综述 | Molecular Plant：植物对环境温度响应的分子机制
编译：Yong-qin，编辑：十九、江舜尧。
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环境温度对植物的生长发育及作物的产量品质至关重要。植物不断适应自然地季节变化从而更好地生长发育。植物的整个生命周期受到环境温度的影响，在温和条件下生长迅速且发生特殊的形态变化（热形态发生），而在低温或潮湿的条件下有些植物加速开花（春化）或种子萌发（低温层积），一些植物则会低温下生长后会获得抗寒能力（低温驯化）。随着全球气候变化，常见的高温胁迫会对植物的生长发育产生不利影响。因此，探索植物的热形态发生和春化现象，以及植物未知的耐寒机制成为研究热点，深化理解植物对环境温度的响应机制十分重要。
论文ID
原名：Molecular Regulation of Plant Responses to Environmental Temperatures
译名：植物对环境温度响应的分子机制
期刊：Molecular Plant
IF：10.812
发表时间：2020.02
通讯作者：杨淑华
通讯作者单位：中国农业大学生物学院
DOI号：https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.02.004
主要内容
1背景介绍
植物中存在许多温度响应的可塑性调控。PIF4（光敏色素互作因子）是植物热形态发生的调控因子，其介导的热形态发生受植物激素、生物钟和光强度的影响。FLC（开花位点）的表观遗传调控可促进春化，VRN1-VRN2-VRN3（春化基因）则可调控禾本科作物的春化。低温层积通过ABA（脱落酸）和GAs（赤霉素）促进种子萌发。在低温胁迫下，冷信号被细胞膜、Ca2+通道、G蛋白感知并转导，可启动CBF/DREB1（C-重复序列结合因子/脱水应答原件结合蛋白）介导的转录调控通路响应低温胁迫。高温胁迫下，植物会产生错误折叠的蛋白和过多的ROS（活性氧），而通过HsfA1（热激转录因子）可清除过多的ROS。
2 温度传感
环境温度会影响植物细胞膜的流动性，如改变Ca2+通道蛋白的活性，触发Ca2+内流，诱导温度响应的基因表达。CNGCs（环核苷酸控Ca2+通道）是高温感应的重要调控因子。研究表明水稻中COLD1（G蛋白调控因子）与RGA1（水稻G蛋白α亚基）可感知寒冷信号并诱导Ca2+内流，OsCIPK7（CBL-交互蛋白激酶）则通过调节蛋白结构感知冷信号。光信号与高温响应密切相关，如phyB（光敏色素B）通过改变其活性感知高温。
3 寒冷响应
3.1 CBF的调控机制
CBF的表达可激活COR（冷调控基因）的表达，促使植物产生抗冻蛋白。CAMTA（钙调蛋白的转录激活因子）蛋白家族是促进CBF表达的转录因子，其中CAMTA3和CAMTA5响应的是温度的迅速下降，此外CBF的稳定性受PTM（翻译后修饰因子）影响。同时，ICE（CBF表达诱导因子）也调控CBF表达，其中ICE1受HOS1（E3泛素连接酶）和SIZ1（类E3连接酶）调控而泛素化，或受蛋白激酶OST1、MPK3/MPK6、BIN2调控而磷酸化，OST1同时可提高HOS1的稳定性，而OST1则受EGR2（蛋白磷酸酶）和ABI1（脱落酸不敏感基因）的负调控。然而BIN2在冷信号下活性降低，起作用可能是CBF衰减阶段的抑制因子。MYB类转录因子与植物的寒冷响应密切相关。MYB15可抑制CBF的表达，降低植物抗寒能力，但MYB15会受E3连接酶PUB25/PUB26降解，且OST1可磷酸化PUB25/PUB26。研究表明OST1使BTF3（基本转录因子，可与CBF相互作用）磷酸化，提高CBF蛋白的稳定性。然而，细胞质激酶CRPK1磷酸化14-3-3蛋白，导致14-3-3蛋白进入细胞核破坏CBF蛋白，对植物耐寒性不利。此外，研究中存在许多与CBF无关的冷信号通路，寒冷信号诱导HY5（光信号转录因子）正调控COR表达，且COP1（E3泛素连接酶）提高HY5稳定性。冷信号致使NPR1（水杨酸受体）异构，激活HSFA1（热应激基因），促进COR表达。DEAD-box RNA解旋酶RCF1和RNA剪接因子STA1可以控制COR的pre-mRNA剪接和转化率（图1）。
3.2 植物激素及生物钟/光信号的调控机制
蛋白激酶BIN2负调控BR（油菜素类固醇）信号通路，BR增加COR的表达从而提高植物抗寒性。BIN2下游的3个转录因子BZR1、BES1、CESTA正调控CBF表达。乙烯信号通路的关键转录因子EIN3和EIL1可结合启动子负调控CBF表达，JA（茉莉酸）信号通路的JAZ1和JAZ4抑制ICE1的活性。近期研究表明水稻中的HAN1基因编码一种氧化酶可降低JA活性，从而水稻提高幼苗期耐寒性，此外OsbZIP73基因调控ABA途径，LTG1基因编码酪蛋白激酶调控生长素途径。植物生物钟的关键因子CCA1、LHY、PRR、LUX调节CBF表达的节律，CCA1和LHY正调控CBF表达。CCA1存在2种可变剪接，CCA1β与CCA1α和LHY相竞争，然而低温下CCA1β类型减少。PRR5/7/9负调控CBF表达。LUX直接正调控CBF1的表达。COR27/28作为抗寒性的负调控因子，对生物钟有不利影响，受到CCA1的负调控。光敏色素互作因子PIF3/4/7负调控CBF表达而降低植物耐寒性，且冷胁迫通过F-box蛋白EBF1/2抑制PIF3的降解。CBF负调控可能是植物避免过度寒冷响应的机制（图2）。
4 高温响应
热胁迫会引起植物细胞内的蛋白质错误折叠和ROS积累，而一系列HSR（热胁迫响应）基因被诱导并编码蛋白：分子伴侣和ROS清除剂。HSF（热应激因子）蛋白家族的HsfA1起主要调节作用，在高温下被激活并诱导HSR表达。常温下HSP70/90（热休克蛋白）抑制HsfA1活性及核定位，而热胁迫下HSP70/90引起HsfA1的激活和分散。周期蛋白性激酶CDC2a使HSF1磷酸化而抑制其活性，而依赖CaM（钙调蛋白）的蛋白激酶CBK3使HsfA1磷酸化而增强其与下游启动子结合。研究表明HsfA2存在类泛素化修饰且抑制其活性。MPK3/6基因促进HsfA4A表达及核定位，而MPK4基因使HsfA4A磷酸化而影响其分子内相互作用（图3）。
DREB2A基因对植物耐热性至关重要，促进HSR表达，常温下GRF7（生长调节因子）抑制DREB2A表达，而高温下HsfA1、JUB1、MBF1c（多蛋白侨联因子）激活DREB2A。DREB2A可被E3泛素连接酶DRIP1/2降解（26-蛋白酶途径）。RCD1（自由基诱导的细胞死亡因子）与DREB2A结合抑制其活性，但RCD1在热胁迫下易降解。DREB2A的NRD（负调控蛋白域）富含丝氨酸和苏氨酸，作为其降解信号，常温下CK1（酪蛋白激酶）磷酸化NRD区域抑制其活性。NF-YB3（核转录因子）、DPB3-1（DNA聚合酶Ⅱ亚基）、NF-YA2形成三聚物可激活DREB2A活性。生物钟蛋白REV4/8激活HSR表达而促进植物耐热性。表观遗传调控也是植物高温响应的关键，热胁迫诱导可组蛋白乙酰化和甲基化。H3K4甲基化对于HSR表达十分重要，分子伴侣ASF1可去除HSR的H3K56甲基化。miRNAs（小RNA）作为基因调控因子与热响应密切相关，如miR156/159/160/398均和热胁迫相关。miR398以ROS清除基因为靶标，导致ROS过量，但促进了HsfA1的表达。研究表明热信号诱导维生素E产生，且抑制XRN外切酶（降解miRNA）活性，从而维持miRNAs在热胁迫下的功能（图3）。
植物需要修复或降解热胁迫导致的错误折叠的蛋白及过量的ROS。HSP可修复蛋白，HSP100可降解错误蛋白，水稻中26S蛋白酶α2亚基OsTT1可去除热胁迫下变性的蛋白。蛋白错误折叠会触发内质网的UPR（未折叠蛋白反应），使bZIP28/60（内质网区域的转录因子）移位至核内，促进热响应基因的表达。热胁迫下IRE1（内质网区域的RNA剪接因子）会切除bZIP60 mRNA的跨膜结构域片段，致使bZIP60移位到核内。内质网应激反应使bZIP28在高尔基体分裂，导致其胞浆区移至细胞核。水稻中的OsNTL3（NAC类转录因子）也在热激和内质网应激下移至细胞核，诱导热响应基因表达（图3）。
5 热形态发生
植物由于温和温度产生的形态和长势上的变化称为热形态变化。PIF4（bHLH型转录因子，涉及光形态发生），是热形态发生的中心调控因子。温度诱导PIF4表达，促进下胚轴和叶柄生长，而PIF1/3/5/7不受光响应。研究表明PIF4介导的植物激素（生长素、油菜素、赤霉素）途径在热形态发生其关键作用。温和条件下，PIF4激活生长素合成基因TAA1（色氨酸转氨酶）、CYP79B2（细胞色素P450）、YUC8表达，生长素响应的SAUR基因家族则是下胚轴伸长的主要因子。光照下转录因子BES1形成同质二聚体抑制油菜素合成基因CPD、DWF4的表达，然而温和条件下PIF4的产生会与BES1结合，防止其抑制油菜素相关基因的表达。温和条件促使转录因子BZR1积累，BZR1与PIF4之间形成正调控反馈回路，且PIF4、BZR1、ARF6（生长素响应因子）互作促进下胚轴伸长，同时油菜素促进根系伸长。同样地，赤霉素合成基因AtGA20ox1、AtGA3ox1在温和条件下调节细胞生长，且DELLA蛋白（赤霉素抑制因子）被降解（图4）。
PIF4同时受生物钟、光信号、染色质重建、组蛋白调控。EC（夜晚调节因子）中的ELF3/4、LUX通过调控PIF4/5调节植物生长。研究表明ELF3的变异导致植物对温度响应的差异。温和条件下B-box蛋白家族BBX18/23调控ELF3的降解。EIF3、TOC1（夜晚表达的生物钟因子）与PIF结合并抑制其活性。光信号调控中，bZIP转录因子HY5与PIF4竞争结合染色质，而温度导致泛素连接酶COP1移至核内降解HY5（26S蛋白酶途径）。研究表明PIF的磷酸化可增强稳定性。HMR（光形态发生的关键因子）与PIF4的互作诱导热形态基因的表达，而HFR1（bHLH型转录因子）通过CRY1（隐花色素）途径抑制PIF4表达。UVR8（UV-B受体）在UV-B照射下通过稳定HFR1活性抑制PIF4表达。除生物钟与光信号的影响，TCP转录因子TCP5/13/17调节PIF4活性，温暖条件促使TCP17裂解从而增强PIF4活性，TCP5则通过结合PIF4启动子使表达上调。PWR（一种含SANT2结构域蛋白）的去乙酰化诱导PIF4表达。FCA（开花控制位点）调节YUC8（H3K4去甲基化作用）的染色质修饰，致使PIF4在温和条件下去甲基化（图4）。
6 植物春化
春化指植物在低温下加速开花的过程，分为三个阶段：春化开始（长期冷胁迫）、春化响应、春化重置（后代）（图5）。
在拟南芥中，春化与开花抑制因子FLC有关。寒冷促使FLC的H3K27me3修饰，抑制其活性。开花因子VRN2编码一种锌指蛋白增加FLC染色质的H3K27me3和H3K9me3修饰。冷胁迫诱导VIN3（含PHD结构域的植物特异蛋白家族）结合FLC第一个内含子的启动子，VIN3家族包括VIN3、VRN5、VEL1、PRC2基因，以确保FLC染色质的高度修饰。LHP1（类异染色质蛋白）富集于FLC染色质以维持FLC的修饰水平，CME（冷调控原件）同样可维持FLC沉默。VAL1/2（特异序列阅读框因子）结合CME位点，且调控LHP1和PRC2，且VAL1促进FLC的去乙酰化和可变剪接，致使其沉默。长非编码链RNA（lncRNA）如COOLAIR、COLDAIR、COLDWRAP调控FLC的基因沉默。COOLAIR转录本源于FLC的poly(A)尾巴的诱导，沉默FLC的表达与H3K36me3修饰水平，然而同源蛋白AtNDX介导的互补链R环抑制COOLAIR转录本形成。研究表明FT（开花位点）会促进COOLAIR转录，COOLAIR促使CLF（PRC2亚基）在FLC位点聚集。COLDAIR源于FLC的第一个内含子，可与CLF结合，且聚集PRC2，使FLC沉默，但其转录持续十分短暂。COLDWRAP源于FLC的启动子，协助PRC2扩散至启动子区域，并促进H3K27me3修饰，其转录持续较久。FLC沉默通过表观遗传维持至后代。种子特异的转录因子LEC1增强FLC的H3K36me3修饰，使春化重置（图5）。
在禾本科植物中，春化诱导MADS-box转录因子VRN1抑制VRN2（开花抑制因子）的表达并激活VRN3（开花位点）的表达。研究表明VRN1-VRN2调控回路在禾本科进化后期才形成。有趣的是，禾本科的组蛋白修饰调控和拟南芥相反，低温下，HvVRN1染色质的H3K27me3修饰下降而H3K4me3修饰上升。开花基因VRN1和AG受EZL1（CLF1的同源物）表观调控。此外，磷酸化和糖基化也是春化重要的调控因子。VER2（糖类结合基因）编码一种植物凝血素蛋白，可识别糖基化修饰的TaGRP2（富甘氨酸RNA结合蛋白），从而抑制TaGRP2与TaVRN1的结合，抑制VRN表达。
7 展望
至今，对植物对温度的响应机制的理解已经十分广泛，但仍有潜在的未被发现的机制。在温度传感研究上，植物的RLKs（受体激酶）是重点，生物传感识别技术有待提高。此外，Ca2+信号的诱导和响应机制仍未知，需要进一步研究。通常，植物在不适温度下会激活防卫反应而抑制其生长，故而植物是如何平衡生长与防卫有待研究。如今气候变化导致了物种分布和行为的大量变化，耐寒/耐热数量性状位点或自然变异可能是最主要的原因，因此作物的遗传变异和响应机制需要深入研究，进而使人们了解植物对全球气候变化的适应性。
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