Plant Physiology | 植物对干旱和低温胁迫的响应机制

2023年3月，冈山大学的June-Sik Kim等人在Plant Physiology发表了题为Regulatory networks in plant responses to drought and cold stress的文章，通过研究植物对干旱和低温胁迫的感知、信号传导以及调控网络，揭示了植物如何基于同一套基因调控网络来应对不同胁迫的响应机制。

doi : 10.1093/plphys/kiae105

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寒旱胁迫对植物造成的损害

影响水分平衡

光合作用受损

生长发育受阻

代谢过程紊乱

原生质体机械损伤

氧化胁迫和细胞凋亡

细胞膜结构和透性改变

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植物在面对干旱和低温胁迫时，拥有高度精细且复杂的感知系统、信号传导和响应机制。干旱胁迫期间，ABA(脱落酸)水平影响气孔开闭从而限制了水分流失，而低温胁迫主要是与冰晶形成相关的脱水损害。植物已经发展出一种统一的基因调控策略，以对抗干旱和低温胁迫期间的高渗透压影响。

图1.植物对干旱和低温胁迫的生理和细胞反应

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已有研究揭示了植物体内存在一种ABA的快速释放机制，这种机制能够在ABA的生物合成被全面激活之前，迅速对干旱胁迫作出反应。维管植物中ABA感知和信号传导中涉及一系列蛋白质磷酸化级联反应，该反应3个由关键成分介导，分别是ABA受体(PYR1)、ABA受体调节成分(RCAR)和 ABA抑制因子(PP2C)。

图2.维管植物对干旱胁迫进行感知、信号传导和响应的分子机制

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在自然界中，当植物遭遇空间分布不均的干旱时，它们依赖于特定的信号机制来感知并传递这种胁迫状态。以拟南芥为例，其中的组氨酸激酶(AHK1)是一种定位在质膜(PM)上的蛋白质，其异位表达已被证实能增强植物在干旱条件下的存活率。此外，在其它作物上的研究也揭示了以钙离子(Ca²⁺)通道为代表的其它途径，这些途径同样被认为是植物体内潜在的渗透感应器官。

图3.植物体内渗透感知信号的分子机制

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低温胁迫会导致气孔闭合，抑制光合作用和蒸腾活动，对植物生长的负面影响类似于干旱胁迫。该研究表明，Ca2+是信号通路中的第二信使，是许多生物体中的温度传感器，Ca2+信号转导在冷应激反应中起着至关重要的作用。

图4.低温胁迫下调节网络被激活

本研究综述了植物在面对环境胁迫时的适应机制，这些机制与昼夜节律、生物钟调控以及年度变化紧密交织。植物通过诱导特定基因的表达和调整光合作用等关键生理过程，来应对环境的变迁。深入理解这些适应机制对于提升植物的抗逆能力、确保农业生产的持续性和稳定性至关重要。