n to p ro vid e a reference fo r s im ila r research and p ro d u c tiv e a p p lica tio n. T h e fu tu re research d ire c tio n is prospected at th e same tim e.Key words:p la n t;cold a c c lim a tio n;p h y s io lo g ic a l cha n g e;cell s tr u c tu re;a ction m echanism植物在生长发育过程中常受到各种生物和非生物因素的影响,其中低温胁迫是影响植物生长发育的主要环境因素之一。
植物冷信号传递途径的生化研究
植物冷信号传递途径的生化研究植物的生长与发育受到环境的影响,其中温度作为一种重要的环境因素,尤其对植物的生长发育产生影响。
随着现代生物技术的进一步发展以及对植物生长发育机理的不断深入研究,关于植物冷信号的研究日趋重要。
冷是植物生长过程中常见的环境刺激之一,它使植物在生理、形态上发生许多变化,如缩短幼苗的生长速度、增加植株体积和平衡生长等。
植物对冷的响应与温度变化紧密相关,但是与高温响应机制不同的是,植物在体内生成众多的响应物质,针对挑战性环境条件展开积极的防御反应。
通过对高等植物响应低温的途径进行研究,研究人员发现,植物响应冷的过程中,存在一条识别冷信号的途径,通过这条途径生物体能够感知低温环境,从而启动相应的防御反应。
这一途径也是植物响应冷温度的基础,成为了冷信号传递途径。
冷信号传递途径的研究,主要集中在三个方面:冷温敏感离子通道、脯氨酸合成代谢及逆境蛋白生物合成。
冷温敏感离子通道冷温敏感离子通道是冷信号传递途径中最初被发现的关键分子,其作用是感知外界温度环境的变化并传递信息。
在植物体内,众多类型的离子通道与低温胁迫下的生理反应相关联,其中以冷温敏感钙离子通道(CNGC)为代表。
这一类离子通道对外界的冷刺激相当敏感,能通过开放或关闭通讯来调节细胞骨架结构和细胞内的离子浓度,从而引发植物体内的一系列生理反应。
脯氨酸合成代谢低温胁迫下,植物体内的代谢物质也会发生明显的变化,其中脯氨酸合成及其代谢途径在植物对冷的响应中发挥着至关重要的作用。
这些途径产生的代谢产物可同时参与到胁迫防御、信号传递和信号响应等过程中。
在植物中,脯氨酸通常是通过不同的途径合成的,如酰化途径、还原途径、脱酸途径和劫夺途径等。
因此,在冷信号传递途径的研究中,这一类途径对于寻找适合冷信号转导的生物分子具有至关重要的作用。
逆境蛋白生物合成在低温胁迫下,植物体内的各种生物小分子与蛋白质均会发生变化,这些变化包括逆境蛋白合成等,其作用在于调节植物体内蛋白质的结构与功能,从而起到积极的防御作用。
植物冷适应的分子机制和调节途径
植物冷适应的分子机制和调节途径植物是地球上生物的重要组成部分,而植物在极端环境的适应能力是生存的重要保障。
其中,低温环境是植物面临的常见压力环境之一。
随着人们对植物生长和发育过程的研究,逐渐了解了植物低温适应的分子机制和调节途径。
一、植物低温适应的分子机制1. 生理响应机制植物面对低温压力时,会发生一系列生理响应。
首先,植物会重建细胞膜的结构和透性,调整酶的构象和活性。
其次,一些结构蛋白和酶在低温适应过程中发挥着重要的作用。
比如,有一种叫做cold shock蛋白的蛋白质,能够帮助植物调整细胞和组织的功能,提高植物在低温环境中的存活率。
并且,植物通过启动自身的抗氧化防御系统,降低细胞内过多的ROS(反应性氧化物)浓度,防止细胞受到损伤。
2. 转录后调控机制除了生理响应机制,植物低温适应还涉及到基因的转录后调控机制。
低温环境下,植物启动了一些重要的调节途径,如SPF1、CAMTA3、HD-ZIP等。
在CAMTA3途径中,研究人员发现与转录因子CAMTA3相关联的若干个转录水平、信号转导、基因表达途径等产生了变化。
而SPF1和HD-ZIP蛋白则有助于提高植物的耐寒度,保护细胞免受低温侵害。
二、植物低温调节途径1. 质膜调节在之前提到的生理响应机制中,细胞膜的结构重建是其中一个重要的过程。
通过改变质膜的透性和构象,可以使细胞更好地适应低温环境。
研究人员发现,质膜的脂肪酸成分对植物的低温适应起着重要的作用。
在低温处理后,植物中一些富含不饱和脂肪酸的酶会发生变化,而且植物可以产生更多的脂肪酸来调节质膜的构象。
2. 蛋白质调节在植物适应低温环境的过程中,一些重要的蛋白质起到了关键性的作用。
比如,之前提到的冷休眠蛋白和SPF-1蛋白,都能够帮助植物应对低温侵害。
此外,还有一些植物激素,如ABA,能够促进植物在低温下的生长和发育。
3. DNA 甲基化调节DNA 甲基化是一种参与基因转录、表达和重组的重要生物学机制。
植物抗冷性生理生化研究进展
植物抗冷性生理生化研究进展植物抗冷性能力是植物对低温逆境的适应能力,其生理生化机制已成为植物逆境生物学中的研究热点。
目前,研究表明,植物抗冷性生理生化机制包括以下几个方面:膜的调节、渗透调节、蛋白质合成调节、激素调节和信号转导等。
一、膜的调节低温逆境对植物细胞膜的稳定性造成了很大的威胁,因此,维持细胞膜的稳定性是增强植物抗冷性的一个重要方面。
研究显示,植物调控细胞膜的脂质组成和结构是增强植物抗冷性的有效策略之一。
在低温胁迫下,植物通常会调节膜脂质的不饱和度和脂质组成,通过这些调节机制来维持细胞膜的稳定性。
同时,植物还可以通过降低膜的渗透性来增强细胞膜的稳定性,例如,调节细胞膜中的磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺的比例来达到减少冷冻脆性的效果。
二、渗透调节渗透调节是植物抗冷性的另一个重要机制。
植物在低温环境下会经历细胞脱水的过程,因此,维持细胞内的水分含量是增强植物抗冷能力的重要方面之一。
植物通常会通过调节细胞内溶液的渗透压,维持细胞的水分含量,从而增强植物对低温逆境的耐受性。
研究表明,植物在低温环境下,会积累大量可溶性糖、蛋白质和有机酸等化合物,这些化合物可以调节细胞内渗透压,增强细胞的耐冷性。
随着越来越多的分子机制得到解析,植物选择不同的化合物并调节它们的浓度,并最终调节细胞的渗透压,这种调节机制成为植物抗冷机理研究中的热点。
三、蛋白质合成调节蛋白质合成是细胞新陈代谢的关键过程,研究表明,维持细胞内合成蛋白的能力可以有效提高植物对低温逆境的耐受性,同时也对植物整体的生长发育起着至关重要的作用。
植物在低温逆境条件下通常会通过调节转录因子的表达来激活蛋白质合成的过程。
此外,植物还可以通过调节调控蛋白解除外部低温的影响,保障自身的正常代谢和生长。
最近的研究表明,小RNA分子也参与了植物的蛋白质合成调节,这些小RNA分子能够将冷信号转化为对蛋白质合成基因的调节,从而提高植物的抗冷性能。
四、激素调节植物激素在植物的抗冷性调节中也起着重要作用,研究表明,植物在低温环境下会改变细胞内植物激素的含量或者活性,进而调节植物的抗冷性。
植物和动物对逆境的响应机制
植物和动物对逆境的响应机制植物和动物对环境的适应能力极强,这得益于它们的逆境响应机制。
在极端环境中,植物和动物会表现出不同的表现形式,但都有一定的适应性。
下面我们将从植物和动物的逆境响应机制入手,来了解它们是如何适应恶劣环境的。
一、植物的逆境响应机制植物在环境中面临许多极端逆境,比如高温、寒冷、荒漠、盐碱等极端环境,那么植物是如何应对这些逆境的呢?1. 以耐受为主的响应机制在植物表现出逆境时,它的数个器官,例如根系、叶片、茎等,都会发生适应性变化,这种变化往往是为了保证植物在恶劣环境中的生存和生长。
比如在极端高温环境下,植物会通过调节光合作用速率、抗氧化物质的积累等方式抵御氧化应激;在极端干旱环境下,植物会通过调节根系功能、低速蒸腾等方式提高水分利用效率;在极端寒冷环境下,植物会通过调节脂肪酸合成及积累、糖的积累等方式提高其对低温的耐受性。
2. 以适应为主的响应机制植物最初接触到逆境时,会促进产生多种信号分子并传递到细胞内部,这些信号分子会启动基因表达并调控生物合成,这就是通过适应性响应机制来缓解逆境。
当植物长期生活在逆境条件下时,适应性响应机制就会成为主流,摆脱耐受性响应机制对植物内部的持续压力。
在长时间的逆境环境下,植物的生理、生化等方面会发生较为显著的变化,这种变化使植物能够更好地适应环境,比如在极端寒冷的环境下植物会增加脂肪酸含量,提高细胞膜的流率。
二、动物的逆境响应机制与植物不同的是,动物产生应激时它的表现方式可能更多地表现出主观感受。
动物大多依赖神经系统来适应环境的变化,如何适应和对抗环境对他们具有关键意义。
1. 雌性动物的逆境响应机制在动物中,雌性对逆境的适应能力更强。
比如在极端高温环境下,雌性动物在毛发、汗水等方面会表现出更好的适应性;在极端寒冷环境下,雌性动物在延长昼夜时间上会表现出更好的生理适应性。
2. 雄性动物的逆境响应机制与之相比,雄性动物表现出的逆境响应则表现出差异化。
植物抗逆性和应激响应的分子机制
植物抗逆性和应激响应的分子机制作为一种生命体,植物在生长发育过程中会面临各种各样的环境压力和生物压力,如干旱、盐碱、低温、高温、病虫害等,这些压力都会导致植物的生长发育受到不同程度的损害。
而在自然界中,植物的生长环境也会发生不同程度的变化,因此植物发展出一系列的应激响应机制,以适应环境的变化,保持生长发育的正常进行。
而这些应激响应机制的实现则依赖于植物的抗逆性。
本文将从植物抗逆性和应激响应两个方面阐述植物保持生长发育的分子机制,帮助人们更好地了解植物的适应性和耐受性。
一、植物抗逆性的分子机制1. 抗氧化机制生物体内的氧化还原反应是不可避免的,大量的代谢产物、胁迫因素以及其它外界因素都可以引起自由基的生成,如氧自由基、超氧阴离子、过氧化氢等。
自由基的堆积会导致氧化伤害,并引起生物分子的损伤和细胞死亡。
但是,植物通过多种阈值分子控制抗氧化机制,可以部分减缓氧化反应的进程,从而维持生命活动。
维持抗氧化稳态的脯氨酸是其中一个角色。
2. 脱水机制有些植物可以在干旱条件下生长,甚至仅仅依靠少量水分维持生命。
这些植物通过一系列的分子机制来保持脱水状态下的正常生长发育。
它们可以通过减少水分散失、加强切断持续的信号、紧缩根使其在土壤深处寻找水分、减缓水分过度损失、增加植株对水分的利用效率等多种机制维持干旱生存状态。
3. 钙质机制在植物细胞内,许多分子的机能都依靠钙离子和细胞塑性相互作用进行。
在胁迫条件下,钙的浓度会有所变化,但是植物可以通过一系列的钙质机制来调节植物细胞的功能,以适应外界压力。
这些机制包括调节钙离子的域、钙离子相关的蛋白、钙离子豁免点、钙离子通道、钙调素等。
4. 热稳性和冷稳性机制当植物受到高温或低温胁迫时,会影响其信号传导途径、内部酶及蛋白质活性、生长发育及其它一系列生理活动,这样就会对植物的生长发育产生一定的负面影响。
然而,植物可以通过一系列分子机制来适应不同温度下与外界的环境。
这些机制包括分子伴侣调节热激和冷激响应、多种植物激素介导的切割信号通路、脂肪生物合成等。
植物响应低温的生长发育及分子机制研究进展
吴宇欣,蔡昌杨,唐诗蓓,等.植物响应低温的生长发育及分子机制研究进展[J].江苏农业科学,2023,51(19):1-9.doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2023.19.001植物响应低温的生长发育及分子机制研究进展吴宇欣1,蔡昌杨1,唐诗蓓1,谢裕红2,王晓艳3,朱 强1(1.福建农林大学林学院,福建福州350000;2.福建省将乐县林业局,福建将乐353300;3.福建省三明市林业科技推广中心,福建三明353000) 摘要:低温作为一种主要的非生物胁迫,会使植物在生长过程中受到损伤,严重阻碍植物的正常生长和分布,并降低经济作物的产量,最终对自然界的稳定和社会生产活动产生不利影响。
开展植物响应低温机制的相关研究具有重要的实践应用价值。
本文综述在低温胁迫下植物冷驯化现象的发生及相关生理生化指标(如可溶性糖、脯氨酸、活性氧等)的变化,并着重介绍植物响应冷胁迫信号的网络调控机制,包括CBF依赖型信号转导途径和非CBF依赖型信号转导途径。
具体描述CBF依赖型信号转导途径中最重要的ICE1-CBF-COR信号级联通路,CBF转录调控的正、负调控以及调控途径中的转录后调控、翻译后调控等方面内容。
归纳目前基于基因工程技术提高水稻、玉米、小麦、番茄等农业作物抗寒性的研究进展,旨在为进一步提高植物抗寒性和培育耐寒植物新品种提供一定的参考。
关键词:植物;低温胁迫;ICE1基因;CBF基因;转基因 中图分类号:S184 文献标志码:A 文章编号:1002-1302(2023)19-0001-09收稿日期:2023-02-06基金项目:国家自然科学基金(编号:31870660);福建农林大学林学学科建设项目(编号:72202200201)。
作者简介:吴宇欣(1997—),女,江苏镇江人,硕士研究生,主要从事林木遗传育种研究。
E-mail:wuyuxin@fafu.edu.cn。
通信作者:朱 强,博士,教授,主要从事林木遗传育种研究。
植物抗寒性的分子机制
植物抗寒性的分子机制摘要植物在低温驯化过程中能诱导许多基因的表达,产生的一系列低温诱导蛋白,进而提高植物的抗寒能力。
在冷驯化过程中,质膜首先感受冷信号,调节胞质中IP3的含量,诱导胞质Ca2+浓度的升高,从而激活CBF基因的表达。
不饱和脂肪酸也有助于提高植物的抗寒性。
关键词:耐寒性低温诱导蛋白 CBF转录因子不饱和脂肪酸分子机制ABSTRACTPlant can induce expression of many genes during cold acclimation, a series of proteins named low-temperature-induced proteins are produced, and then improve the ability of plant’s freezing tolerance. Plant cells can sense cold stress at the cell membrane, then increase cytosolic Ca2+ and trigger the expression of CBFs during cold acclimation. Fatty acid desaturases can also improve the ability of plant’s freezing tolerance.Key words:cold tolerance low-temperature-induced proteins CBF transcriptional factor fatty acid desaturases molecular mechanisms目录前言 (4)一低温诱导蛋白及其功能 (5)1.1防止细胞冰冻缺水 (5)1.2保护酶在低温下正常行使功能 (5)1.3低温诱导具有调节功能的蛋白 (6)1.4低温诱导产生对RNA起稳定作用的蛋白质 (6)1.5低温诱导热激蛋白 (6)二低温诱导基因的表达调控 (8)2.1植物中的CBF转录因子 (8)2.1.1 CBF转录因子的功能 (8)2.1.2 CBF转录因子作用机制 (8)2.1.3 CBF2基因负向调控CBF1、CBF3基因的表达 (9)2.2低温胁迫信号的转导 (9)2.3 RNA的修饰和核质转运 (10)三脂肪酸的去饱和作用与植物的抗冻性 (11)四研究展望 (12)参考文献: (13)前言冻害是农业气象灾害的一种,即作物在0℃以下的低温使植物细体内结冰,对膜造成机械性破坏,或导致细胞质脱水,严重影响植物生长发育甚至导致死亡,这在温带地区最常见。
植物ICE1-CBF冷反应通路的激活与调控研究进展
植物ICE1-CBF冷反应通路的激活与调控研究进展魏俊燕;赵佳;赵仕琪;周棋赢;袁正仿;李先文【摘要】Cold stress signal is sensed while changes of cell membrane fluidity in plant cells cause the changes of Ca2+ influx. The rising of Ca2+in cytoplasm leads to the changes of activities of various calcium-regulating proteins in plant cells, then cold-responsive genes are activated by cascade reactions, and thus plant resistance to low temperature is enhanced. At present, it is almost certain that the main path of activating cold-responsive genes is ICE1-CBF regulatory pathway. In this paper. We review the recent studies of the cold signal sensing and transduction, expression activation and regulation of cold-responsive genes in plant cells, whichlays the theoretical foundation for the further study of cold acclimation of plants.%植物细胞可能是通过细胞膜流动性的改变引起胞质Ca2+浓度变化来感受低温信号的。
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ISS N 100727626C N 1123870ΠQ中国生物化学与分子生物学报Chinese Journal of Biochemistry and M olecular Biology2008年4月24(4):295~301・综述・植物冷驯化相关信号机制夏金婵, 吕 强, 郭梅芳, 何奕昆3(首都师范大学生命科学学院,北京 100037)摘要 植物经过非致死温度的处理可以获得更强的抗冷能力叫做冷驯化,主要包括寒驯化和冻驯化.在冷驯化过程中,质膜首先感受冷信号,调节胞质中IP 3的含量,诱导胞质Ca 2+浓度的升高,从而激活CB F 基因的表达.至今已经克隆了大量的冷调控基因,组成了复杂的信号传导网络,其中ICE12C BF 2C OR 通路在植物的冷驯化过程中起到重要的作用.ICE 1基因编码一个MY B 类型的碱性螺旋2环2螺旋(bH LH )转录因子,在上游调节CB F 和其它转录因子的表达,提高抗冷性.H OS1蛋白通过泛素化介导的蛋白降解负调控ICE1,另外,C BF 还通过转录的自我调控保持恰当的表达水平.基因的分析研究证明,RNA 修饰和核质转运在植物的抗冷过程中也具有重要作用.在不依赖于C BF 的途径中,转录因子H OS9和H OS10在调节抗冷有关基因的表达和提高抗冷能力方面具有至关重要的作用.关键词 植物;冷驯化;C BF ΠDRE B ;转录因子中图分类号 Q78Cold Acclimation of H igher PlantsXI A Jin 2Chan ,L ΒQiang ,G UO Mei 2Fang ,HE Y i 2K un3(College o f Life Sciences ,Captal Normal University ,Beijing 100037,China )Abstract C old acclimation ,including cool acclimation and freezing acclimation ,is a process through which certain plants increase their freezing tolerance after being exposed to chilling tem perature.Plant cells can sensecold stress at the cell membrane ,then increase cytos olic Ca 2+and trigger the expression of CB F s during cold acclimation.Many of the C BF genes have been identified and is olated.They participate in a com plex regulatory netw ork ,am ong which the ICE12C BF 2C OR takes an im portant role in the signal transduction regulatory processes.ICE 1encodes a MYC 2type basic helix 2loop 2helix transcription factor and is able to activate the expression of C BFs and other regulon by binding to MYC cis 2element to its prom oter upon cold stress.Protein ubiquitination in cold stress response is als o known to regulate the expression of C BF upstream regulon.Ubiquitinated ICE1by H OS1is targeted for proteos omal degradation.H OS9and H OS10play im portant roles in the regulation of cold 2responsive genes by a C BF 2independent pathway.The expression levels of C BFs are self 2regulated for their optimized transcription.M oreover ,genetic analyses have revealed that the RNA processing and the nucleocytoplasmic transport of C BFs played crucial roles in the responses of plants to cold stress.K ey w ords plant ;cold acclimation ;C BF ΠDRE B ;transcription factor收稿日期:2007209218;接受日期:2007212212国家自然科学基金资助(NO.30328003)和北京市教委科技发展计划面上项目(N o.2007C B948200)3联系人 T el :010*********;E 2mail :yhe @Received :September 18,2007;Accepted :December 12,2007Supported by National Natural Science F oundation of China (N o.30328003)and G eneral Program for Science and T echnology C ommission F oundation of Beijing (N o.2007C B948200)3C orresponding author T el :010*********;E 2mail :yhe @ 低温是植物经常遭受的一种逆境胁迫.它限制作物的产量,影响植物的自然分布.剖析植物对低温的应答机制、提高其抗低温能力在农业生产上有重要意义.为了适应和抵抗低温胁迫,植物在长期进化过程中形成了“冷驯化”(cold acclimation )应答保护机制:植物经过非致死温度的处理可以获得更强的抗冷能力叫做冷驯化.冷驯化又可细分为寒驯化(cold acclimation ,喜温植物在中度低温10~12℃环境中的冷驯化)和冻驯化(freezing acclimation,植物在0℃以上环境中的冷驯化).目前,通过各种筛选和克隆的方法已得到一系列与冷驯化信号途径相关的基因.例如:CB F,COR,KIN,L TI或RD基因.对这些基因的分离和功能分析为我们绘出了植物冷驯化信号通路的大致轮廓.1 第二信使C a2+在脱落酸(abscisic acid,ABA)非依赖冷驯化信号传导过程中,细胞首先通过膜的流动性和蛋白构象的变化感受冷信号,并且激活Ca2+通道,诱导胞质Ca2+的瞬时增加,上调冷驯化信号途径中CB F和COR基因的表达[1,2].拟南芥中与冷、ABA信号有关的fry1基因编码多磷酸肌醇12磷酸,可使1,4,52三磷酸肌醇(IP3)脱磷酸,负调控细胞中IP3的水平.在冷或ABA胁迫下fry1突变体中积累较多的IP3,并且持续保持较高水平的IP3含量,因此比野生型中更加强烈地诱导COR基因(RD29A,KIN1, COR15A,COR47A和ADH)的表达,而野生型中IP3含量的升高是瞬间的[3].hos2突变体是由FRY1蛋白的单个氨基酸被置换所生成的,在冷胁迫下突变体中COR基因的表达显著高于野生型,而对ABA 没有反应[4].而且,拟南芥的Cax1(calcium exchanger 1)突变体的液泡上缺少Ca2+ΠH+反向运输,从而导致CB F和COR基因的高表达提高抗冷能力[5].这些结果暗示,在冷信号传导过程中,IP3作为重要的信号分子介导细胞内钙库储存的Ca2+释放到胞质,从而调控CB F和COR基因的表达.冷驯化可以诱导ROS(例如H2O2)的产生.ROS 可能影响Ca2+信号,激活有丝分裂原激活的蛋白激酶(M APK)和氧化反应转录因子.FRO1基因编码线粒体中电子传递链复合物1(NADH脱氢酶)的Fe2S 亚单位(非生物胁迫下一个可能的ROS的产生位点).因此,fro1突变体中累积了较多的ROS,在没有冷的胁迫下fro1突变体中高水平的ROS激活Ca2+信号,使细胞对冷诱导的钙信号不敏感,导致COR 基因的下调,降低冷驯化[6].在ABA依赖的冷驯化信号传导过程中,ABA作为第二信使传导冷信号在los5突变体中部分的得到证明.在冷处理下,los5 (ABA合成缺陷)降低了COR基因的诱导表达水平,所以不能抵抗低温[7].植物冷驯化的信号传导网络如Fig.1所示[8].T able1 Abbreviations of genes related to cold acclim ation and othersAbbreviationsG enes related to cold acclimationAZF2Arabidopsis zinc2finger2CB F s C2repeat(CRT)2binding factorsCOR C old2regulatedDRE B Dehydration2response element2bindingES K1ESKI M O1FRY FIERY,inositol polyphosphate12phosphatase FRO1FROST BITE1H OS High expression of osm otically responsive genes ICE1Inducer of C BF expression1IP3Inositol21,4,52triphosphateKIN C old2inducedLTI Low2temperature2inducedLOS Low expression of osm otically responsive genes MAPK Mitogene2activated protein kinaseRD Responsive to dehydrationSTZ Salt2tolerance zinc fingerSCOF1S oybean cold2inducible zinc finger proteinSG B F1S oybean G2Box2binding factor1OthersABA Abscisic acidbZIP Basic2leucine zipperbH LH Basic helix2loop2helixC2H2Cysteine22and histidine22EP2A cis2element originally identified in52enolpyruvylshikimate232phosphate synthase geneprom oterMYB MyeloblastosisMYC Myelocytomatosis2 CBF调控的信号通路与表达的自我调控研究发现,冷驯化过程同时涉及依赖ABA和非依赖ABA的信号传导过程[9~11],但依赖ABA的具体调控机制尚未阐明.在非依赖ABA的信号转导途径中,C BFΠDRE B脱水响应元件结合因子类基因是近年来植物冷驯化研究方面的突破性进展.该类基因受冷的诱导表达,属AP2/ERE BP转录因子家族,有保守的AP2ΠERE BP结构域[12,13],该结构域由约58个氨基酸组成,能与DREΠCRT DNA调节元件相互作用,调节启动子区域含该顺式作用元件的基因的表达,主要在低温和短日照下启动表达,使细胞表现出抗冷能力[14,15].超表达CB F1和CB F3能强烈诱导COR基因表达,提高植物对冷胁迫的耐受能力.ICE1基因编码1个MY B类型的碱性螺旋2环2螺旋(bH LH)转录因子,为组成性表达并定位在核692中国生物化学与分子生物学报24卷内,受冷刺激后表达稍有增强.在冷胁迫下,它与CB F3启动子区的MY C顺式作用元件结合激活CB F3基因的表达.拟南芥ice1突变体抑制CB F3基因的表达,进而降低许多CB F目的基因的表达,削弱了植物的寒冷耐受和冷驯化的能力.过量表达ICE1基因能提高CB F和COR基因的表达及对冷的抵抗能力.ICE1需要经过冷诱导的构型变化(可能是通过磷酸化和去磷酸化作用)调节活性从而激活下游基因的表达[16].ice1突变体的ICE1多肽链第236位的精氨酸被组氨酸替代,可能会影响附近243和245位的丝氨酸(潜在的磷酸化和去磷酸位点)磷酸化和去磷酸,从而影响与CB F3启动子区域的MY C 顺式作用元件结合,致使靶基因(CB F3)表达 量下降[16].最近,发现1个R2R3类型的MY B转录因子能与ICE1相互作用,在冷胁迫下负调控CB F 基因的表达[17].另外,通过对CB F2启动子突变体的分析鉴定了2个作用于冷驯化调节CB F2表达的片段(ICEr1和ICEr2)[18],这些证明或许有类似ICE1的bH LH转录因子或者是MY B转录因子调节CB F 基因的表达[18,19],这些转录因子间或许相互作用.拟南芥中的HOS1基因编码1个915个氨基酸的蛋白,在N末端有一段很短的序列与动物中I AP (inhibitor of apoptosis)中所含有的RI NG(really interesting new gene)2finger domain相似.体外泛素化研究证明,H OS1是1个有功能的RI NG2finger蛋白,具有泛素E3连接酶的活性,催化特定的信号蛋白水Fig.1 Schem atic illustration of regulatory netw ork involved in cold acclim ation in plant[8]C old2stress activates the ICE protein,which triggers the expression of CB F s,and in turn induces expression of down2steam genes.H OS1negatively regulates ICE1by proteos omal degradation,C BFs als o self regulate their transcription to optimize their expression levels.RNA processing and nucleocytoplasmic transport play crucial roles in plant responses to cold stress.H OS9and H OS10regulons negatively regulate C BF2target genes by aC BF2independent pathwayD otted line(→)indicate possible regulation;Arrow( ),active or induction of expression;Line ending with cross line(),repression 792第4期夏金婵等:植物冷驯化相关信号机制 解.在hos1缺失突变体中CB F基因过量表达,说明H OS1可能是CB F基因上游的负调解物.H OS1与ICE1相互作用证明,H OS1通过催化ICE1蛋白的水解来负调节ICE1靶基因的表达[20].在冷的胁迫下泛素化或许也调节蛋白的合成.拟南芥中1个受冷热上调的F2box蛋白AtF BP7(At1g21760)是温度胁迫下蛋白合成所必需的[21].但其作用机制还不太清楚.在ICE12C BF2C OR途径中,除了未知的受体、Ca2+、IP3等,Ca2+受体、Ca2+依赖的蛋白激酶和有丝分裂原蛋白激酶(例如:M APKK2、M APK4和M APK6)级联反应也参与其中[22~24].冷驯化通过上调和下调许多基因的表达调整植物的生长代谢[25].因此,通过反馈抑制保持恰当的冷诱导蛋白水平是必须的.1个C2H2锌指结构蛋白和1个双链的RNA结合蛋白已被证明是冷信号传导途径中的负调控因子.在拟南芥中受冷、ABA、干旱和盐胁迫诱导的C2H2锌指蛋白AZF2和盐耐受锌指蛋白Z AT10(STZ)的启动子区含有DRE、MY B和MY C识别位点[26].所以,这些基因的表达受到与这些顺式作用元件结合的转录因子的调控.CB F3的超表达能增强ZAT10(STZ)的表达[27].相反,在ice1突变体中,CB F3的缺失降低了A ZF2和ZAT10 (STZ)的表达[16],所以,ICE1诱导CB F3的表达或许可能通过DRE顺式作用元件正调控A ZF2和ZAT10(STZ)的表达.ZAT10(STZ)基因的诱导在los2突变体中是强烈持久的,而在野生型中是快速瞬时的,因此,LOS2是ZAT10(STZ)的负调节因子[28].另外,Z AT10(STZ)可以通过与RD29A启动子区-554到-522的STZ识别位点(ACT AG TG AN13TCT AG T AAG)结合抑制RD29A的表达[28].所以,los2突变体中COR基因的表达受到调控.凝胶移位分析表明,AZF2和Z AT10(STZ)能与EP2序列(与负调节因子结合的顺式作用元件)中的A(GΠC)T顺式作用元件特异结合.因此,对含有EP2序列的基因表达起抑制作用.超表达CB F的转基因植株中诱导STZ的高表达,STZ抑制一些参与光合和碳代谢的基因,抑制转基因植物的生长[26].CB F 诱导的锌指蛋白可反馈抑制C BF的表达[29].另外, fry2突变体对冷超敏感,在冷和ABA的处理下,强烈诱导CB F和COR基因的表达,这说明FRY2也是CB F和COR基因的负调控因子[30].基因分析证明, FRY2RNA聚合酶Ⅱ的C端磷酸酶是通过RNA聚合酶Ⅱ的去磷酸化控制转录和mRNA的延伸,从而调控COR基因的表达[30,31].但是,fry2突变体对冷的敏感性说明FRY2或许正调控抗冷性的某些基因.锌指蛋白Z AT12编码1个转录抑制因子,它的超表达能够阻遏冷诱导CB F基因的表达,对CB F冷驯化途径起负调控作用[32].在冷信号传导过程中,C BF蛋白的自身反馈调节也具有重要的作用.拟南芥los1突变体缺失转录延伸因子2,影响蛋白的合成,不能通过C BF蛋白抑制CB F基因的表达.因此,在冷的胁迫下强烈诱导CB F基因的表达,而低水平的诱导COR基因的表达[33].与野生型相比,CB F2突变体中CB F1和CB F3的表达量升高,表现出更强的冷冻抵抗能力,说明CB F2蛋白在冷驯化过程中调节CB F1和CB F3的表达[34].而CB F2的表达水平可能通过CB F3来调节,因为在ice1突变体中,CB F3的表达受到抑制的同时,CB F2的表达升高[16].但对CB F 基因在自身相互调节和在冷驯化中的作用仍需要进一步分析研究.拟南芥sfr6(sensitive to freezing6)突变体在低温条件下,CB F1、CB F2、CB F3表达水平与野生型相比并未下降,而下游靶基因COR的表达却显著减少,推测SFR6可能调控C BF蛋白对COR基因的转录激活能力或COR基因转录后调节[35].利用A ffymetrix拟南芥24K芯片发现,在受冷诱导的514个基因中,302个基因上调,212个下调[29,36].在CB F2超表达植株中,85个基因上调,8个基因下调.所以,除了C BF外,还有其他的转录因子在冷驯化过程中起作用.但是,在25个显著上调的基因中,21个是受CB F2异位表达调控的,而且, Z AT12调节因子比C BF转录因子调控的基因少得多.这些结果表明,冷诱导大量基因的表达,其中CB F信号转导途径起着重要的作用.对去春化的基因表达研究发现,212个基因上调,320个基因下调,因此在冷驯化中,主要是诱导基因上调,而不是下调[37].值得注意的是,冷胁迫还可以诱导2个AP2类蛋白RAP211和RAP216的表达[12],RAP211的启动子区含有CRTΠDRE元件,所以,CB F的异位表达强烈诱导RAP211的表达,可能是C BF转录因子的靶基因[36].3 不依赖于CBF的调节因子在依赖ABA的信号传导途径中,调节基因表达的转录因子属于bZIP(ABRE结合因子或ARE B)、MY C或MY B家族.在拟南芥中克隆了1个受冷和ABA诱导的bZIP基因,其下游基因还不清楚,但是892中国生物化学与分子生物学报24卷发现了一个激活bZIP转录因子的C2H2类型的锌指蛋白,通过ABRE元件调节COR基因的表达.在拟南芥中过表达大豆中的1个冷诱导的锌指蛋白SC OF1能够诱导COR基因的表达,提高抗冷性.大豆中的1个冷诱导的bZIP转录因子SG BF1(G2box 结合因子),在冷驯化中依赖ABA诱导COR基因的表达.S OCF1能提高SG BF1的DNA结合活性[38].最近,在拟南芥中通过正向遗传学鉴定了2个转录因子H OS9和H OS10,参与抗冷过程[39,40].HOS9和HOS10分别编码1个推测的同源转录因子和R2R3类型的MY B类转录因子,转录不受冷的诱导,基因的缺失突变体降低本底和获得性的抗冷能力.与野生型相比,在hos9和hos10突变体中,尽管CB F的表达没有改变,但是对冷的胁迫敏感,因此,HOS9和HOS10在调节冷驯化的过程中是不依赖于CB F 的,并起重要的作用[39].1个未知功能的蛋白ESK1的突变导致对冷的抵抗,但影响的基因与C BF转录因子不同[41].同样,转录调节因子ADA2的突变也增强抗冷能力,但不是COR基因的变化所引起的[42].4 RNA的修饰和核质转运在冷胁迫中的重要作用 在冷驯化过程中,基因的诱导和组成性表达的转录都需要加工、运输到细胞质保持一种适合翻译的构型.RNA可被折叠成二级结构从而影响它的功能.低温加剧了这种干扰.在细菌中,与核酸结合的冷激蛋白(CSP)在低温的条件下积累,作为一种转录增强子降低RNA二级结构的稳定性,并且抑制转录的终止[43].在冷的胁迫下植物中一些含有CSP结构域的蛋白上调,也可能是作为RNA伴侣调节翻译[44,45].RZ21a是拟南芥中的一个锌指结构、甘氨酸含量丰富的RNA结合蛋白,在冷的胁迫下上调.基因分析证明它在抗冷方面具有作用[46].另外一类RNA伴侣,RNA解旋酶,也参与RNA 的代谢.在蓝细菌中,参与冷胁迫过程的一个DE AD2 box RNA解旋酶可能通过5′非翻译区伸展RNA的二级结构[47].在植物中有一大类DE AD2box RNA解旋酶.在拟南芥中其中的一个DE AD2box RNA解旋酶LOS4在植物的抗冷反应中起重要的作用[48],参与RNA有效的从核转运到胞质[49].拟南芥中的核蛋白AtNUP160(Arabidopsis nucleoporin)控制RNA的运输,在抗冷过程中是至关重要的[50].因为los4和atnup160突变体没有生长和发育上的缺陷,在其他非生物胁迫下也没有明显的变化,所以LOS4和AtNUP160蛋白只有在冷的胁迫下才会影响RNA的核质转运.有趣的是两个突变体中都影响C BF基因的表达.5 研究展望对植物冷驯化过程的研究已经成为目前科学研究的热门领域.植物细胞或许通过膜的流动性或结构的变化感受冷信号,但到目前为止具体的机制还不清晰;冷胁迫诱导过氧化氢的产生,过氧化氢通过M APK信号级联反应传递冷信号,可M APK信号途径如何与转录调节因子发生作用,调节冷诱导基因的表达还不知道;在C BF不依赖的信号途径中,一个未知功能的蛋白ESK1的突变导致对冷的抵抗,但是影响的基因与C BF转录因子不同,同样,转录调节因子ADA2的突变也增强抗冷能力,但不是COR基因的变化,2个转录因子H OS9和H OS10也参与植物的抗冷反应,他们的上下游基因都还不是十分清楚,这些都还需要进一步的研究.另一方面通过转化冷驯化过程中的关键基因,在很大程度上改善了植物的抗冷能力.但是植物对冷的耐受能力是有微效多基因控制的数量性状[51],单个基因的转入根本不能全面提高植物的抗冷能力.因此通过正向和反向遗传学的方法和生物化学的方法、或许建立和应用一种全新的研究方法研究冷驯化的精细网络信号转导过程迫在眉睫,从而利用相应的基因改良作物的抗冷能力.参考文献(R eferences)[1] Orvar B L,Sangwan V,Omann F,et al.Early steps in cold sensingby plant cells:the role of actin cytoskeleton and membrane fluidity[J].Plant J,2000,23(6):7852794[2] Sangwan V,F oulds I,S ingh J,et al.C old2activation of Brassicanapus BN115prom oter is mediated by structural changes 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