脂質(zhì)調(diào)控植物低氧信號的作用及其在苧麻育種研究中的展望

邵德義，高鋼，喻春明

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所/國家麻類作物育種中心，湖南 長沙 410205）

1 植物對低氧脅迫的形態(tài)與生理適應(yīng)

多變的氣候條件，使植物在整個生命周期內(nèi)都可能受到各種生物和非生物脅迫的影響。低氧脅迫是最重要的非生物脅迫之一，主要是由土壤淹水和澇漬引起，對植物的生長和分布都會產(chǎn)生不利的影響［1］。植物在淹水和澇漬環(huán)境中由于水分過多，阻礙了植物與大氣間的氣體交換，氣體擴(kuò)散急劇下降，且周圍O2濃度過低形成低氧狀態(tài)，導(dǎo)致植株的莖和根尖分生組織等受淹組織和器官缺氧［2］。淹水條件下，光照的減少會導(dǎo)致植物細(xì)胞能量的短缺，影響植物的生長發(fā)育，降低作物產(chǎn)量［3］。為了應(yīng)對淹水和澇漬所造成的低氧脅迫，植物細(xì)胞從有氧呼吸轉(zhuǎn)變到無氧呼吸，導(dǎo)致乳酸、乙醇和乙醛等呼吸產(chǎn)物大量積累，對植物造成進(jìn)一步的傷害［3］。除此之外，植物還必須克服缺氧和缺氧后復(fù)氧期間一氧化氮（NO）、活性氧（ROS）和乙烯水平升高等其他因素的影響［3-4］。

植物為適應(yīng)短期或長期的淹水環(huán)境，通過調(diào)整自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)，降低因淹水脅迫導(dǎo)致的細(xì)胞損傷［5］，其中包括形成氣生根、誘發(fā)不定根和在不定根中形成通氣組織來促進(jìn)O2從與空氣接觸的葉片向浸入水中的根的傳遞，從而緩解根系的低氧脅迫，以及通過刺激伸長生長，加速伸長枝條來擺脫低氧脅迫等［6-7］。低氧脅迫下，植物除了通過形態(tài)學(xué)的改變來降低細(xì)胞損害以外，還可以通過調(diào)整細(xì)胞的呼吸作用等生理分子代謝過程來維持生存［8］。淹水條件下，植物細(xì)胞從有氧呼吸轉(zhuǎn)變到無氧呼吸，但在糖酵解過程中會產(chǎn)生大量的乳酸、乙醇和乙醛等有毒物質(zhì)［9］?，F(xiàn)有的研究已從模式植物擬南芥中分離得到了一大批編碼糖代謝、糖酵解相關(guān)酶的響應(yīng)低氧脅迫的應(yīng)答基因和microRNA［9］。有研究［9］表明，植物細(xì)胞內(nèi)的多個信號網(wǎng)絡(luò)及其相互作用直接或間接地參與感知低氧信號，這些信號網(wǎng)絡(luò)通過腺苷酸（ATP、ADP和AMP）、丙酮酸、轉(zhuǎn)錄因子、植物激素、局部活性氧和NO的產(chǎn)生，以及蛋白激酶等多因素的變化來共同調(diào)節(jié)植物對缺氧脅迫的反應(yīng)。

近年來，研究人員在植物應(yīng)對低氧脅迫的形態(tài)和生理適應(yīng)機(jī)制方面取得了較大的進(jìn)展，但是對于植物如何感受低氧脅迫的分子機(jī)制，仍缺少充足的研究證據(jù)證明該分子感應(yīng)機(jī)制的存在，所以人們一直認(rèn)為植物是間接地感受到氧氣濃度的降低［10］。直到德國馬普研究所的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了氧氣依賴的乙烯反應(yīng)子RAP2.12可以利用N-末端蛋白降解途徑來調(diào)控植物低氧脅迫反應(yīng)［11］（圖1），這一發(fā)現(xiàn)表明ACBPs-RAP2.12復(fù)合體很可能是植物對低氧脅迫的直接感受器［1］，同時也為脂質(zhì)分子在植物體內(nèi)通過與乙烯信號途徑相互作用，調(diào)控低氧應(yīng)答反應(yīng)的相關(guān)研究提供了開創(chuàng)性思路。

圖1 植物O2感受分子機(jī)制模型［11］Fig.1 Molecular mechanism model of plant O2 sensing

2 低氧脅迫條件下植物脂質(zhì)代謝與信號傳導(dǎo)

2.1 缺氧反應(yīng)過程中的植物脂質(zhì)的變化特征

植物脂質(zhì)種類繁多，包括脂肪酸類、鞘脂類、固醇脂類、甘油磷脂類等，其在碳儲備、能量供應(yīng)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及脅迫應(yīng)答中起到多方面的作用［12］。脂質(zhì)信號分子的產(chǎn)生受到一系列專門的脂質(zhì)修飾酶和?；|(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)格調(diào)控［5］。干旱、低溫和澇漬等非生物脅迫激活了脂質(zhì)介導(dǎo)的信號級聯(lián)反應(yīng)，從而提高植物對這些脅迫的耐受性［13］。在對不同植物相關(guān)組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析中發(fā)現(xiàn)，低氧脅迫下，植物脂質(zhì)生物合成和分解代謝是差異富集最為豐富的信號通路之一［14］。在模式植物擬南芥4周齡的蓮座叢中，脂質(zhì)代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平在淹水條件下發(fā)生顯著變化，淹水處理2 d誘導(dǎo)了脂肪酸降解途徑中基因的表達(dá)，但抑制了脂肪酸生物合成相關(guān)基因的表達(dá)［14］。可以推測，缺氧反應(yīng)過程中植物脂質(zhì)的動態(tài)變化與重塑對缺氧感知的調(diào)節(jié)具有重要作用。

為了應(yīng)對低氧環(huán)境信號，植物通過重塑其脂質(zhì)組成，包括改變各種脂類含量、碳骨架的長度和脂肪酸飽和度等來維持膜的最佳功能［15-16］。相關(guān)脂質(zhì)組學(xué)分析顯示（表1），淹水會導(dǎo)致擬南芥幼苗和成熟植株內(nèi)脂肪酸組成發(fā)生顯著變化，磷脂酰膽堿（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE）等磷脂的去飽和?；?，以及擬南芥蓮座叢中不飽和VLCFA的神經(jīng)酰胺水平增加［14，17，32］。這些研究表明，不同脂質(zhì)中脂肪酰鏈的去飽和是保護(hù)植物免受低氧脅迫傷害的一種途徑。

表1 植物對缺氧反應(yīng)中的脂質(zhì)變化及其機(jī)制研究Table 1 Lipid changes in plants＇response to hypoxia and their mechanisms

淹水脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)磷脂酰絲氨酸（PS）、磷脂酸（PA）、磷脂酰肌醇（PI）、氧化脂質(zhì)和神經(jīng)酰胺等脂質(zhì)積累，但目前僅有神經(jīng)酰胺的生物學(xué)作用被發(fā)現(xiàn)［14］。在模式植物擬南芥中，神經(jīng)酰胺通過與結(jié)構(gòu)性三重反應(yīng)1（CTR1）相互作用，并抑制其激酶活性進(jìn)而參與調(diào)節(jié)乙烯信號［14］。長鏈酰基-CoA作為植物細(xì)胞新陳代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的中心樞紐，可能作為信號分子參與調(diào)節(jié)AtERFVIIs與膜相關(guān)的AtACBP1和AtACBP2的結(jié)合［18，21］。Schmidt等［18］研究表明，淹水脅迫下，由于缺氧導(dǎo)致植物細(xì)胞ATP水平下降，長鏈?；o酶A合成酶（LACS）的活性降低，導(dǎo)致?；o酶A總量的組成發(fā)生變化。缺氧導(dǎo)致C18∶1-CoA與C16∶0-CoA比率增加，其有助于ACBP-RAP2.12復(fù)合物的解離，從而激活下游的缺氧信號級聯(lián)反應(yīng)［18］。由于多不飽和?；o酶A可以與其他脂質(zhì)進(jìn)行多種細(xì)胞交換，所以多不飽和?；o酶A的積累也可能改變磷脂、鞘脂和氧化脂質(zhì)等特定脂質(zhì)的組成［19］。

2.2 脂質(zhì)分子對植物低氧應(yīng)答的主要信號傳導(dǎo)途徑

2.2.1 長鏈?；o酶A對植物低氧信號鏈的調(diào)控

乙烯反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子（ERF-VIIs）是植物缺氧感知和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的一個關(guān)鍵因子［17］。ERF-VIIs以半胱氨酸作為第二個N-末端氨基酸（Cys2），使ERF-VII蛋白成為N-degron途徑的候選底物［20］。在維管植物中，氧氣感應(yīng)依賴于N-末端的半胱氨酸殘基在ERF-VIIs中通過N-末端降解因子途徑酶的識別［20］（圖2）。淹水脅迫會導(dǎo)致受淹植物組織缺氧，從而影響能量的產(chǎn)生和脂肪酸的生物合成［3］。肖仕等［21］發(fā)現(xiàn)，低氧能顯著誘導(dǎo)植物中多不飽和C18∶3-CoA等不飽和長鏈?；o酶A積累，C18∶3-CoA可以競爭性地和膜相關(guān)ACBP1結(jié)合，使得ACBP1-ERF-VII復(fù)合物解離，解離的ERF-VII因子在缺氧條件下較為穩(wěn)定，可轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中激活缺氧反應(yīng)基因的表達(dá)。遺傳分析表明，植物細(xì)胞內(nèi)C18∶3-CoA含量的下降或?；o酶A總量（acyl-CoA pool）的降低，都與ERF-VII介導(dǎo)的低氧信號和植物低氧耐受性呈正相關(guān)［21］。該研究表明多不飽和C18∶3-CoA作為一個關(guān)鍵的脂質(zhì)信號分子，通過介導(dǎo)ACBP-ERF-VII復(fù)合物的穩(wěn)態(tài)，調(diào)控植物低氧信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，ERF-VII與ACBP1和ACBP2形成的蛋白質(zhì)復(fù)合體，對維持氧氣感應(yīng)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)非常重要，為探究脂質(zhì)在植物缺氧信號級聯(lián)中的作用機(jī)制奠定了基礎(chǔ)［21］。

圖2 不飽和長鏈和VLC?；o酶A在植物缺氧反應(yīng)中的雙重作用的工作模型［11，20］Fig.2 Working model of the dual role of unsaturated long chain and VLC acyl-CoA in the response of plants to hypoxia

2.2.2 不飽和神經(jīng)酰胺和磷脂酸對植物低氧應(yīng)答的調(diào)控

神經(jīng)酰胺是鞘脂轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物和生物合成的骨架［22］。在擬南芥中，不飽和超長鏈神經(jīng)酰胺通過調(diào)節(jié)乙烯信號通路的活性來增強耐缺氧的能力。飽和神經(jīng)酰胺濃度過高會造成植物細(xì)胞缺氧損傷，加速細(xì)胞死亡［22］。神經(jīng)酰胺處理可導(dǎo)致擬南芥乙烯反應(yīng)因子基因AtHRE1和AtHRE2的上調(diào)［14］。此外，不飽和神經(jīng)酰胺促進(jìn)擬南芥乙烯不敏感基因2（AtEIN2）從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向核轉(zhuǎn)移，從而激活了下游的乙烯反應(yīng)［14］。這些研究發(fā)現(xiàn)揭示了不飽和脂質(zhì)增強植物對缺氧等非生物脅迫耐受性的保護(hù)機(jī)制（圖3）。

圖3 不飽和超長鏈神經(jīng)酰胺和磷脂酸通過調(diào)節(jié)乙烯信號保護(hù)植物免受缺氧損害［14］Fig.3 Unsaturated ultra-long-chain ceramide and phosphatidic acid protect plants from hypoxia by regulating ethylene signal

不同植物對淹水處理的響應(yīng)中，磷脂酸PA的總水平和不同種類PA的水平均顯著升高［14，23］，表明PA在植物缺氧信號中具有重要的作用。PA可在體外與乙烯信號途徑負(fù)調(diào)控因子CTR1重組蛋白結(jié)合并在體內(nèi)抑制其激酶的活性，PA可能是通過調(diào)節(jié)乙烯信號通路中的CTR1重組蛋白活性，進(jìn)而參與調(diào)控乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及其所介導(dǎo)的植物低氧應(yīng)答反應(yīng)［14，21］（圖3）。研究［14］發(fā)現(xiàn)，PACTR1的相互作用促進(jìn)了AtEIN2的修飾與核易位，其活性在乙烯信號通路中由AtCTR1直接調(diào)控。這些研究表明淹水處理誘導(dǎo)的PA通過激活乙烯信號級聯(lián)來幫助植物適應(yīng)缺氧環(huán)境，但其具體機(jī)制仍需進(jìn)一步探究。

PA還可能通過與絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）蛋白的互作在缺氧信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮作用［24］。CTR1作為一種非常規(guī)的MAPKKK，阻斷了MPK3和MPK6的激活，同時通過MPK磷酸化促進(jìn)EIN3的降解［25］。AtPLDα1衍生的PA通過與AtMPK6相互作用并激活其活性，從而在植物響應(yīng)鹽脅迫過程中偶聯(lián)MAPK級聯(lián)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用［24］。在擬南芥幼苗中，AtMPK3、AtMPK4和AtMPK6在缺氧和復(fù)氧過程中被迅速激活［26］。此外，OsMPK3與水稻幼苗中的ERF-VII轉(zhuǎn)錄因子OsSUB1A相互作用并磷酸化，表明了MPK3-SUB1A1在水稻幼苗應(yīng)對淹水的反應(yīng)中具有重要作用［27］。因此，MPKs在缺氧反應(yīng)中的活性依賴于缺氧導(dǎo)致的PA積累。PA和低氧脅迫結(jié)合可能同時抑制CTR1和激活MPK3、MPK6（圖2）。如果能明確缺氧誘導(dǎo)PA水平的增加和MPKs與缺氧信號有關(guān)，以及PA-CTR1和Cer-CTR1之間的相互作用，將深化我們對磷脂在植物缺氧反應(yīng)中作用的理解。

2.2.3 氧化脂衍生物茉莉素對植物低氧危害恢復(fù)的調(diào)控

在大多數(shù)植物中，缺氧后復(fù)氧比缺氧脅迫本身會造成更嚴(yán)重的損傷［28］。缺氧后復(fù)氧過程中，植物細(xì)胞內(nèi)活性氧的爆發(fā)是影響植物存活率的關(guān)鍵因素［29］。植物細(xì)胞在復(fù)氧過程中維持相對穩(wěn)定的氧化環(huán)境，對植物降低缺氧危害，恢復(fù)正常生長具有重要的作用。在復(fù)氧過程中，活性氧的再活化代謝需要更高能量，吸氧量增加，線粒體活性提高，導(dǎo)致活性氧快速積累，從而造成氧化損傷，對植物的生存產(chǎn)生不利影響［29］。植物細(xì)胞通過激活多種激素信號途徑來降低氧化損傷［30］。

茉莉酸是一種植物激素，在植物的生長和發(fā)育等多種生物過程中發(fā)揮著重要的作用［31］。脂質(zhì)來源的茉莉酸酯是一種重要的信號分子，參與調(diào)控抗氧化合物的產(chǎn)生，以應(yīng)對復(fù)氧脅迫［36］。擬南芥植株在淹水后復(fù)氧的過程中，JA和JA-Ile等內(nèi)源性茉莉酸水平顯著升高。復(fù)氧下茉莉酸類物質(zhì)JAs大量積累，激活JA信號途徑核心轉(zhuǎn)錄因子MYC2，以促進(jìn)抗氧化物合成基因VTCs和GSHs的表達(dá)，使得抗壞血酸（AsA）和谷胱甘肽（GSH）迅速積累，從而快速修復(fù)復(fù)氧導(dǎo)致的氧化損傷，增強植物的低氧耐受性［36］（圖4）。由于茉莉酸與其他激素信號通路之間存在著多種調(diào)控作用，因此植物缺氧后復(fù)氧反應(yīng)的分子機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

圖4 茉莉酸鹽介導(dǎo)的復(fù)氧脅迫與氧化損傷應(yīng)答［36］Fig.4 Jasmonate-mediated reoxygenation stress and oxidative damage response

3 脂質(zhì)分子在苧麻低氧應(yīng)答及育種應(yīng)用研究中的展望

苧麻是蕁麻科（Urticaces）苧麻屬（Boehmeria）多年生韌皮纖維作物，俗稱“中國草”，是一種多年生宿根性旱地草本纖維作物［37］。近年來極端天氣頻發(fā)，其中洪澇災(zāi)害是造成農(nóng)業(yè)災(zāi)害的主要因素之一。苧麻植株在土壤含水量20%～24%的土壤環(huán)境生長最為合適［38］。土壤中水分過多會導(dǎo)致土壤漬水，明漬暗濕嚴(yán)重影響苧麻根系發(fā)育，極大地影響苧麻的生長［39］。苧麻等麻類作物無法耐受土壤澇漬造成的低氧脅迫，土壤澇漬會干擾苧麻的自然分布形態(tài)，對其生長產(chǎn)生毀滅性的影響，降低其產(chǎn)量甚至絕收［40-41］。

近年來，土壤澇漬所引起的低氧脅迫是目前苧麻生產(chǎn)上亟須解決的問題之一，研究發(fā)現(xiàn)漬水嚴(yán)重影響苧麻的經(jīng)濟(jì)性狀和產(chǎn)量，隨著漬水程度的加深，苧麻株高、莖粗、鮮皮重、原麻產(chǎn)量、有效株率等均不同程度地下降，且敗蔸情況加劇，對苧麻的生產(chǎn)及其經(jīng)濟(jì)效益造成巨大影響［42-43］。前人基于苧麻三代基因組數(shù)據(jù)，開展轉(zhuǎn)錄組、蛋白組關(guān)聯(lián)分析，研究了苧麻響應(yīng)非生物脅迫的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)乙醛脫氫酶（ALDHs）在苧麻分子缺氧和厭氧代謝中起重要作用，在苧麻基因組中鑒定到的24個ALDH基因分別為8個ALDH超家族，與其他家族的BnALDHs相比，屬于家族10的BnALAD在水培苧麻根系中對低氧脅迫的響應(yīng)最強［44-45］。但是目前針對淹水導(dǎo)致的苧麻低氧脅迫信號傳導(dǎo)機(jī)制仍不明確，應(yīng)答低氧信號傳導(dǎo)的內(nèi)在性調(diào)整機(jī)制研究還比較少。

因此，針對當(dāng)前苧麻響應(yīng)低氧環(huán)境下脂質(zhì)組的變化及重要分子的作用機(jī)理相關(guān)研究的缺乏，對于重要脂質(zhì)分子如何參與調(diào)控苧麻低氧信號鏈組分，包括受體蛋白活性和轉(zhuǎn)移的作用機(jī)制及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等問題尚不清楚，圍繞進(jìn)一步探究苧麻低氧感知與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，以及苧麻耐漬品種遺傳改良的實際需要，苧麻育種研究可重點考慮如下方面：模擬低氧脅迫，研究脂質(zhì)及脂信號調(diào)控苧麻低氧應(yīng)答的分子機(jī)理，提出苧麻應(yīng)答低氧時脂質(zhì)的內(nèi)在性調(diào)整機(jī)制；解析苧麻膜脂分子通過類泛素化N-末端蛋白降解機(jī)制，調(diào)控膜脂錨定的乙烯轉(zhuǎn)錄因子ERF-VII家族的穩(wěn)定性，來實現(xiàn)對低氧脅迫的感知和信號傳導(dǎo)；以脂質(zhì)介導(dǎo)的低氧信號傳導(dǎo)鏈為靶點，開展耐漬苧麻品種定向改良與新品種選育等。

4 結(jié)論和觀點

缺氧脅迫是植物最重要的非生物脅迫之一，對農(nóng)業(yè)和食品安全具有破壞性影響［46］。最近的研究揭示了脂質(zhì)在缺氧感知和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用，脂質(zhì)代謝和重構(gòu)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控有助于調(diào)節(jié)缺氧信號，提高植物在缺氧和復(fù)氧脅迫下的生存能力［47］。雖然脂質(zhì)在缺氧感知和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用已被揭示，但脂質(zhì)介導(dǎo)缺氧反應(yīng)的初始分子機(jī)制及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍不清楚。

此外，綜合已有文獻(xiàn)報道，發(fā)現(xiàn)在脂質(zhì)分子介導(dǎo)的植物低氧脅迫應(yīng)答過程中，長鏈?；o酶A等脂質(zhì)分子在調(diào)節(jié)ACBP-ERF-VII復(fù)合物的穩(wěn)定性以及缺氧時ERF-VII從質(zhì)膜分離和轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中具有重要作用。雖然在缺氧條件下發(fā)生的顯著脂質(zhì)變化與大量轉(zhuǎn)錄物、蛋白質(zhì)和酶的豐度密切相關(guān)，但信號網(wǎng)絡(luò)中介導(dǎo)缺氧反應(yīng)性脂質(zhì)分子連接的機(jī)制尚不清楚。迄今為止，大多數(shù)關(guān)于脂質(zhì)信號在低氧反應(yīng)中的分子機(jī)制的研究都是從模式植物擬南芥中獲得的。然而，對低氧脅迫下不同植物物種間脂質(zhì)分子的變化特征，及其對低氧信號的傳導(dǎo)調(diào)控是否具有保守性，還需利用更為廣泛的作物或野生物種開展研究，進(jìn)而完善對這些機(jī)制的理解，并為耐漬作物遺傳改良提供新的思路。