植物耐受高溫脅迫的分子機制研究進展

江珊，吳龍英，趙寶生，黃佳惠，蔣宇喆，焦元，黃進

（成都理工大學生態環境學院，成都 610000）

0 引言

隨著人類活動的加劇，溫室氣體的排放量顯著增加，導致全球地表氣溫不斷上升。研究數據顯示，2011至2020 年，全球地表平均溫度比1850 至1900 年期間升高了1.09℃（范圍在0.95～1.2℃之間），相較于2003至2012 年，則上升了約0.1℃（范圍在0.16～0.22 之間）。據估計，未來20 年全球溫度的上升幅度將達到或超過1.5℃[1]。持續高溫對植物的正常生理活動產生了顯著的影響，不僅影響到植物的生長、發育，甚至可能威脅到它們的生存。以光合作用為例，該過程在高溫條件受到明顯的抑制，植物為了適應高溫，其蒸騰作用和呼吸被迫增強。但如果植物長期處于這種不利環境，當呼吸作用導致的能量消耗量超過了光合作用能量的積累，植物的生長明顯受阻，嚴重時甚至威脅到植物的生存[2]。高溫條件下植物光合效率的下降主要是是由于植物葉片中的葉綠素含量的減少及包括酶在內蛋白質分解速度的加快[3]。而蛋白質的加速分解，不僅會造成相關酶活性的不足，蛋白質分解所產生的過量的氨也可造成對細胞的毒害，進而進一步損害植物的正常生理和生化活動。

在農業生產實踐中，高溫脅迫對作物的產量以及品質的影響尤為顯著。以水稻為例，高溫脅迫已被證實可導致稻米產量的顯著下降。研究表明，在水稻的孕穗期的高溫脅迫可導致水稻的結實率下降15%左右[4]。在水稻開花期，特別是開花當天的高溫天氣可明顯影響植物受精，導致花粉敗育[5]。此外，如水稻在灌漿期遭受高溫脅迫，其光合速率和同化產物積累也會受到嚴重影響，由于秕谷粒增多和粒重下降，進而導致水稻減產嚴重[6]。從品質角度來看，高溫環境還可能導致水稻堊白粒率上升和堊白面積增大，并改變支鏈淀粉的精細結構，致使稻米品質顯著下降[7]。因此，探索植物應對高溫脅迫的機制，對指導農作物品種的選育及建立科學的田間管理制度均具有重要的意義。

1 高溫脅迫對植物的影響

由于植物無法像動物一樣通過遷移來應對環境脅迫，其代謝以及生長發育等生理生化過程極易對周邊環境的影響極其敏感。根據脅迫來源，可將脅迫劃分為生物脅迫和非生物脅迫。高溫脅迫是指由于環境溫度高于植物生長的適宜溫度范圍，從而對植物產生不利影響的一種非生物脅迫[8]。大多數植物可適應的最高溫度一般不超過35℃，一旦超出，植物即面臨高溫脅迫[8]。而根據持續時間的不同，高溫脅迫被可分為長期（幾天或幾個星期）和短期（幾分鐘或幾個小時）兩種形式，無論是長期還是短期的高溫脅迫均可影響植物的形態、光合作用、呼吸作用等，進而影響植物的生理狀態和生長（圖1）[9]。

圖1 高溫脅迫對植物的影響及植物應對高溫脅迫的分子機制

1.1 高溫脅迫對植物形態的影響

維持正常的形態特征是植物確保發育以及產量的重要前提，然而高溫可造成植物種子萌發率降低，并對幼苗期植物胚根和胚芽的生長和發育造成不利影響[10-11]。而在生長期和繁殖期，持續的高溫脅迫可造成花期及成熟期植物結實器官敗育[12-13]、雌雄配子體畸形、果實畸形以及粒徑減小等，從而導致作物產量和品質的顯著下降[14-15]。此外，雖然生物節律調控機制在植物應答非生物脅迫過程中發揮著重要的作用，但其在植物應對高溫脅迫中的具體作用仍有待研究[16]。

1.2 高溫脅迫對植物生理生化特性的影響

植物通過調整體內的代謝產物含量或者酶活性以應對外界脅迫，因此脅迫相關代謝物含量及酶活性常作為衡量植物應對逆境脅迫能力的關鍵指標。這些代謝物主要包括脯氨酸(Proline，Pro)、丙二醛(Malondialdehyde，MDA)、谷胱甘肽(Glutathione，GSH)、過氧化氫(Hydrogen peroxide，H2O2)，而相關的酶主要是抗氧化酶[17-18]。在高溫脅迫下，這些生理、生化參數的變化表現為Pro、MDA 及GSH 含量的上升、過氧化物含量的升高及抗氧化酶活性的加強。脯氨酸不僅是高效的滲透壓調節劑，其在著螯合重金屬、抵抗過氧化物損傷以及傳遞信號等過程中發揮作用[19]。在高溫條件下，植物體內的脯氨酸合成途徑（谷氨酸途徑和鳥氨酸途徑）被激活，同時脯氨酸合成酶的水解反應則受到抑制，導致脯氨酸在植物體內的累積。MDA是膜脂質過氧化的指示性產物，其含量提升表明高溫脅迫下細胞膜的損傷程度[20-21]。還原型GSH則是細胞內重要的抗氧化劑，可以保護植物細胞免受氧化損傷，以提高植物對高溫脅的耐受能力[22]。此外，在高溫脅迫下，由于植物葉綠體和線粒體機能受到抑制，過氧化氫(H2O2)、超氧自由基(Superoxide radical，O2-)以及羥基自由基(Hydroxyl radical，-OH)等物質快速生成和積累，同時超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶(Fungal catalase，CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(Glutathione peroxidase，GSH-Px)等酶的活性也會相應增強，以防止這些活性氧物質對植物造成進一步的傷害[23]。

1.3 高溫脅迫對植物呼吸作用的影響

植物的呼吸作用涉及氧氣、葡萄糖以及淀粉等有機物質的氧化分解，在這個過程中釋放出能量以維持生物體的正常生命活動，這一過程依賴于多種酶的參與。短時間的高溫脅迫可刺激植物的呼吸過程，促進有益物質的合成以及加快蛋白質的運輸周轉，同時清除或降解高溫下植物體內累積的各類有害物質[24]。反之，長時間的高溫脅迫則可能導致植物體內的營養物質的過度消耗，減弱與呼吸相關酶的活性甚至導致其失活，從而抑制呼吸作用，影響植物的生長發育和高溫適應能力。此外，高溫脅迫亦可造成植物中核酮糖二磷羥化酶或加氧酶同化活性的降低，即光呼吸增強。盡管光呼吸是植物應對高溫脅迫的重要方式之一，但是長時間的光呼吸作用及該過程中產生的氨會對植物造成不良的影響[25]。

1.4 高溫脅迫對植物光合作用的影響

高溫不但影響植物的呼吸過程，還顯著影響其光合作用，而光合作用也是植物中最易受到高溫影響的代謝過程[26]。短期高溫脅迫主要導致氣孔限制引起的光合速率降低，而長時間的高溫脅迫造成的光合速率降低則由非氣孔限制相關原因導致[27]。研究表明，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco ribulose-1,5-bishosphate carboxylase，Rubisco)失活以及光系統PSⅡ結構改變是長期高溫下非氣孔限制導致光合效率降低的主要原因[28-30]。同時，在高溫的脅迫下，植物葉綠體內超氧化物歧化酶的活性受到抑制，從而造成葉綠體結構如負責光化學反應的類囊體受損[31-32]。

在植物的生命活動中，高溫脅迫也可能觸發包括植物內源性激素、水分代謝、細胞膜熱穩定性等水平的變化，以提高植物對環境的適應能力[33]。因此，高溫脅迫下各種生理生化參數的變化反映了植物就應對高溫脅迫的不同策略，而潛在的分子機制依然是當前科學研究的熱點。

2 植物應對高溫脅迫的分子機制

為了適應高溫環境，植物自身也進化出了復雜且多樣的防御機制。而這些分子機制涉及復雜的分子調控網絡，包括信號傳導途徑、轉錄因子的調節功能以及抗逆相關基因的表達[34-35]。

2.1 信號傳導途徑

在面對高溫脅迫時，細胞膜是最先感應溫度的變化的細胞結構，它通過產生高濃度的Ca2+發起信號傳導[36]。Ca2+是細胞內重要的第二信使，負責將脅迫信息傳遞至下游分子及信號通路，以激活植物的脅迫應答機制[37]。研究發現，通過抑制Ca2+信號轉導途徑中鈣調蛋白(Calmodulin，CaM)，可調控鈣調素結合轉錄因子(Calmodulin-binding transcription factor，CAMTA)的轉錄活性，進而提高植物的高溫耐受能力。但是我們該過程中所涉及的分子機制仍然了解有限[38]。遭受高溫脅迫導致活性氧(Reactive oxygen species，ROS)在細胞內大量積累，植物借助氧化信號傳導途徑，如絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinases，MAPK)、Nrf2 (Nuclear factor erythroid 2-related factor 2)、SnRK2 (SNF1-related protein kinase 2)等抗氧化防御機制，以激活抗氧化酶活性[39-40]。植物體內相關抗氧化酶活包括SOD、CAT、GSH- Px、過氧化物酶(Peroxidase，POD)等。這些酶通過清除過量的ROS幫助植物適應高溫環境[41-43]。

此外，激素信號傳導途徑也是植物響應脅迫的關鍵機制之一。在高溫條件下，通過積累激素，植物能夠激活特定的信號途徑，以此來調節生長發育并提升自身的溫度適應能力[44]。植物激素如脫落酸、褪黑素、赤霉素、細胞分裂素等植物激素都可以通過誘導抗性轉錄因子和基因表達，改善高溫脅迫下植株的高溫耐受能力[45-46]。研究表明，外源性褪黑激素可提高植物抗氧化劑的含量和抗氧化酶的活性，減少幼苗的高溫受損情況[47-48]。而赤霉素對高溫脅迫下植物的花藥育性、赤霉素含量及代謝相關基因的表達均有顯著影響[49]。植物在高溫脅迫下積累的細胞分裂素，如玉米素(Zeatin，ZT)、激動素(Kinetin，KT)、6- 芐基氨基嘌呤(6-Benzylaminopurine，6-BA)等，可保證細胞有序的分裂與分化過，并增強植物的光合作用[50]。有觀點認為，植物激素主要通過抑制超氧陰離子(Superoxide anion，O2-)的產生及增強SOD的活性降低O2-過量積累而引起的細胞膜和DNA損傷，從而抑制高溫脅迫下植物細胞凋亡的發生[51]。雖然植物激素在植物應對高溫脅迫過程中發揮重要作用這一觀點已被普遍接受，但由于研究過程中使用的植物種類以及處理條件的差異，關于植物激素的具體作用及相關機制，不同的研究往往得出不同的結論。因此，對于激素在植物應對高溫脅迫過程中的作用仍有等進一步的闡明[52]。

2.2 轉錄因子的調控作用

為了適應高溫環境，植物啟動特定功能蛋白的合成，這些由高溫誘導的蛋白質被稱為熱激蛋白(Heatstimulated protein，HSPs)。HSPs 主要存在于葉綠體、線粒體和內質網等細胞器中，并在蛋白質的折疊、組裝、轉運和降解過程中發揮重要作用[53]。高溫脅迫會影響植物細胞膜的流動性并破壞蛋白質的穩態，而HSPs 通過幫助細胞中蛋白質正確地折疊及空間結構的形成。因此，HSPs通過維持轉錄因子和相關酶的活性和功能，確保應激信號通路的啟動及相關基因的表達，以保護植物免受脅迫危害[54-56]。有研究表明，MYB、AP2、ERFBP、NAC 和WRKY 等轉錄因子是植物在應對非生物脅迫過程中的關鍵調控因子[57-58]。此外，熱激轉錄因子(Heat-stimulated transcription factor，HSFs)通過結合下游HSP 基因上游熱激反應元件（Thermal response element，HSE)，以轉錄激活相關HSP基因的機制也被認為是應對植物高溫脅迫的重要分子機制之一[59-60]。例如，在擬南芥中，熱轉錄因子基因AtHSFA1a和AtHSFA1b在植物處于高溫脅迫初期即被激活，是調控熱激蛋白表達的重要轉錄因子。在AtHSFA1a/AtHSFA1b雙突變植物中，受限的HSP 活性導致突變體對高溫脅迫更為敏感。相反，在擬南芥和煙草中過量表達AtHSFA1a則可顯著提高植物的耐高溫能力[61]。此外，HSF 通過調節氧化應激相關基因的表達、降低ROS水平及提高脯氨酸含量等途徑增強植物對高溫脅迫的適應性[62]。除HSF之外的其他轉錄因子也參與了植物耐受高溫脅迫的相關機制，例如辣椒、小麥以及擬南芥的WRKY 均被證實參與植物對高溫脅迫的響應[63-65]。

2.3 高溫響應相關基因的表達變化

在植物應對高溫脅迫的整體機制中，除了以MYB、NAC和WRKY轉錄因子家族的基因外，其他可響應高溫基因表達的變化同樣是該機制的關鍵的組成部分[42,66]。高溫響應相關基因是指在高溫環境下表達量發生變化的基因，包括負責激素合成調控的基因、抗氧化酶活相關基因以及細胞壁合成相關基因等[67]。例如，在水稻中敲除磷脂酰膽堿水解酶D 基因(PhosphatidylcholinehydrolaseDgene，PLD)可顯著降低水稻的堊白粒率以及水稻對高溫的耐受能力。但是目前對于植物中參與高溫脅迫應對信號通路的基因其功能及作用機制的研究仍然非常有限。

3 展望

隨著全球氣候變化的影響日益加劇，尤其是“溫室效應”引起的持續升溫，作物耐熱性已成為決定其生長發育、品質和產量的關鍵因素[68]。因此，如何提高作物對包括高溫在內不利環境的耐受能力成為農業生產中亟待解決的問題。此外，植物對高溫脅迫適應機制的相關研究對于干熱、干旱河谷區的植被恢復等生態修復工作也具有重要的指導意義。

抗高溫相關遺傳和種質資源的發掘及具有抗高溫潛力植物、作物品種的選育，已成為應對植物高溫逆境危害的關鍵途徑。隨著生物技術特別是生物信息學、基因工程、細胞生物學、分子生物學等領域的飛速發展，研究人員在揭示植物耐高溫相關分子機制方面取得諸多突破。比如，有研究從轉錄水平、蛋白水平以及代謝水平對豆類、水稻、小麥等植物應對高溫脅迫的分子機制進行了探索[69-71]。此外，有研究利用基因編輯技術成功培育了水稻、玉米及小麥的耐熱作物品系，在未來實際生產中具有很大的應用潛力[72-74]。

目前關于植物耐受高溫的機制主要集中于細胞膜結構抗氧化系統、滲透調節機制、植物激素調控機制及高溫響應基因等方面，這些研究領域在未來一段時間內也仍然是材的耐熱機制研究的重點方向。鑒于目前植物耐高溫機制的研究情況，該領域相關研究可能呈現以下新的趨勢：（1）對于包括小麥、玉米、水稻等主要糧食作物之外的蔬菜、水果、中草藥、花卉等經濟作物耐高溫脅迫分子機制的研究；（2）對于生物節律調控機制如何參與植物耐高溫脅迫的研究；（3）更深入地研究植物耐高溫脅迫機制，包括鈣信號途徑；（4）對于植物高溫脅迫記憶機制的進一步研究。