植物低温胁迫适应性应答综述摘要：对植物低温胁迫适应性应答的研究进展，包括低温诱导蛋白、低温转录因子、低温信号转导、不饱和脂肪酸酶，以及低温次级氧胁迫进行了综述。
关键词：植物；低温胁迫；适应应答低温胁迫包括0-12℃之间的冷胁迫(chillingstress)和0℃以下的冰冻胁迫(freezing stress)两种。
它是一种严重的自然灾害，不仅限制作物的区域分布和生存，还对作物产量有很大影响。
探讨植物在低温胁迫下的生理生化变化及其抗寒冻机理。
对改善作物抗寒冻性能，提高经济作物产量，改善环境绿化状况均有十分重要的理论与经济意义和社会效益，是人们关注和研究解决的植物生理学和农业问题之一。
1 低温胁迫下的植物损伤环境温度改变会引起物质在水溶液中发生物理化学变化。
随着温度降低，水分子的粘滞性可以增大几倍。
使得溶剂以及水分子的扩散速率下降，盐的溶解性也降低，而气体的溶解性增大。
生物体缓冲系统的pH提高。
另外，细胞结冰往往伴随着脱水。
使细胞内渗透压增大，细胞体积缩小。
质膜系统和细胞骨架受到损伤，气体交换受阻，生物大分子结构改变并导致功能丧失，有害物质积累，植物细胞器如线粒体、叶绿体、核糖体的结构与功能也受到影响。
植物体内包括光合、呼吸、生长发育、代谢、蒸腾以及营养水分吸收等在内的几乎所有的生命活动都会不同程度地受到寒冷胁迫的干扰。
有关植物冷害的最早学说是Lyons在1973年提出的“膜脂相变”学说。
该学说认为，与热激胁迫所引起的蛋白质变性以及折叠受阻不同，低温对冷敏感植物的伤害首先是改变了磷脂双层膜的膜相，尤其是改变了质膜的空间构象和物理状态，使从片层(lamellar)转变为非片层(non-lamellar)或六方晶Ⅱ(hexagonalⅡ)，从液晶相转变为凝胶相。
膜相的改变可能抑制细胞膜发挥正常功能，而构象的改变影响了膜的稳定性，使蛋白质从膜上解聚下来，发生膜融合。
2低温胁迫对植物细胞生物学和生物化学的响应虽然植物不能像动物那样靠运动来趋利避害，但在长期进化过程中也形成了多种在寒冻环境下生存的适应机制，包括被动适应机制和主动适应机制。
前者指植物体自身具有的结构障碍，如叶片较小、栅栏组织发达、细胞壁衍化成角质层、蜡质、木质、栓质、表皮毛和特殊气孔等附属结构，这些附属结构以及木质部间的导管组织能阻止水分子和冰的扩散运动。
后者与植物的诱导性抗寒冻防卫反应有关，包括改变酶系统以及植物激素调控系统的表达：修饰膜组成，增加能降低相变温度的不饱和脂肪酸含量；增加能抑制冰晶生长速率、提高熔点的细胞壁上的阿拉伯木聚糖：增加与细胞识别有关的细胞表面糖蛋白：提高微管的低温稳定性：提高细胞内一些抗冻分子物质如简单的糖类(蔗糖、葡萄糖、海藻糖等)、多元醇、内铵盐/甜菜碱(对ycinebetaine)、脯氨酸、多铵、自由氨基酸、可溶性蛋白质或亲水性多肽和脱落酸等的含量，这些抗冻分子含有(多)羟基，能结合水分，因而能降低细胞水分的减少，稳定大分子和膜的结构。
传统提高植物耐受冻害的方法主要有：①根据形态(如株高、产量)或生理生化指标，采用传统遗传育种手段，培育抗寒冻品种；②改变作物的栽培方式，适地适种，深翻地，涂白。
树盘培土，覆盖杂草薄膜。
熏烟驱寒等；③使用抑制植物生长的激素如脱落酸(ABA)、矮壮素(CCC)、比久(B-9)，以及化学保温剂如煤油乳剂和农业泡沫精(agrifoam)等来调节植物代谢活动，影响植物生长状态。
改善植物抗冻害能力。
这些传统方法对提高植物抗寒冻能力有一定实用效果，但存在作用周期长，并且植物叶面有较厚蜡质，药物难以进入叶内细胞，不能有效改变植物抗寒冻性等问题。
用现代分子生物学技术，从分子水平上进一步阐明植物抗寒冻机制，将有助于对植物抗寒冻作用本质的了解，为有效改良植物抗寒冻能力建立基础。
3植物的抗寒冻机制虽然低温是限制生物生存和分布的主要因素之一，即使在像南极和北极那样极端寒冷的环境下，也有生物生存。
多数植物经低温驯化(cold ac—elimation)后，其抗寒冻能力都增强。
经过大量研究，目前人们对植物冷驯化机制有了一定的了解。
植物在人工低温冷驯化下，通过上游调控来维持呼吸作用、光合作用和蛋白质合成代谢的进行而获得对寒冻的抗性。
在人工低温冷驯化过程中，一系列低温诱导基因被诱导表达，植物系统获得性抗寒冻性是与低温诱导基因的诱导表达密切相关的。
目前研究低温诱导基因及其表达调控的方法主要有3种：①运用现代分子生物学技术包括高通量cDNA微阵列或基因芯片技术、酵母单(或双)杂交方法、DNA标签法和差别展示技术等直接分离与冷驯化相关的基因；②运用传统/正向遗传学和反向遗传学方法包括图位克隆法、转座子或T-DNA插入的定向基因失活技术、反义RNA和共抑制技术以及基因沉默技术，筛选并研究大量突变群体中的低温胁迫基因作用位点和功能；③运用分子探针分析酶切扩增多态序列(CAPS)、限制性片段长度多态性(restriction fragment length polymorphism,RFLP)和数量性状座位(quantitative trait loci，QTL)谱，确定低温诱导基因遗传图。
运用现代分子生物学技术，大量与植物低温诱导表达相关的基因已得到分离和鉴定，但一些组成性基因表达与植物耐冷机制之间的关系还未全面揭示。
基于胁迫损伤或耐性表型的遗传筛选方法，与现代分子生物学技术相辅相成，在植物低温转录因子表达、胁迫信号传递和代谢途径的研究中发挥着越来越重要的作用。
3.1 丰富多样的植物低温诱导蛋白质分析低温诱导基因编码的蛋白质的氨基酸组成、序列、结构特征以及进行同源性比较，发现低温诱导蛋白质中有直接与提高植物抗寒冻性、保护细胞免受冻害的功能性蛋白质如胚胎发育晚期丰富蛋白(LEA蛋白)、抗冻蛋白、DNA结合蛋白、mRNA结合蛋白、分子伴侣、离子通道蛋白、bZip蛋白以及能保护其他酶类的蛋白质等：有改变膜脂组成的合成酶如脂肪酸不饱和酶：有降解毒性物的抗氧化胁迫酶包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)等；也有调控寒冷信号传导、抗寒冻基因表达和抗寒冻蛋白质活性的调控性蛋白质包括低温转录因子、蛋白激酶以及一些蛋白酶。
晚期胚胎发育蛋白(LEA蛋白)主要出现在种子胚发育的晚期，具有富含Lys 的K节和富含Gly的φ节。
研究低温诱导蛋白质的结果表明，许多低温诱导蛋白质与LEA蛋白在氨基酸序列上有高度同源性，结构上普遍具有以下几个特点：含有大量亲水性氨基酸，在沸点下保持稳定：氨基酸组成简单，仅由几个氨基酸构成，Gly、Ala含量较高；具有重复序列结构。
内部缺少折叠区，受热难于聚集；形成双亲α-螺旋，其疏水区与部分变性蛋白质及膜相互作用，阻止蛋白质和膜进一步变性，而亲水区与其它蛋白质结合，可能具有蛋白质分子伴侣作用。
在低温下稳定膜结构与功能。
3.2低温转录因子DREB1/CBF可以同时调控多个植物低温诱导基因表达，增强植物耐冻性高等模式植物拟南芥低温诱导基因COT(cold—regulated)基因，也称kin(cold-induced)、rd(respon-sive to dehydration)、lti(low-temperature induced)或erd(early responsive to dehydration)基因，所编码的多肽根据氨基酸组成可分成四类：COR6.6/KIN2、CORl5a、RD29A/LTl78/COR78和COR47/RD17，其中COR6.6蛋白与富含丙氨酸的鱼类抗冻蛋白I在氨基酸组成上极为相似，RD29A和RDl7蛋白类似于LEAⅡ蛋白，CORl5a蛋白可能与质膜相互作用，阻止六方晶Ⅱ相发生，提高质膜冷稳定性，增强叶绿体和原生质体的抗冻能力。
研究基因缺失和碱基突变的结果表明，cor15a基因启动子的顺式作用元件包括上游的C-repeat元件。
也称CRT，或DRE(dehvdration-responsive el-ement)，或LTRE(low temperature responsive ele—ment)，其核苷酸序列是TGGCCGAC，以及下游的ABA响应元件ABRE，具有保守的6核苷酸序列TACGTG。
此外，在rd29A基因启动子的顺式作用元件中也发现ABRE以及类似于CRT的脱水响应元件DRE，其核苷酸序列是TACCGACAT。
CRT/DRE/LTRE元件或其核心序列CCGAC，广泛存在低温、高盐及脱水应答中一些诱导基因的启动子中，但它对ABA的快速诱导没有响应。
采用拟南芥corl5a或rd29A基因的CRT/DRE元件。
以及酵母单杂交方法。
经凝胶移位和基因芯片技术，结合位点选择分析以及反式激活分析。
已经分离和克隆了与低温胁迫耐性相关的转录因子CBFl，2，3/DREBlB，1C，1A。
CBFs 具有AP21ERF DNA结合域。
可以识别和结合CRT/DRE元件。
正常生长条件下，野生型拟南芥植物中的CBFs、cor6.6、cor15a、cor47和rd29A基因不表达。
植物经低温冷驯化15min后。
体内的CBFs基因开始表达，约2h左右。
上述cor 基因表达。
CBFl或CBF3组成性过量表达，促进下游的cot基因也组成性地高水平表达，与cor15a单独表达相比，它可以使整株转基因植物耐冻性提高3.3℃。
用含基因的启动子控制DREBIA在转基因拟南芥植物中表达，植物的抗冻、抗干旱和耐盐性提高。
遗传分析发现，ICEl(inducer of CBF expressionl)作为CBF3的激活子，能识别和结合CBF3启动子的MYC/B序列。
转ICEl基因植株的CBF3，RD29和cor15a在低温下高表达。
最近发现的转录因子CBF4显示了植物对低温和干旱胁迫反应进化上的相近性。
CBF4受干旱胁迫诱导。
但不受低温胁迫诱导。
在转基因植株中，过量表达的CBF4不但植物抗干旱能力增强，而且植物的抗冻性提高。
CBF4的原始基因很可能具有调控植物对干旱胁迫作出响应的功能，经过基因复制、启动子趋异及选择、外显子重组等作用，逐渐具有调控植物耐低温的特性。
由于CBF/DREB1能诱导多种与胁迫相关的基因表达，而极大地增强植物抗逆性，因此具有广泛的应用价值，目前已成为人们研究的热点之一，国内外许多研究机构已经利用导入该转录因子来提高植物的抗寒性、抗旱性，并且获得了一定的成功。
3.3遗传突变研究正逐步揭示CBF/DREBl与辅助因子相互作用调控下游基因表达的机制在一些基因表达过程中，转录因子并不直接与顺式作用元件结合，经过辅助因子活化后才能调控下游基因表达。
在拟南芥植物中发现类似酵母的适配器(adaptor)ADA2和具有组蛋白乙酰转移酶(HAT)活性的GCN5蛋白。