2021年9月24日，Nature Reviews Genetics（IF=53.24）雜誌線上發表了來自中國科學院分子植物科學卓越創新中心/上海植物逆境生物學研究中心朱健康課題組及張惠明課題組研究員共同通訊題為“Abiotic stress responses in plants”的綜述文章，該綜述總結了最新關於植物對非生物脅迫響應的分子機制研究進展，表明植物對非生物脅迫響應是多層次和多個過程，其中包括訊號感應及傳導、轉錄及轉錄調控、翻譯和翻譯後蛋白質修飾等。最後文章還展望了未來還可能利用這些機制通過遺傳、化學和微生物方法提高作物生產力和農業可持續性。
值得注意的是，該課題組還在Cell雜誌發表題為““Abiotic stress signaling and responeses in plants”的綜述文章。並且已經入選高被引用文章，截止202109，其文章的被引次數為1451次。詳細請參攷我們公眾號iPlants報導的全文翻譯：Cell綜述｜朱健康院士綜述植物非生物脅迫信號轉導（全文翻譯，值得收藏）。該課題組近幾年依然連續在兩大權威頂尖雜誌上發表關於植物非生物脅迫的分子機制的綜述文章，說明了該課題在植物非生物脅迫機制研究領域一直處在世界領先水準。
在自然界中，植物不斷受到不利的非生物環境條件的挑戰，例如乾旱、高溫、寒冷、營養缺乏以及土壤中過量的鹽分或有毒金屬含量。這些非生物脅迫限制了全球對耕地的利用，並對作物生產力產生了負面影響。囙此，瞭解植物如何感知脅迫訊號並適應不利的環境條件對於全球糧食安全至關重要。
為了承受環境脅迫，植物進化出相互關聯的調節途徑，使它們能够及時響應和適應環境。非生物脅迫條件影響植物生理學的許多方面並引起細胞過程的廣泛變化。其中一些變化是非適應性反應，僅反映脅迫源造成的損害，例如熱或冷應激引起的膜流動性和蛋白質結構的有害變化，以及有毒離子引起的酶動力學和分子相互作用的破壞。然而，許多變化是適應性反應，可導致植物的抗逆性新增，囙此是作物改良的潜在目標。
圖1.植物可以在各種細胞區室中感知非生物脅迫，以啟動多個水准的響應
在該綜述中總結了現時對非生物脅迫的不同分子反應水准所涉及的因素和過程的理解，強調了多種不同脅迫源的共同點。同時還討論了如何利用這些知識通過精確基因組編輯和其他方法來提高作物性狀。
1.感應脅迫
環境脅迫可直接引起植物細胞內生物分子的物理或化學變化，從而引發細胞應激反應。但是很難證明生物分子能直接感知壓力，囙此大多數假定的壓力感測器都是使用間接方法識別的。例如，破壞感受器的功能預計會影響第二信使的水准，例如Ca 2+、ROS、一氧化氮和磷脂，並且已經設計了遺傳篩選來識別導致此類錶型的突變。特別是細胞內游離Ca 2+濃度快速顯示響應外部壓力的刺激特异性模式，這使得能够在表達基於水母發光蛋白的Ca2+名額的轉基因植物的遺傳篩選中研究滲透壓、鹽和溫度壓力的感知。
感知滲透壓的變化
乾旱和鹽度都會在植物細胞中誘導高滲脅迫。在擬南芥中，編碼高滲門控鈣通道OSCA1的基因在基於鈣成像的遺傳篩選中被鑒定為高滲壓感受器（見下圖）。OSCA1位於質膜中，其功能障礙導致保衛細胞和根細胞中Ca 2+流入减少、葉片蒸騰作用缺失和高滲脅迫下植物的根生長减少。水稻（水稻）和擬南芥中OSCA1家族蛋白的結構分析為它們如何充當感受器提出一種可能的機制；降低的高滲條件下細胞膨壓降低在脂雙層的橫向張力，導致OSCA離子通道打開和Ca 2+轉運入細胞。低滲透壓也會改變細胞膜張力。在擬南芥中，MSL8是花粉中低滲應激誘導的膜張力的感受器。低滲透壓下新增的膜張力新增了MSL8打開以允許離子流出的可能性，從而保護細胞免受內部滲透壓的影響。
感知鹽濃度的變化
除了高滲脅迫之外，在鹽漬土壤中生長的植物還遭受Na +誘導的離子脅迫。在擬南芥中對Na+誘導的Ca2+尖峰缺陷的植物進行的遺傳篩選鑒定了編碼MOCA1的基因中的突變。MOCA1是一種葡糖醛酸轉移酶，可在質膜上將帶負電荷的葡糖醛酸（GlcA）基團添加到肌醇磷酸神經醯胺（IPC）），產生的糖基肌醇磷酸神經醯胺（GIPC）鞘脂可以結合Na+陽離子，從而誘導細胞膜的去極化。MOCA1依賴性GIPC感知環境Na +濃度的變化並通過尚未鑒定的Ca2+轉運蛋白產生鹽依賴性細胞內Ca2+尖峰。兩個候選的Ca 2+轉運蛋白是AtANN1和AtANN4。
除了引發質膜的變化外，高鹽度還會通過多種途徑破壞細胞壁組織。在擬南芥中，LRX-RALF-FER模塊與感知高鹽度誘導的細胞壁破壞有關（見下圖）。在正常條件下，LRX3/4/5蛋白與RALF22/23肽相互作用，防止RALF22/23肽與FER蛋白結合，從而抑制FER蛋白的內化。在鹽脅迫下，LRX3/4/5蛋白可以直接感知細胞壁中鹽誘導的變化，並且RALF肽與LRX解離以將細胞壁信號轉導至FER蛋白，以抑制FER蛋白介導的植物生長途徑，啟動鹽脅迫反應。
圖2.鹽和乾旱脅迫傳感和訊號機制
感應溫度變化
熱脅迫和冷脅迫都可以改變細胞磷脂膜的流動性。冷脅迫的幾個假定的感測器已被提出，如膜定位CNGC離子通道OsCNGC9、OsCNGC14、OsCNGC16和AtANN1通道。鑒於AtANN1還介導NaCl誘導的Ca 2+流入，植物對冷脅迫和高鹽度的反應是否共亯一個調節網絡是一個有趣的懸而未決的問題。
除了觸發細胞質游離鈣濃度的暫態升高外，溫度應激還會引起蛋白質穩定性的變化，這意味著可能在所有細胞區室中都感覺到溫度應激。例如，在擬南芥中，冷脅迫通過CBF轉錄因數的積累誘導CBF與PIF3相互作用，以减弱phyB的降解。冷穩定phyB通過控制冷響應基因和生長相關基因的表達來促進冷凍耐受性。此外，擬南芥中的phyB能感知升高的溫度以支持不同的生長模式。囙此，phyB參與植物對溫暖和寒冷溫度的反應。
此外，在擬南芥中，溫度升高也可以通過轉錄阻遏物ELF3的相變來感知，ELF3控制著許多參與生長和發育的基因。ELF3對靶基因的佔有率隨著溫度的升高而降低，導致其表達的啟動。
雖然細胞膜流動性、蛋白質構象和RNA二級結構會受到冷或熱應激的影響，但只有熱脅迫往往會導致蛋白質變性，並且由此產生的錯誤折疊蛋白質被某些熱休克蛋白（HSP）感知。在植物的正常溫度下，這些HSP結合並封锁熱應激轉錄因數（HSF）啟動熱響應基因的表達並新增各種HSP編碼基因的轉錄。然而，在升高的溫度下，錯誤折疊的蛋白質會積累並與HSP結合，從而釋放HSF以啟動熱應激反應（見下圖）。此外，組蛋白變體H2A.Z賦予純化的核小體獨特的DNA解包特性，也已被證明對擬南芥的溫度變化有反應。這些結果導致假設升高的溫度導致H2A.Z從核小體中解離，這新增了DNA對RNA聚合酶Pol II的可及性，從而導致HSP編碼基因和其他熱響應基因的轉錄新增。
總的來說，這些研究表明，植物不僅可以在細胞表面（包括細胞壁和質膜）感知非生物脅迫，還可以在細胞內區室（如細胞質和細胞核）中感知非生物脅迫。此功能可能允許對細胞內條件進行更直接的響應，並可能賦予定制隔室特定響應的能力。
2.信號轉導
對不利環境條件的感知會觸發特定於壓力的信號轉導。該過程涉及第二信使的各種組合，例如Ca2+、ROS、一氧化氮和磷脂，以及蛋白質的翻譯後修飾（PTM）。該文關注ROS信號傳導、鈣信號傳導和蛋白質磷酸化，這是植物響應許多非生物脅迫的信號轉導的三個主要特徵。
Ca2+信號傳導
脅迫下Ca2+會通過質膜和細胞器膜流入細胞質，導致細胞質中的Ca2+峰。在鹽脅迫期間，擬南芥中的SOS通路感知到特定的胞質Ca 2+訊號（見上圖2），導致Na+從根表皮細胞輸出到土壤環境，從木質部薄壁細胞到木質部血管，長距離運輸到葉子。在SOS通路中，SOS3或SCaBP8與SOS2相互作用並啟動SOS2，SOS2是SnRK3激酶家族（也稱為CIPK）中的一種蛋白質。除了被調節蛋白感知之外，Ca2+訊號還可以被轉導到鈣調蛋白結合轉錄啟動因數CAMTA1、CAMTA2和CAMTA3，它們與CBF基因的啟動子結合併啟動它們的表達以介導冷應激反應（見下圖3）.
蛋白質磷酸化
蛋白質磷酸化是植物對多種非生物脅迫一種常見的和關鍵的信號轉導。如PP2C蛋白磷酸酶家族和SnRK2蛋白激酶亞家族的成員是多種應激訊號通路的覈心參與者。它們調節各種下游蛋白質，包括轉錄因數，質膜陰離子通道SLAC1控制氣孔關閉和質膜NADPH氧化酶RbohF產生細胞外過氧化氫。除了SnRKs，應激信號轉導通常涉及RLKs和由MAPK、MAP2K和MAP3K組成的激酶級聯反應（如圖3）。
ROS訊號
植物對各種非生物脅迫作出反應的一個主要特徵是產生ROS，包括超氧陰離子、H2O2、羥基自由基和單線態氧。儘管滲透脅迫下ROS的積累可以獨立於脅迫誘導的ABA積累發生，但H2O2的產生顯然受ABA訊號通過SnRK2介導的NADPH氧化酶RbohD和RbohF啟動的調節。在擬南芥中，細胞外H2O2可能被富含亮氨酸的重複受體激酶HPCA1（在整個植物中）和GHR1（特別是在保衛細胞中）感知以通過啟動Ca 2+通道產生Ca 2+訊號。
系統性訊號
眾所周知，非生物脅迫條件，例如高光和滲透脅迫，會觸發植物中的系統性脅迫訊號，從而導致未暴露的遠端組織中的脅迫反應，從而導致系統性獲得性馴化。全株訊號同時涉及ROS和Ca2+長距離傳輸。此外，小肽還可以介導全身應激訊號。
3.轉錄調控
除了通過誘導快速調整來保護植物免受非生物脅迫外，脅迫誘導的信號轉導還誘導全基因組轉錄重程式設計，從而誘導其他保護機制，如滲透調節、解毒、修復應激引起的損傷和放大或减弱應激訊號。應激特异性轉錄模式通過轉錄因數連接到上游信號傳導。除了脅迫特定的模式，常見的轉錄反應可以被許多不同的脅迫誘導，如寒冷、高滲和高鹽度壓力。一般來說，這些常見的應激反應基因編碼與MAPK級聯、鈣訊號、ROS、細胞凋亡和蛋白質降解相關的蛋白質，並位於不同的細胞區室。
ABA依賴性與ABA非依賴性反應
儘管成百上千的基因通過ABA訊號受到乾旱、高鹽度和冷脅迫的轉錄調控，但許多脅迫響應基因是由ABA非依賴性機制誘導的（見圖4a）。許多ABA調控的基因在其啟動子區域包含ABA響應順式元件（ABRE）ACGTGG/TC，而獨立於ABA的冷響應和乾旱響應基因通常包含乾旱響應順式元件（DRE）TACCGACAT。
早期與晚期反應
一些基因，特別是那些編碼轉錄因數，顯示對脅迫快速早期反應，而有更多的基因是在應激反應後改變，並且由這些早期響應的轉錄因數驅動的（圖4a中）。在乾旱、寒冷或高鹽脅迫下的擬南芥中，大多數晚反應基因編碼具有保護活性的蛋白質，例如解毒酶和滲透保護劑生物合成。除了加强應激反應外，轉錄控制還可以導致負反饋調節。例如，在乾旱響應過程中，ABA誘導PP2C的轉錄基因並抑制它的一些受體基因以衰减ABA信號轉導的轉錄。
轉錄本調控
包括剪接、加帽、聚腺苷酸化和降解在內的RNA加工步驟對於植物抗逆性很重要。已經發現RNA加工機器的幾個組件的功能障礙會嚴重破壞非生物脅迫抗性，而不會對無脅迫條件下的植物功能產生嚴重後果。
脅迫引起可變剪接
植物在響應於冷和鹽脅迫會新增植物的可變剪接，正常剪接的中斷會導致功能性蛋白質的產生發生變化，從而改變植物對非生物脅迫或ABA的敏感性。如鹽脅迫會在擬南芥和木薯中的幾個絲氨酸/精氨酸（SR）剪接因數基因中誘導選擇性剪接，從而放大剪接調節在應激反應中的作用。
脅迫引起的聚腺苷酸化變化
替代性多聚腺苷酸化發生在乾旱、熱和鹽脅迫下。在高粱中，非生物脅迫處理會引起大量基因轉錄本中poly（A）位點選擇的變化，從而導致從功能性轉錄物和翻譯產物轉變為非功能性轉錄物。
脅迫引起的microRNA變化
為應對脅迫條件，植物會調整各種miRNA的水准。例如，氧化應激轉錄抑制擬南芥miR398，由於其目標mRNA CSD1和CSD2的積累導致氧化應激耐受，這兩個基因編碼密切相關的Cu/Zn超氧化物歧化酶，可解毒超氧化物自由基。
4.翻譯調控
報導的翻譯水准的應激反應包括5'核糖體暫停、翻譯起始的阻斷和核糖體的變化。在擬南芥中，熱應激引起5'核糖體暫停，導致mRNA降解，優先影響編碼HSC/HSP70分子伴侶靶標的轉錄本（圖5A）。此外，在熱應激期間，翻譯起始被阻斷，編碼核糖體蛋白（RPs）的mRNA優先儲存和保護在應激顆粒中；在恢復過程中，這些mRNA被釋放和翻譯，以允許在依賴於伴侶蛋白HSP101（也稱為CLPB1）的過程中快速恢復翻譯。
5.翻譯後調控
應激誘導的訊號蛋白翻譯後修飾
非生物脅迫會顯著改變各種類型的PTM的水准，這些PTM控制蛋白質的定位、積累和/或活性，從而在應激反應的調節中發揮核心作用。PTMs（包括磷酸化）對預先存在的訊號蛋白（例如感測器和受體等）的調節以允許其迅速反應，但在應激誘導的轉錄後從頭合成的蛋白質上的PTMs也可以重要的。例如，擬南芥磷酸酶EGR2通常是N-肉豆蔻醯化的，這使其能够有效地與SnRK2.6相互作用並抑制SnRK2.6。然而，在冷脅迫下EGR2表達新增及其與N-肉豆蔻醯轉移酶NMT1减弱，導致N-肉豆蔻醯化EGR2被新合成的未肉豆蔻醯化EGR2稀釋。囙此，SnRK2.6從EGR2介導的抑制中釋放出來，使其能够調節冷耐受性（圖3）。
應激誘導的其他蛋白質的翻譯後修飾
PTM還控制許多對抗壓性很重要的非訊號蛋白的活性。滲透壓力和ABA訊號導致SnRK2s的啟動，SnRK2s磷酸化轉錄因數、轉運蛋白和許多酶，包括參與ROS生物發生和清除以及滲透物生物合成的酶。件下正確剪接前mRNA所必需的。
6.錶觀遺傳調控
應激反應和應激耐受基因受錶觀遺傳標記調控
已經在許多植物物種中研究表明，錶觀遺傳標記可以響應於各種非生物脅迫。錶觀遺傳變化與參與植物應激反應的基因的轉錄調控相關聯。例如，DNA甲基化缺陷的擬南芥突變體顯示啟動子DNA低甲基化，囙此Na +轉運蛋白基因HKT1的表達升高囙此，新增了耐鹽性。
脅迫誘導的植物錶觀遺傳模式改變也可能是錶觀遺傳調節因數的變化造成的。例如，蕃茄果實在冷藏過程中會失去風味，因為冷藏會抑制DNA脫甲基酶基因DML2的轉錄；由此導致負責風味揮發物生物合成的基因啟動子處DNA甲基化水准的新增導致其表達的沉默（圖5b）。
消除脅迫引起的錶觀遺傳變化
認為非生物脅迫誘導的錶觀遺傳修飾可以導致跨代應激記憶是很有吸引力的。然而，在脅迫恢復過程中，存在消除脅迫引起的錶觀遺傳變化的機制。在擬南芥中，染色質重塑蛋白DDM1和DNA解旋酶MOM1通過不同的機制介導錶觀遺傳基因沉默：DDM1通過DNA甲基化起作用，而MOM1則沒有。熱應激誘導的錶觀遺傳沉默的釋放不能傳遞給後代，除非植物同時缺乏MOM1和DDM1，這表明這些蛋白質具有冗餘功能以防止應激誘導的錶觀遺傳狀態的跨代遺傳（圖5c）。如果後代沒有持續受到脅迫，鹽脅迫引起的DNA甲基化變化會逐漸消失，這些變化會部分傳遞給下一代。囙此，植物中脅迫誘導的錶觀遺傳記憶似乎是短暫的，這表明僅通過施加脅迫處理來培育抗脅迫的錶觀等位基因是不可行的。
7.對作物改良的影響
利用作物的自然遺傳變異
近年來，通過數量性狀基因座方法和全基因組關聯研究，越來越多的作物物種中發現了非生物脅迫反應和天然等位基因變異的重要調節因數。通過這些方法鑒定的基因和等位基因可用於培育具有改善的環境適應能力和更高生產力的作物。例如，水稻、小麥（Triticum aestivum）和玉米（Zea mays）中的HKT1等位基因已被確定為控制植物耐鹽性的主要數量性狀位點，並使得標記輔助育種能够在鹽漬土壤中提高小麥產量。.在非洲水稻亞種Oryza glaberrima中，TT1被確定為耐熱性的主要數量性狀位點，在當地適應中起重要作用。
抗逆植物的基因工程
通過上調或下調參與脅迫反應的關鍵調節因數的表達或活性，可以對抗逆植物進行基因工程改造。儘管可以操縱分子反應的任何級別的調節劑，但大多數成功是通過蛋白激酶和其他訊號成分、轉錄因數、代謝酶和離子轉運蛋白實現的。
過表達滲透脅迫啟動和ABA啟動的SnRK2基因SAPK1和SAPK2導致水稻耐鹽性新增，而由CRISPR-Cas基因組編輯產生的這些基因的功能喪失突變體顯示耐鹽性降低，支持重要的SAPK1和SAPK2在這個過程中的作用.基於CRISPR-Cas的基因編輯是一種强大的基因工程方法，可用於作物通過堿基編輯、引子編輯和靶向序列插入和替換來產生隨機小的indel突變或精確的堿基變化。特別是有針對性的序列插入科技使轉錄或翻譯調節序列的高效插入重要的應激反應的基因產生與新增或减少的表達等位基因，使它成為研究和育種的寶貴工具。
在不犧牲增長的情况下提高抗壓能力
植物應激反應的調節本質上與其他重要的生物過程相協調，尤其是與生長相關的途徑。囙此，新增作物抗逆性通常伴隨著生長减少的不良副作用。然而，在脅迫誘導型啟動子控制下表達脅迫耐受基因可以減輕這些生長和產量損失。例如，在水稻中，在乾旱誘導型Oshox24啟動子的控制下過表達轉錄因數基因OsNAC6提高了對脫水和高鹽脅迫的耐受性，而不會出現組成型過表達觀察到的生長遲緩和低谷粒產量。實現脅迫響應和植物生長之間的最佳平衡對於在田間條件下提高產量穩定性的工程作物至關重要。
保護植物免受非生物脅迫的化學干預
脅迫抗性也可以通過用影響植物脅迫反應網絡分子組分活性的小分子化合物處理來調節。例如，類似ABA的活性的化學小分子，包括與ABA受體結合、誘導氣孔關閉和啟動應激反應基因的表達。在植物中使用基因工程脅迫誘導型ABA受體可以進一步提高ABA類比物的功效，從而實現更高水准的抗旱性。
結論和未來展望
我們對植物分子對非生物脅迫的反應的理解仍然存在許多差距，特別是在脅迫傳感、早期信號、翻譯和翻譯後調控以及生長調控方面。可能有許多脅迫感受器尚未確定，而大多數已報導的脅迫感受器只能被認為是假設的感受器，因為它們的生理功能和生化傳感機制尚不清楚。此外，我們對壓力訊號的瞭解是零碎的。大多數已知的訊號通路尚未連接到脅迫感受器；對訊號通路之間的串擾知之甚少。分子遺傳學方法和各種組學方法為我們現時的知識做出了巨大貢獻。然而，遺傳冗餘和致死率，以及分析生物大數據的能力有限，對充分闡明植物應激反應途徑和調控網絡的嘗試構成了重大挑戰。基因組編輯工具和人工智慧將有助於解决這些問題。此外，需要單細胞組學和其他細胞特异性和組織特异性方法以及原位和實时成像分析方法來瞭解對非生物脅迫的動態分子反應的時空複雜性。
此外，根系微生物群中的許多有益土壤微生物能够增强植物對乾旱和其他非生物脅迫的抵抗力，但其潜在的分子機制大多未知。結合遺傳、化學和微生物策略的綜合方法可以為培育具有高抗逆性和高生產力的植物提供解決方案（圖6）。破譯有益微生物保護作用背後的分子機制可能會導致新的策略來提高遺傳、化學和微生物方法的功效。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41576-021-00413-0
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