摘要:低溫脅迫是作物栽培過程中常見的非生物脅迫之一,其嚴(yán)重影響植物生長、發(fā)育及作物產(chǎn)量。近年來,隨著極端低溫天氣的頻繁出現(xiàn),番茄作為冷敏感作物,在栽培過程中經(jīng)常遭受低溫脅迫,進(jìn)而影響其果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量等。植物遭受低溫后會(huì)產(chǎn)生多種生理生化反應(yīng),并激活一系列復(fù)雜而又精準(zhǔn)的調(diào)控機(jī)制來響應(yīng)低溫脅迫。因此,深入了解低溫脅迫條件下番茄生命活動(dòng)規(guī)律對抗冷性調(diào)控具有十分重要的意義。近年來,番茄中應(yīng)對冷脅迫反應(yīng)的生理生化機(jī)制以及參與冷脅迫反應(yīng)轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)錄因子和調(diào)節(jié)因子被逐漸解析。本研究結(jié)合前人結(jié)果,從生長發(fā)育、滲透調(diào)節(jié)、抗氧化系統(tǒng)以及分子機(jī)制等多個(gè)層面對番茄響應(yīng)低溫脅迫途徑進(jìn)行歸納總結(jié),以期為番茄耐冷性種質(zhì)資源的篩選以及育種提供重要的理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞:番茄;低溫脅迫;調(diào)控;分子機(jī)理;耐冷性
中圖分類號:S641.201 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號:1002-1302(2024)21-0017-08
收稿日期:2023-11-27
基金項(xiàng)目:上海市農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(編號:滬農(nóng)科 K2023009)。
作者簡介:付淵迪(1998—),男,河南郟縣人,碩士研究生,研究方向?yàn)槭卟四屠錂C(jī)理研究。E-mail:2806047288@qq.com。
通信作者:朱明芬,碩士,農(nóng)藝師,研究方向?yàn)槭卟擞N研究。E-mail:mingfen0825@163.com。
低溫是作物栽培過程中常見的一種非生物逆境脅迫[1]。番茄是典型的冷敏感性作物,生長發(fā)育的各個(gè)階段均可能受到低溫?fù)p傷(圖1)。當(dāng)生長環(huán)境溫度低于10 ℃時(shí),番茄生長受阻,進(jìn)而導(dǎo)致番茄發(fā)育減慢,產(chǎn)量下降,營養(yǎng)品質(zhì)顯著降低等,從而給番茄生產(chǎn)造成巨大的損失[2-3]。因此,研究番茄耐低溫的生理及分子機(jī)制對實(shí)際生產(chǎn)具有重要的理論價(jià)值。多年來,研究者通過植物生理學(xué)、分子生物學(xué)以及遺傳學(xué)等方法對番茄響應(yīng)低溫脅迫的應(yīng)答機(jī)制進(jìn)行了大量的研究,從不同角度闡述番茄響應(yīng)低溫逆境的生理及分子機(jī)制,為番茄耐低溫種質(zhì)資源篩選和新品種選育提供理論依據(jù)。
1 低溫對番茄生長發(fā)育的影響
1.1 低溫對番茄種子萌發(fā)的影響
種子萌發(fā)階段是植物生長過程中對環(huán)境溫度最為敏感的階段之一[4]。不同作物發(fā)芽所需的溫度不同,番茄種子萌發(fā)最適溫度為20~28 ℃,當(dāng)溫度降至15 ℃時(shí),種子萌發(fā)受到影響,當(dāng)溫度降至 10 ℃ 或更低時(shí),發(fā)芽率大幅降低,且溫度越低下降幅度越顯著[5]。
種子萌發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的生理和生化過程,是常伴隨著脂肪酶、淀粉酶(AMS)和蛋白酶等多種酶參與的酶促反應(yīng)。其中,α-AMS和β-GAL(β-半乳糖苷酶)是種子萌發(fā)過程中重要的水解酶,可誘導(dǎo)機(jī)體水解淀粉等,為種子萌發(fā)提供所需能量[6]。溫度是酶促反應(yīng)的關(guān)鍵因素,低溫抑制酶活性,影響胚乳內(nèi)貯存物質(zhì)的降解與轉(zhuǎn)化,進(jìn)而影響種子萌發(fā)[7]。Zhang等研究發(fā)現(xiàn),冷脅迫導(dǎo)致番茄種子中淀粉合成相關(guān)基因表達(dá)發(fā)生顯著改變,α-AMS和 β-GAL的含量下降,從而降低種子的萌發(fā)率和萌發(fā)速度[8]。
種子萌發(fā)受多種激素調(diào)控,其中,赤霉素(gibberellin,GA)促進(jìn)種子萌發(fā),脫落酸(abscisic acid,ABA)誘導(dǎo)并維持種子休眠[9]。冷脅迫下,番茄種子內(nèi)的ABA和GA合成基因表達(dá)量發(fā)生顯著改變,導(dǎo)致ABA大量積累,GA3合成減少,從而降低番茄種子的萌發(fā)率和萌發(fā)速度[8]。另外,番茄中蛋白激酶MAPK11的表達(dá)同種子的萌發(fā)溫度密切相關(guān),在15 ℃亞低溫時(shí),MAPK11的RNAi轉(zhuǎn)基因株系種子萌發(fā)效率最高,研究發(fā)現(xiàn)MAPK11正向調(diào)控ABA的合成,從而負(fù)調(diào)控種子的萌發(fā)[10]。Song等對177份番茄材料進(jìn)行低溫種子發(fā)芽試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)SlACR11A的2個(gè)等位基因在單核苷酸多態(tài)性上存在差異,其中,一個(gè)等位基因SlACR11AG在耐寒番茄植株中顯著富集,推測其與番茄響應(yīng)低溫脅迫密切相關(guān)[11]。
1.2 低溫對番茄營養(yǎng)生長的影響
番茄作為喜溫性蔬菜,其最適生長溫度為20~25 ℃,生長下限溫度為6 ℃,當(dāng)環(huán)境溫度低于6 ℃時(shí),植株難以抵御低溫而嚴(yán)重受損,無法繼續(xù)生長[12]。低溫對番茄營養(yǎng)生長時(shí)期的影響表現(xiàn)在多方面。
溫度對根系的生長發(fā)育和形態(tài)建成有明顯影響,研究發(fā)現(xiàn)低溫脅迫影響植株水分運(yùn)輸,引發(fā)生理干旱,導(dǎo)致根壓、水分傳導(dǎo)系數(shù)及質(zhì)膜上相關(guān)酶活性降低,從而使植株生長率下降[13]。此外,樊懷福等研究發(fā)現(xiàn),與適溫下的番茄植株相比,10 ℃低溫下生長的番茄株高、莖粗、葉長、葉寬及根莖葉的鮮重均降低,植株生長明顯受到抑制[2]。王麗娟等夜間6 ℃處理番茄植株,發(fā)現(xiàn)其總干物質(zhì)的積累、株高和株幅顯著下降[14]。與野生型番茄相比,低溫脅迫對過表達(dá)SlCOR413IM1幼苗的生長抑制較輕,對反義系幼苗的生長抑制較嚴(yán)重,同時(shí),野生型番茄的鮮重、葉綠素含量和莖高顯著低于過表達(dá)株系,但顯著高于反義系。因此,對SlCOR413IM1的抑制增加了番茄的低溫敏感性[15]。ShPP2-1負(fù)調(diào)控番茄植株耐冷性,4 ℃脅迫下,ShPP2-1過表達(dá)植株葉片發(fā)生嚴(yán)重萎蔫,而RNAi株系的萎蔫程度較輕[11]。
總之,低溫脅迫下植物最明顯的表現(xiàn)是其生長受到抑制,低溫會(huì)導(dǎo)致番茄的相對生長速率降低,植株變矮,根長及根表面積顯著減小,葉面積變小,嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)葉片褐化萎焉,組織變軟,生長點(diǎn)壞死,最終引起植株死亡。
1.3 低溫對番茄生殖生長的影響
低溫脅迫是引起番茄落花落果的重要原因之一。研究表明,番茄苗期遭受低溫脅迫會(huì)影響生殖生長,導(dǎo)致開花期推遲,始花節(jié)位提高[12]。冷脅迫導(dǎo)致花器官脫落,花粉活力和花粉發(fā)芽率顯著降低,坐果率降低,最終造成品質(zhì)和產(chǎn)量下降,經(jīng)濟(jì)效益明顯降低[16]。Pan等發(fā)現(xiàn),SlPIF4敲除突變體通過降低絨氈層溫度敏感性來增強(qiáng)花粉的耐寒性,而過表達(dá)SlPIF4通過改變絨隔層的發(fā)育使花粉敗育[17]。低溫下番茄紅素合成酶相關(guān)基因PSY1和PSY2的轉(zhuǎn)錄受阻,導(dǎo)致番茄紅素合成與積累減少,影響果實(shí)著色[18]。另外,在番茄花芽分化過程中,低夜溫降低SlGA2ox基因的表達(dá),導(dǎo)致GA1和GA4的積累,從而增加了番茄的室數(shù)和果實(shí)畸形率[19]。
生產(chǎn)上發(fā)現(xiàn)番茄開花前遭遇低溫容易引起畸形果。最新研究揭示,低溫誘導(dǎo)畸形果發(fā)生的敏感時(shí)期為花發(fā)育后期的干細(xì)胞終止階段,低溫通過影響番茄花分生組織中GA和ABA含量的動(dòng)態(tài)變化直接誘導(dǎo)共質(zhì)體途徑中胼胝質(zhì)(callose)積累,從而破壞WUS的細(xì)胞間運(yùn)動(dòng),影響SlCLV3和TAG1的反饋激活,導(dǎo)致果實(shí)畸形,心皮和小室增加[20]。
2 番茄響應(yīng)低溫脅迫的生理生化機(jī)制
2.1 生物膜系統(tǒng)在耐冷性中的作用
當(dāng)植物遭受低溫脅迫時(shí),生物膜最先受到破壞。因此,生物膜的流動(dòng)性和完整性與植物的耐冷性密切相關(guān)。先前報(bào)道,低溫脅迫下生物膜發(fā)生膜脂相變,導(dǎo)致電解質(zhì)外滲,有害物質(zhì)積累,膜上酶活性降低,引起細(xì)胞代謝紊亂,最終使細(xì)胞受損或死亡。丙二醛(malondialdehyde,MDA)和相對電解質(zhì)泄漏量(relative electrolyte leakage,REL)是植物應(yīng)激引起的氧化損傷和電解質(zhì)滲漏的生理指標(biāo),可指示膜損傷程度[15]。低溫脅迫下,ShPP2-1過表達(dá)植株的MDA和REL含量顯著高于野生型,ShPP2-1通過加劇對細(xì)胞膜的損傷來降低番茄的耐寒性[11]。
植物可通過改變膜成分(如細(xì)胞骨架重建、相變化)來增強(qiáng)耐寒性。當(dāng)前普遍認(rèn)為低溫下膜脂不飽和脂肪酸含量越高,膜脂的相變溫度越低,膜的穩(wěn)定性就越好。王孝宣等證實(shí),8 ℃低溫下不同番茄品種的低溫抗性與飽和脂肪酸含量呈負(fù)相關(guān),與不飽和脂肪酸含量和脂肪酸的不飽和指數(shù)呈顯著正相關(guān)[21]。Sakamoto等報(bào)道,適當(dāng)?shù)蜏靥幚砜商岣咧舅崦擄柡兔傅幕钚?,改變脂肪酸成分,降低膜脂飽和度,增?qiáng)生物膜在低溫下的流動(dòng)性和穩(wěn)定性[22]。
2.2 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在耐冷性中的作用
滲透調(diào)節(jié)是植株通過積累各種有機(jī)和無機(jī)物來提高胞內(nèi)溶質(zhì)濃度,降低滲透勢,維持膨壓,進(jìn)而抵御逆境的一種適應(yīng)性機(jī)制[23]。當(dāng)?shù)蜏貋砼R,番茄植株可通過積累可溶性糖、脯氨酸(Pro)、可溶性蛋白、甜菜堿和無機(jī)離子等含量,增加其在細(xì)胞中的濃度,提高原生質(zhì)保水能力,緩解冷脅迫引起的細(xì)胞間生化損傷,從而增強(qiáng)番茄的耐冷性。
可溶性蛋白的高度親水性可在低溫脫水過程中提高細(xì)胞的脫水忍耐性,從而增強(qiáng)細(xì)胞的保護(hù)力[24]。甜菜堿可通過對植物光系統(tǒng)的保護(hù)作用來提高植株的低溫抗性[25]。Slcbf1突變體株系的Pro和蛋白質(zhì)含量較低而過氧化氫(H2O2)含量較高,導(dǎo)致耐冷性顯著降低[26]。SlMYB102過表達(dá)可通過增強(qiáng)CBF和Pro合成途徑來提高番茄植物的抗寒性[27]。與野生型和SlMAPK3突變體植株相比,SlMAPK3過表達(dá)植株通過增加Pro含量,降低REL來調(diào)控番茄采后果實(shí)的抗寒性[28]。另外,一些鹽離子的濃度調(diào)節(jié),如氮素的硝銨比、鉀離子濃度等,會(huì)對番茄細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)、抗氧化酶活性產(chǎn)生影響,可在一定程度上提高番茄的抗冷性。
2.3 抗氧化系統(tǒng)在耐冷性中的作用
活性氧(reactive oxygen species,ROS)被認(rèn)為是對細(xì)胞至關(guān)重要的物質(zhì),一方面可作為信號分子在植物生長發(fā)育和響應(yīng)逆境脅迫中發(fā)揮作用,另一方面ROS失衡會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)、核酸和蛋白質(zhì)的氧化損傷,從而損害細(xì)胞的正常生理功能[29]。葉綠體是植物體ROS產(chǎn)生的主要場所之一,低溫脅迫損壞光合電子傳遞鏈,導(dǎo)致大量過剩光能傳遞給氧分子產(chǎn)生ROS,因不能被及時(shí)清除而大量累積[30]。氧分子獲得不同數(shù)目的電子可產(chǎn)生不同的ROS:超氧陰離子(O-2·)、單線態(tài)氧(1O2)、羥自由基(·OH)以及H2O2等,且不同形態(tài)的ROS可相互轉(zhuǎn)換。
為減輕ROS造成的傷害,植物建立了ROS清除機(jī)制以應(yīng)對氧化應(yīng)激,進(jìn)而提高植株抗逆性。ROS清除系統(tǒng)分為酶促體系和非酶促體系2個(gè)部分。其中,酶促體系主要有超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)等,對提高植物抗逆性具有極其重要的作用。CAT是植物體內(nèi)的酶類清除劑,當(dāng)體內(nèi)H2O2積累,CAT可被ABA和H2O2調(diào)控激活,將H2O2催化分解為H2O和O2,從而減輕植株的氧化損傷[31]。SOD可將體內(nèi)O-2·轉(zhuǎn)化成H2O2,并由CAT分解,是植物抗氧化酶系統(tǒng)的重要成員。POD是植物體的氧化還原酶,能消除H2O2和酚、胺類毒性[32]。GPX以鄰甲氧基苯酚為電子供體可將H2O2分解,APX以抗壞血酸(AsA)為電子供體將H2O2還原為H2O,是葉綠體中的關(guān)鍵抗氧化酶[30]。姜述君等研究指出,高溫和低溫鍛煉可能通過提高SOD等抗氧化酶活性來提高番茄幼苗的低溫抗性[33]。SlGRAS4通過增強(qiáng)POD、GPX、APX等抗氧化酶基因的轉(zhuǎn)錄水平來增強(qiáng)番茄耐冷性[34]。敲除SlMAPK3會(huì)抑制抗氧化酶APX、POD、SOD和CAT的活性,誘導(dǎo)H2O2積累,降低番茄果實(shí)的耐寒性[35]。茉莉酸甲酯(methyl jasmonate,MeJA)和GA3也曾被報(bào)道通過提高CAT活性來增強(qiáng)番茄果實(shí)的耐寒性。
非酶促體系主要包括:AsA、類黃酮、谷胱甘肽(GSH)、α-生育酚、類胡蘿卜素、維生素C等抗氧化物質(zhì)。AsA廣泛存在于植物的各部位,在AsA-GSH循環(huán)中可將H2O2還原為H2O。GSH在植物中含量豐富,不需要酶的參與可直接還原O-2·、·OH及H2O2,也可作為酶的底物,通過AsA-GSH循環(huán)、GRX等酶促反應(yīng)清除H2O2[30]。因此,AsA和GSH在植物防御系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。α-生育酚主要存在于葉綠體中,可以使 1O2和·OH失活,也可以與多元不飽和脂酰基結(jié)合,穩(wěn)定膜脂結(jié)構(gòu)[36]。黃酮醇是一種重要的類黃酮化合物,具有高抗氧化活性,可以替代或與AsA協(xié)同發(fā)揮作用,有效清除低溫脅迫產(chǎn)生的ROS。番茄植株中SlICE1通過調(diào)控 β-胡蘿卜素、番茄紅素、AsA、GSH等抗氧化劑的積累來增強(qiáng)植株的抗氧化活性和耐寒性[37-38]。MeJA可促進(jìn)冷脅迫下番茄AsA-GSH循環(huán),從而抑制番茄果實(shí)中H2O2和O-2·的積累,增強(qiáng)果實(shí)耐寒性[39]。
2.4 葉綠體在耐冷性中的作用
葉綠體是光合作用的主要場所,光合作用是唯一沒有接近作物生物學(xué)極限產(chǎn)量的決定因素,增強(qiáng)光合效率對提高作物產(chǎn)量至關(guān)重要。然而,低溫脅迫會(huì)造成葉綠體形態(tài)結(jié)構(gòu)受損,葉綠素含量下降,同時(shí)還會(huì)降低葉綠素?zé)晒鈪?shù),影響CO2的同化、光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)與分配及破壞電子傳遞鏈、光系統(tǒng)(PSⅠ和PSⅡ)等從而使番茄植株光合作用受阻,光合速率下降[40]。李先文等報(bào)道,冷脅迫下耐冷植物通過保持葉綠體中H+-ATPase的活性來保證ATP供應(yīng),從而維持葉綠體的正常運(yùn)行,另一方面PSⅠ和PSⅡ組成物質(zhì)在低溫下加快合成,保證電子傳遞的順利進(jìn)行,從而提高植物對低溫的適應(yīng)性[41]。
葉綠體脂肪酸去飽和酶FAD7普遍參與植物類囊體膜流動(dòng)性的溫度依賴性重塑,低溫下FAD7催化二烯脂肪酸(16 ∶2和18 ∶2)轉(zhuǎn)化為三烯脂肪酸(16 ∶3和18 ∶3),增強(qiáng)植物的抗寒性。研究發(fā)現(xiàn),甜菜堿可通過誘導(dǎo)FAD7和脂氧合酶基因LOX的表達(dá)在低溫下保護(hù)番茄植株[42]。番茄葉綠體醛縮酶基因SlFBA4在Calvin-Benson循環(huán)中發(fā)揮重要作用,冷脅迫下過表達(dá)SlFBA4增加凈光合速率和酶活性,降低MDA含量,促進(jìn)植株生長并增強(qiáng)低溫抗性[43]。SlCOR413IM1過表達(dá)減輕了冷誘導(dǎo)下番茄葉綠體膜損傷和PSⅡ光抑制,保持了葉綠體超微結(jié)構(gòu)的相對完整性和高的光合能力[15]。
3 番茄響應(yīng)低溫脅迫的分子機(jī)制
植物對非生物脅迫的分子適應(yīng)主要基于基因轉(zhuǎn)錄活性的修飾和蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的改變。為了適應(yīng)低溫等極端環(huán)境,植物逐漸形成一套精密而又復(fù)雜的機(jī)制來抵御逆境脅迫。低溫脅迫可由細(xì)胞膜、鈣離子通道和COLD1(耐寒性差異1)蛋白等冷傳感器感知,然后被轉(zhuǎn)導(dǎo)引起下游的信號反應(yīng)[44]。近年來,關(guān)于番茄響應(yīng)低溫脅迫的機(jī)理研究取得了極大進(jìn)展,ICE1-CBF/DREB級聯(lián)是目前研究最充分的冷應(yīng)激反應(yīng)調(diào)控途徑。根據(jù)是否有CBF的參與,將低溫信號通路分為兩大類:CBF途徑和非CBF途徑。
3.1 CBF途徑
CBF屬于AP2/ERF類家族,也被稱為DREB,DREB亞家族轉(zhuǎn)錄因子可通過結(jié)合COR基因啟動(dòng)子中的CRT/DRE元件調(diào)控其表達(dá),在冷應(yīng)激中起著關(guān)鍵作用[45]。番茄中共有3個(gè)CBF基因(SlCBF1、SlCBF2和SlCBF3),三者蛋白質(zhì)的同源性達(dá)70%~84%,然而,僅SlCBF1受低溫誘導(dǎo)表達(dá)。番茄中SlCBF1的表達(dá)量變化與擬南芥相似,CBF1在15 min內(nèi)被迅速誘導(dǎo)表達(dá),并在3 h內(nèi)達(dá)到最大水平。在番茄中過表達(dá)SlCBF1和AtCBF3發(fā)現(xiàn),AtCBF3過表達(dá)植株中CBF冷應(yīng)答通路的下游成員cLER1P6、cLER17C11、cLET13N19和cSlR1E13的表達(dá)量是野生型的2.5倍以上[46]。Li等對番茄Slcbf1突變體進(jìn)行低溫處理,發(fā)現(xiàn)缺失突變體耐冷性顯著降低[26]。
植物中存在完整的CBF表達(dá)調(diào)控機(jī)制,ICE1/a、MYB15、EIN3、CCA1、PIF4、NAC1、BZR1和ERF15等關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子在CBF轉(zhuǎn)錄水平上通過協(xié)同或拮抗的作用形成了精密細(xì)致的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),由表1可知,其中,ICEs-CBFs-CORs途徑在冷響應(yīng)中起著關(guān)鍵作用[47]。ICE(inducer of CBF expression)位于CBF上游,被認(rèn)為是調(diào)控CBF表達(dá)最重要的轉(zhuǎn)錄因子,其在轉(zhuǎn)錄后可經(jīng)HOS1泛素化、OST1磷酸化等修飾后降低或者增強(qiáng)其穩(wěn)定性,從而驅(qū)動(dòng)CBF表達(dá),影響植株耐寒性[34]。Lin等研究發(fā)現(xiàn),ICE1可直接結(jié)合CBF1、BBX17和PR1的啟動(dòng)子,低溫下過表達(dá)CALMODULIN6(CaM6)可抑制ICE1的轉(zhuǎn)錄活性來抑制CBF1、BBX17和PR1的表達(dá),從而減弱番茄植株的耐冷性[48]。冷脅迫下,過表達(dá)SlICE1,番茄中SlCBF1和SlDRCi7等冷響應(yīng)基因表達(dá)量顯著上調(diào),并通過積累β-胡蘿卜素和AsA等抗氧化劑來增強(qiáng)耐寒性,而ice1突變體則表現(xiàn)對低溫敏感,CBF1的表達(dá)量明顯受到抑制,葉片枯萎程度顯著增加,并具有高的REL和低的 Fv/Fm[37-38,48]。Feng等在番茄中分離出含bHLH功能域的SlICE1a轉(zhuǎn)錄因子,SlICE1a過表達(dá)煙草增強(qiáng)了CBF及其靶基因的誘導(dǎo),植株耐寒性顯著增強(qiáng)[49]。
隨著研究的深入,CBF調(diào)控途徑不斷被完善。Ma等發(fā)現(xiàn),過表達(dá)SlNAC1可通過維持光系統(tǒng)Ⅱ和最大光化學(xué)效率及上調(diào)CBF1的表達(dá)來增加番茄植物的耐寒性[50]。低溫下ZAT12通過調(diào)控CBF的表達(dá)來調(diào)控番茄耐冷性[51]。冷脅迫下SlMYB15可直接與CBFs啟動(dòng)子結(jié)合并調(diào)控其轉(zhuǎn)錄,從而增強(qiáng)其耐寒性,而HY5又可以通過MYB15直接或間接地調(diào)控CBFs的轉(zhuǎn)錄,響應(yīng)低溫脅迫[52]。低溫誘導(dǎo)下PIF4通過上調(diào)CBF1和GAI4的表達(dá)來增強(qiáng)番茄的低溫抗性,而當(dāng)GAI4積累過多時(shí)又會(huì)抑制PIF4表達(dá)[53]。油菜素內(nèi)酯可通過BZR1調(diào)控CBF1/3和RBOH1基因的表達(dá)來提高番茄植株的耐寒性[54]。SlMYC2在番茄果實(shí)耐寒過程中參與調(diào)控MeJA介導(dǎo)的AsA-GSH循環(huán)和SlICE-SlCBF-SlCOR信號通路來增強(qiáng)其低溫抗性[39]。低溫顯著誘導(dǎo)ERF15基因表達(dá),通過調(diào)控CBF1、WRKY6、SAG21like的轉(zhuǎn)錄表達(dá)來增強(qiáng)番茄耐寒性[55]。乙烯不敏感突變體(Nr)果實(shí)中內(nèi)源ABA、MeJA、GA3含量下降,冷誘導(dǎo)下Nr果實(shí)中SlCBF1表達(dá)水平降低,H2O2和 O-2· 水平顯著升高,加劇了冷藏過程中的細(xì)胞損傷,降低了番茄果實(shí)的耐寒性[56]。最近報(bào)道,SlMAPK3正向調(diào)節(jié)采后番茄果實(shí)的乙烯(ethylene,ET)產(chǎn)量并參與ET介導(dǎo)的耐寒性,研究發(fā)現(xiàn)SlMAPK3敲除突變體降低了ET含量、ACC含量、抗氧化酶和ACS活性,同時(shí)抑制SlICE1和SlCBF1的表達(dá),而SlMAPK3過表達(dá)則通過增加Pro含量,降低REL來增強(qiáng)番茄果實(shí)的抗寒性[28,35]。阿魏酸(FA)在番茄果實(shí)中通過以MAPK3依賴性方式上調(diào)CBF途徑的基因表達(dá)從而對低溫脅迫產(chǎn)生積極抗性[35]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),SlNPR1可通過減輕氧化損傷和影響FA的合成來調(diào)節(jié)番茄植株的低溫抗逆性[57]。
3.2 非CBF途徑
研究發(fā)現(xiàn),在cbj1-3突變體中僅10%左右的COR基因表達(dá)受到了影響,所以大多植物響應(yīng)冷脅迫途徑可能不依賴于CBF[58]。比較2種抗凍性不同的番茄基因型的低溫轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),一些轉(zhuǎn)錄因子,如ZAT10等可獨(dú)立于CBF調(diào)控下游的COR基因[51]。此外,已有許多研究表明植物激素在冷害響應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。
ABA信號通路是植物抗冷研究較深入的非CBF信號途徑。目前,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多參與低溫抗性的COR基因也參與ABA的合成,如RD29A、RD22和P5CS等,且它們均含有ABA響應(yīng)元件[59]。在低溫鍛煉過程中,Ca2+依賴蛋白激酶CPK27通過ROS、NO和MPK級聯(lián)信號之間相互應(yīng)答激活依賴于ABA的途徑來提高番茄的耐冷性[60]。越來越多研究表明,ET信號通路在調(diào)控低溫抗性中也起著重要作用,番茄ERF蛋白TERF2增強(qiáng)了轉(zhuǎn)基因煙草和番茄植物的耐冷性,乙烯響應(yīng)因子SlERF.B8觸發(fā)茉莉酸(jasmonic acid,JA)生物合成以促進(jìn)番茄的耐寒性[61-62]。Sl-miR164a-NAM3模塊直接調(diào)控SlACS1A、SlACS1B、SlACO1和SlACO4的表達(dá),誘導(dǎo)ET合成,從而賦予番茄植株抗寒性[63]。最新研究報(bào)道,水楊酸可通過由EIN3家族成員SlEIL2和SlEIL7介導(dǎo)的低溫脅迫下調(diào)節(jié)番茄的2條光系統(tǒng)Ⅱ保護(hù)途徑:光保護(hù)伴侶蛋白HSP21的表達(dá)和AsA的積累來增強(qiáng)番茄植株的耐寒性[64]。GA3和SA也可協(xié)同作用控制番茄果實(shí)的耐寒性。
低溫脅迫促進(jìn)JA和褪黑素(melatonin,MT)的積累,并通過MYC2激活SlSNAT和SlAMST表達(dá)增加MT的生物合成,從而增強(qiáng)番茄植株的低溫抗性[65-66]。SlGRAS4途徑,是一種新的冷響應(yīng)途徑,SlGRAS4可形成激活自身表達(dá)的同源二聚體,直接調(diào)控POD、Calmodulin、Rubisco等參與抗氧化、鈣信號傳導(dǎo)和光合作用能力的靶基因的表達(dá)來提高番茄耐冷性,另外,SlGRAS4也可以直接與CBF的啟動(dòng)子結(jié)合調(diào)控其表達(dá)來增強(qiáng)耐冷性[34]。Li等發(fā)現(xiàn),冷馴化番茄植株可通過谷氨酸受體GLR-H2O2-GSH級聯(lián)途徑來提高番茄低溫抗性[67]。Song等報(bào)道,過表達(dá)ShPP2-1可通過加劇對細(xì)胞膜的損傷來降低番茄的耐寒性[11]。低溫轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)低溫顯著誘導(dǎo)SlMYB41表達(dá),通過研究SlMYB41過表達(dá)植株發(fā)現(xiàn)該基因可能通過不依賴CBF的信號途徑負(fù)調(diào)控番茄的低溫抗性[68]。SIFHY3通過與SIHY5互作加強(qiáng)SIHY5對SIMIPS的轉(zhuǎn)錄活性,從而誘導(dǎo)番茄植株中肌醇的積累來增強(qiáng)番茄的耐冷性[69]。SlCOR413IM1過表達(dá)通過減少O-2·和H2O2的積累來減輕對生物膜的損傷,從而保持植株高的光合能力來增強(qiáng)番茄幼苗的抗寒性[15]。SlDREB3過表達(dá)可能通過上調(diào)SlLEAs表達(dá)來提高植株葉綠素含量和Fv/Fm,以增強(qiáng)植物對冷脅迫的耐受性[70]。
4 外源保護(hù)劑在番茄耐冷性中的應(yīng)用
近年來,各類外源保護(hù)劑的應(yīng)用對低溫脅迫下番茄的生長發(fā)育起著重要的保護(hù)作用。外源噴施植株激素,如ABA、油菜素內(nèi)酯(brassinolide,BR)、ET等,小分子物質(zhì)如MT、多胺(ployamines,PA)、肌醇、氯化鈣、γ-氨基丁酸、甜菜堿等不僅可增強(qiáng)番茄植株的低溫抗性,還能起到減少落花落果,提高品質(zhì)和產(chǎn)量的作用。
低溫逆境下,外源ABA和JA處理能增強(qiáng)番茄低溫抗性[71],外源BR處理可顯著誘導(dǎo)質(zhì)外體ROS的產(chǎn)生從而增強(qiáng)番茄對低溫的抗性[72],外源MeJA通過促進(jìn)PA在番茄果實(shí)中的積累緩解番茄低溫傷害,也通過促進(jìn)AsA-GSH循環(huán)和激活SlICE-SlCBF-SlCOR信號通路來增強(qiáng)果實(shí)耐寒性[39,73]。MT在植物中作為強(qiáng)抗氧化劑和·OH清除劑,通過與ROS直接作用來維持ROS平衡,從而穩(wěn)定生物膜。外源MT通過增加體內(nèi)MT的含量來提高番茄植株的抗氧化能力,從而增強(qiáng)其耐冷性[74]。通過葉面噴施H2O2可以恢復(fù)番茄植株的低溫抗性[67]。肌醇是植物對非生物脅迫反應(yīng)的積極調(diào)節(jié)因子,外源噴施肌醇后進(jìn)行低溫處理可顯著降低其REL,維持Fv/Fm,促進(jìn)番茄植株的耐寒性[69]。
5 展望
番茄作為重要的經(jīng)濟(jì)作物,其果實(shí)因其感官特征和營養(yǎng)價(jià)值而在世界各地被消費(fèi)。近年來,雖然全球變暖,但極端低溫天氣仍然頻繁出現(xiàn),使番茄在栽培過程中經(jīng)常遭到低溫?fù)p害,嚴(yán)重影響著番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)。面對低溫等極端環(huán)境,番茄在長期進(jìn)化過程中形成了多種逆境響應(yīng)方式,如通過外觀形態(tài)、生理生化、基因和蛋白等方面的變化來加強(qiáng)自身抗性。最近研究揭示了植物應(yīng)對冷脅迫反應(yīng)精密而又復(fù)雜的機(jī)制,參與植物冷脅迫反應(yīng)轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)錄因子和調(diào)節(jié)因子陸續(xù)被闡明。雖然番茄響應(yīng)低溫脅迫的分子和生理生化機(jī)制逐漸清晰,但與擬南芥和水稻相比仍有許多未知需要去探究。低溫脅迫下,植物激素、滲透物質(zhì)、信號分子等外源物質(zhì)的應(yīng)用在抵御脅迫、促進(jìn)植株發(fā)育方面具有重要價(jià)值。近年來,隨著各種測序技術(shù)、基因編輯以及多組學(xué)聯(lián)合分析等前沿技術(shù)的快速發(fā)展,將不斷加速抗冷基因的鑒定、進(jìn)一步完善和解析響應(yīng)冷脅迫的生理生化及分子機(jī)制,為加快種質(zhì)資源創(chuàng)新和優(yōu)良抗逆番茄品種的選育奠定了基礎(chǔ)。
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