脂质调控植物低氧信号的作用及其在苎麻育种研究中的展望

邵德义，高钢，喻春明

（中国农业科学院麻类研究所/国家麻类作物育种中心，湖南 长沙 410205）

1 植物对低氧胁迫的形态与生理适应

多变的气候条件，使植物在整个生命周期内都可能受到各种生物和非生物胁迫的影响。低氧胁迫是最重要的非生物胁迫之一，主要是由土壤淹水和涝渍引起，对植物的生长和分布都会产生不利的影响［1］。植物在淹水和涝渍环境中由于水分过多，阻碍了植物与大气间的气体交换，气体扩散急剧下降，且周围O2浓度过低形成低氧状态，导致植株的茎和根尖分生组织等受淹组织和器官缺氧［2］。淹水条件下，光照的减少会导致植物细胞能量的短缺，影响植物的生长发育，降低作物产量［3］。为了应对淹水和涝渍所造成的低氧胁迫，植物细胞从有氧呼吸转变到无氧呼吸，导致乳酸、乙醇和乙醛等呼吸产物大量积累，对植物造成进一步的伤害［3］。除此之外，植物还必须克服缺氧和缺氧后复氧期间一氧化氮（NO）、活性氧（ROS）和乙烯水平升高等其他因素的影响［3-4］。

植物为适应短期或长期的淹水环境，通过调整自身的形态结构，降低因淹水胁迫导致的细胞损伤［5］，其中包括形成气生根、诱发不定根和在不定根中形成通气组织来促进O2从与空气接触的叶片向浸入水中的根的传递，从而缓解根系的低氧胁迫，以及通过刺激伸长生长，加速伸长枝条来摆脱低氧胁迫等［6-7］。低氧胁迫下，植物除了通过形态学的改变来降低细胞损害以外，还可以通过调整细胞的呼吸作用等生理分子代谢过程来维持生存［8］。淹水条件下，植物细胞从有氧呼吸转变到无氧呼吸，但在糖酵解过程中会产生大量的乳酸、乙醇和乙醛等有毒物质［9］。现有的研究已从模式植物拟南芥中分离得到了一大批编码糖代谢、糖酵解相关酶的响应低氧胁迫的应答基因和microRNA［9］。有研究［9］表明，植物细胞内的多个信号网络及其相互作用直接或间接地参与感知低氧信号，这些信号网络通过腺苷酸（ATP、ADP和AMP）、丙酮酸、转录因子、植物激素、局部活性氧和NO的产生，以及蛋白激酶等多因素的变化来共同调节植物对缺氧胁迫的反应。

近年来，研究人员在植物应对低氧胁迫的形态和生理适应机制方面取得了较大的进展，但是对于植物如何感受低氧胁迫的分子机制，仍缺少充足的研究证据证明该分子感应机制的存在，所以人们一直认为植物是间接地感受到氧气浓度的降低［10］。直到德国马普研究所的科学家发现了氧气依赖的乙烯反应子RAP2.12可以利用N-末端蛋白降解途径来调控植物低氧胁迫反应［11］（图1），这一发现表明ACBPs-RAP2.12复合体很可能是植物对低氧胁迫的直接感受器［1］，同时也为脂质分子在植物体内通过与乙烯信号途径相互作用，调控低氧应答反应的相关研究提供了开创性思路。

图1 植物O2感受分子机制模型［11］Fig.1 Molecular mechanism model of plant O2 sensing

2 低氧胁迫条件下植物脂质代谢与信号传导

2.1 缺氧反应过程中的植物脂质的变化特征

植物脂质种类繁多，包括脂肪酸类、鞘脂类、固醇脂类、甘油磷脂类等，其在碳储备、能量供应、信号转导以及胁迫应答中起到多方面的作用［12］。脂质信号分子的产生受到一系列专门的脂质修饰酶和酰基脂质代谢网络的严格调控［5］。干旱、低温和涝渍等非生物胁迫激活了脂质介导的信号级联反应，从而提高植物对这些胁迫的耐受性［13］。在对不同植物相关组织进行转录组学分析中发现，低氧胁迫下，植物脂质生物合成和分解代谢是差异富集最为丰富的信号通路之一［14］。在模式植物拟南芥4周龄的莲座丛中，脂质代谢相关基因的转录水平在淹水条件下发生显著变化，淹水处理2 d诱导了脂肪酸降解途径中基因的表达，但抑制了脂肪酸生物合成相关基因的表达［14］。可以推测，缺氧反应过程中植物脂质的动态变化与重塑对缺氧感知的调节具有重要作用。

为了应对低氧环境信号，植物通过重塑其脂质组成，包括改变各种脂类含量、碳骨架的长度和脂肪酸饱和度等来维持膜的最佳功能［15-16］。相关脂质组学分析显示（表1），淹水会导致拟南芥幼苗和成熟植株内脂肪酸组成发生显著变化，磷脂酰胆碱（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE）等磷脂的去饱和酰基水平，以及拟南芥莲座丛中不饱和VLCFA的神经酰胺水平增加［14，17，32］。这些研究表明，不同脂质中脂肪酰链的去饱和是保护植物免受低氧胁迫伤害的一种途径。

表1 植物对缺氧反应中的脂质变化及其机制研究Table 1 Lipid changes in plants＇response to hypoxia and their mechanisms

淹水胁迫导致植物体内磷脂酰丝氨酸（PS）、磷脂酸（PA）、磷脂酰肌醇（PI）、氧化脂质和神经酰胺等脂质积累，但目前仅有神经酰胺的生物学作用被发现［14］。在模式植物拟南芥中，神经酰胺通过与结构性三重反应1（CTR1）相互作用，并抑制其激酶活性进而参与调节乙烯信号［14］。长链酰基-CoA作为植物细胞新陈代谢和信号转导的中心枢纽，可能作为信号分子参与调节AtERFVIIs与膜相关的AtACBP1和AtACBP2的结合［18，21］。Schmidt等［18］研究表明，淹水胁迫下，由于缺氧导致植物细胞ATP水平下降，长链酰基辅酶A合成酶（LACS）的活性降低，导致酰基辅酶A总量的组成发生变化。缺氧导致C18∶1-CoA与C16∶0-CoA比率增加，其有助于ACBP-RAP2.12复合物的解离，从而激活下游的缺氧信号级联反应［18］。由于多不饱和酰基辅酶A可以与其他脂质进行多种细胞交换，所以多不饱和酰基辅酶A的积累也可能改变磷脂、鞘脂和氧化脂质等特定脂质的组成［19］。

2.2 脂质分子对植物低氧应答的主要信号传导途径

2.2.1 长链酰基辅酶A对植物低氧信号链的调控

乙烯反应转录因子（ERF-VIIs）是植物缺氧感知和信号转导中的一个关键因子［17］。ERF-VIIs以半胱氨酸作为第二个N-末端氨基酸（Cys2），使ERF-VII蛋白成为N-degron途径的候选底物［20］。在维管植物中，氧气感应依赖于N-末端的半胱氨酸残基在ERF-VIIs中通过N-末端降解因子途径酶的识别［20］（图2）。淹水胁迫会导致受淹植物组织缺氧，从而影响能量的产生和脂肪酸的生物合成［3］。肖仕等［21］发现，低氧能显著诱导植物中多不饱和C18∶3-CoA等不饱和长链酰基辅酶A积累，C18∶3-CoA可以竞争性地和膜相关ACBP1结合，使得ACBP1-ERF-VII复合物解离，解离的ERF-VII因子在缺氧条件下较为稳定，可转移到细胞核中激活缺氧反应基因的表达。遗传分析表明，植物细胞内C18∶3-CoA含量的下降或酰基辅酶A总量（acyl-CoA pool）的降低，都与ERF-VII介导的低氧信号和植物低氧耐受性呈正相关［21］。该研究表明多不饱和C18∶3-CoA作为一个关键的脂质信号分子，通过介导ACBP-ERF-VII复合物的稳态，调控植物低氧信号转导，ERF-VII与ACBP1和ACBP2形成的蛋白质复合体，对维持氧气感应和信号转导非常重要，为探究脂质在植物缺氧信号级联中的作用机制奠定了基础［21］。

图2 不饱和长链和VLC酰基辅酶A在植物缺氧反应中的双重作用的工作模型［11，20］Fig.2 Working model of the dual role of unsaturated long chain and VLC acyl-CoA in the response of plants to hypoxia

2.2.2 不饱和神经酰胺和磷脂酸对植物低氧应答的调控

神经酰胺是鞘脂转化的中间产物和生物合成的骨架［22］。在拟南芥中，不饱和超长链神经酰胺通过调节乙烯信号通路的活性来增强耐缺氧的能力。饱和神经酰胺浓度过高会造成植物细胞缺氧损伤，加速细胞死亡［22］。神经酰胺处理可导致拟南芥乙烯反应因子基因AtHRE1和AtHRE2的上调［14］。此外，不饱和神经酰胺促进拟南芥乙烯不敏感基因2（AtEIN2）从内质网向核转移，从而激活了下游的乙烯反应［14］。这些研究发现揭示了不饱和脂质增强植物对缺氧等非生物胁迫耐受性的保护机制（图3）。

图3 不饱和超长链神经酰胺和磷脂酸通过调节乙烯信号保护植物免受缺氧损害［14］Fig.3 Unsaturated ultra-long-chain ceramide and phosphatidic acid protect plants from hypoxia by regulating ethylene signal

不同植物对淹水处理的响应中，磷脂酸PA的总水平和不同种类PA的水平均显著升高［14，23］，表明PA在植物缺氧信号中具有重要的作用。PA可在体外与乙烯信号途径负调控因子CTR1重组蛋白结合并在体内抑制其激酶的活性，PA可能是通过调节乙烯信号通路中的CTR1重组蛋白活性，进而参与调控乙烯信号转导及其所介导的植物低氧应答反应［14，21］（图3）。研究［14］发现，PACTR1的相互作用促进了AtEIN2的修饰与核易位，其活性在乙烯信号通路中由AtCTR1直接调控。这些研究表明淹水处理诱导的PA通过激活乙烯信号级联来帮助植物适应缺氧环境，但其具体机制仍需进一步探究。

PA还可能通过与丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）蛋白的互作在缺氧信号转导中发挥作用［24］。CTR1作为一种非常规的MAPKKK，阻断了MPK3和MPK6的激活，同时通过MPK磷酸化促进EIN3的降解［25］。AtPLDα1衍生的PA通过与AtMPK6相互作用并激活其活性，从而在植物响应盐胁迫过程中偶联MAPK级联中发挥着关键作用［24］。在拟南芥幼苗中，AtMPK3、AtMPK4和AtMPK6在缺氧和复氧过程中被迅速激活［26］。此外，OsMPK3与水稻幼苗中的ERF-VII转录因子OsSUB1A相互作用并磷酸化，表明了MPK3-SUB1A1在水稻幼苗应对淹水的反应中具有重要作用［27］。因此，MPKs在缺氧反应中的活性依赖于缺氧导致的PA积累。PA和低氧胁迫结合可能同时抑制CTR1和激活MPK3、MPK6（图2）。如果能明确缺氧诱导PA水平的增加和MPKs与缺氧信号有关，以及PA-CTR1和Cer-CTR1之间的相互作用，将深化我们对磷脂在植物缺氧反应中作用的理解。

2.2.3 氧化脂衍生物茉莉素对植物低氧危害恢复的调控

在大多数植物中，缺氧后复氧比缺氧胁迫本身会造成更严重的损伤［28］。缺氧后复氧过程中，植物细胞内活性氧的爆发是影响植物存活率的关键因素［29］。植物细胞在复氧过程中维持相对稳定的氧化环境，对植物降低缺氧危害，恢复正常生长具有重要的作用。在复氧过程中，活性氧的再活化代谢需要更高能量，吸氧量增加，线粒体活性提高，导致活性氧快速积累，从而造成氧化损伤，对植物的生存产生不利影响［29］。植物细胞通过激活多种激素信号途径来降低氧化损伤［30］。

茉莉酸是一种植物激素，在植物的生长和发育等多种生物过程中发挥着重要的作用［31］。脂质来源的茉莉酸酯是一种重要的信号分子，参与调控抗氧化合物的产生，以应对复氧胁迫［36］。拟南芥植株在淹水后复氧的过程中，JA和JA-Ile等内源性茉莉酸水平显著升高。复氧下茉莉酸类物质JAs大量积累，激活JA信号途径核心转录因子MYC2，以促进抗氧化物合成基因VTCs和GSHs的表达，使得抗坏血酸（AsA）和谷胱甘肽（GSH）迅速积累，从而快速修复复氧导致的氧化损伤，增强植物的低氧耐受性［36］（图4）。由于茉莉酸与其他激素信号通路之间存在着多种调控作用，因此植物缺氧后复氧反应的分子机制还需进一步研究。

图4 茉莉酸盐介导的复氧胁迫与氧化损伤应答［36］Fig.4 Jasmonate-mediated reoxygenation stress and oxidative damage response

3 脂质分子在苎麻低氧应答及育种应用研究中的展望

苎麻是荨麻科（Urticaces）苎麻属（Boehmeria）多年生韧皮纤维作物，俗称“中国草”，是一种多年生宿根性旱地草本纤维作物［37］。近年来极端天气频发，其中洪涝灾害是造成农业灾害的主要因素之一。苎麻植株在土壤含水量20%～24%的土壤环境生长最为合适［38］。土壤中水分过多会导致土壤渍水，明渍暗湿严重影响苎麻根系发育，极大地影响苎麻的生长［39］。苎麻等麻类作物无法耐受土壤涝渍造成的低氧胁迫，土壤涝渍会干扰苎麻的自然分布形态，对其生长产生毁灭性的影响，降低其产量甚至绝收［40-41］。

近年来，土壤涝渍所引起的低氧胁迫是目前苎麻生产上亟须解决的问题之一，研究发现渍水严重影响苎麻的经济性状和产量，随着渍水程度的加深，苎麻株高、茎粗、鲜皮重、原麻产量、有效株率等均不同程度地下降，且败蔸情况加剧，对苎麻的生产及其经济效益造成巨大影响［42-43］。前人基于苎麻三代基因组数据，开展转录组、蛋白组关联分析，研究了苎麻响应非生物胁迫的分子机制，发现乙醛脱氢酶（ALDHs）在苎麻分子缺氧和厌氧代谢中起重要作用，在苎麻基因组中鉴定到的24个ALDH基因分别为8个ALDH超家族，与其他家族的BnALDHs相比，属于家族10的BnALAD在水培苎麻根系中对低氧胁迫的响应最强［44-45］。但是目前针对淹水导致的苎麻低氧胁迫信号传导机制仍不明确，应答低氧信号传导的内在性调整机制研究还比较少。

因此，针对当前苎麻响应低氧环境下脂质组的变化及重要分子的作用机理相关研究的缺乏，对于重要脂质分子如何参与调控苎麻低氧信号链组分，包括受体蛋白活性和转移的作用机制及其调控网络等问题尚不清楚，围绕进一步探究苎麻低氧感知与信号转导机制，以及苎麻耐渍品种遗传改良的实际需要，苎麻育种研究可重点考虑如下方面：模拟低氧胁迫，研究脂质及脂信号调控苎麻低氧应答的分子机理，提出苎麻应答低氧时脂质的内在性调整机制；解析苎麻膜脂分子通过类泛素化N-末端蛋白降解机制，调控膜脂锚定的乙烯转录因子ERF-VII家族的稳定性，来实现对低氧胁迫的感知和信号传导；以脂质介导的低氧信号传导链为靶点，开展耐渍苎麻品种定向改良与新品种选育等。

4 结论和观点

缺氧胁迫是植物最重要的非生物胁迫之一，对农业和食品安全具有破坏性影响［46］。最近的研究揭示了脂质在缺氧感知和信号转导中的作用，脂质代谢和重构的转录调控有助于调节缺氧信号，提高植物在缺氧和复氧胁迫下的生存能力［47］。虽然脂质在缺氧感知和信号转导中的作用已被揭示，但脂质介导缺氧反应的初始分子机制及其调控网络仍不清楚。

此外，综合已有文献报道，发现在脂质分子介导的植物低氧胁迫应答过程中，长链酰基辅酶A等脂质分子在调节ACBP-ERF-VII复合物的稳定性以及缺氧时ERF-VII从质膜分离和转移到细胞核中具有重要作用。虽然在缺氧条件下发生的显著脂质变化与大量转录物、蛋白质和酶的丰度密切相关，但信号网络中介导缺氧反应性脂质分子连接的机制尚不清楚。迄今为止，大多数关于脂质信号在低氧反应中的分子机制的研究都是从模式植物拟南芥中获得的。然而，对低氧胁迫下不同植物物种间脂质分子的变化特征，及其对低氧信号的传导调控是否具有保守性，还需利用更为广泛的作物或野生物种开展研究，进而完善对这些机制的理解，并为耐渍作物遗传改良提供新的思路。