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特约综述 | 丁杨林-植物感知和传递低温信号的分子机制

已有 1822 次阅读 2023-12-19 09:26 |个人分类:论文|系统分类:论文交流

特约综述 | 丁杨林-植物感知和传递低温信号的分子机制

张晓燕，杨淑华，丁杨林

DOI: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0615

在生长发育过程中，植物会遭遇多种非生物胁迫和生物胁迫。随着全球气候的改变，低温胁迫（cold stress）已经成为世界最为严重的灾害之一。低温影响植物生长发育以及地理分布，严重时会造成植物的死亡。然而，大多数温带植物都进化出适应低温的能力，在经过一段时间的非致死低温处理后展现出更强的抗冻害的能力，即冷驯化过程（cold acclimation, CA）。在这个过程中，大量冷响应基因（Cold-Regulated, COR）被诱导表达，合成保护性物质，例如渗透调节物质（糖和脯氨酸等）、膜稳定性调节酶、抗氧化酶等。

植物如何感知低温信号一直是低温研究领域的重要科学问题。近年来，植物低温潜在感受器陆续被报道，但其感知温度的具体机制并不清楚。当植物感知低温信号后，一些次级信号被快速激活，如胞质钙离子浓度升高，活性氧爆发等，这些次级信号迅速被植物接收并传递，激活下游冷响应基因表达。

近日，《生物技术通报》在线发表了中国农业大学杨淑华/丁杨林团队特邀综述《植物感知和传递低温信号的分子机制》。本文总结植物低温感知机制及低温早期信号的转导机制，并提出低温胁迫领域面临的挑战及亟需解决的重要科学问题。

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本文主要包括以下几部分内容：

1 植物感知低温胁迫信号的分子机制

1.1 离子通道蛋白感知低温信号的分子机制

1.2 光受体参与植物温度感知的分子机制

1.3 生物钟因子参与植物温度感知的分子机制

2 植物应答早期低温信号的分子机制

2.1 植物感知和解码低温诱导的钙信号

2.2 氧化还原调控在低温早期信号传递中的作用

2.3 蛋白翻译后修饰在植物早期信号应答中的作用

3 总结与展望

3.1 植物感知低温信号的机制

3.2 自然环境下植物感知和应答低温胁迫机制

本综述总结了植物感知和应答低温早期信号的分子机制。总体而言，低温信号转导得到了较为充分的研究，其复杂的调控网络逐渐被解析。这些研究拓展了低温信号网络的深入认识，同时也产生了新的科学问题。

3.1 植物感知低温信号的机制

虽然研究人员鉴定到低温潜在感受器，但是这些蛋白感知温度的具体机制仍不清晰。运用学科交叉可能是解决这一问题的有效手段。例如，通过结构生物学手段解析蛋白结构，从原子水平深入阐释低温感知机制。另外，低温是物理信号，通过物理学和计算科学模拟蛋白感知温度特征可能是另一种解析低温感知的有效方法。同时，如何有效的挖掘并鉴定潜在的低温感受器仍然是领域重要且艰巨的任务，而解决这个问题，我们需要建立有效的筛选体系。例如，为了排除植物体内复杂性，提高筛选效率和准确性，是否可通过动物细胞（温度不敏感细胞）快速筛选低温相关通道蛋白？

3.2 自然环境下植物感知和应答低温胁迫机制

随着全球人口数量的增加，粮食安全问题尤为凸显。然而，一些主要的粮食作物对低温极为敏感。目前关于低温信号的研究主要是在实验室环境下完成，构建的调控网络不一定匹配大田环境，这限制了培育在实际生产中抗低温作物的进度。因此，加强以作物自然环境为基础的低温信号研究至关重要。

作者简介

丁杨林，中国农业大学生物学院教授。2009年在安徽农业大学获得理学学士学位，2015年在中国农业大学获得理学博士学位。2015-2018年在中国农业大学园艺学院从事博士后研究。2018年入选中国农业大学“高层次人才”引进计划。研究方向主要为通过分子生物学、遗传学和生物化学等手段，研究植物感知和响应低温胁迫的分子机理，为农业生产提供优异的基因资源。近年来在Developmental Cell、EMBO Journal、Trends in Plant Science、Molecular Cell、Nature Communications、Plant Cell、New Phytologist等国际杂志上发表研究论文多篇。