综述：作物非生物胁迫耐受性的整合多组学方法

《Discover Plants》：Integrative multi-omics approaches for crop abiotic stress tolerance

本综述系统阐述了整合基因组学、表观基因组学和代谢组学等多组学策略，结合CRISPR基因组编辑和高通量表型分析，在解析作物非生物胁迫（如干旱、盐碱、极端温度）响应机制中的前沿进展。文章重点探讨了胁迫应答关键转录因子（如DREB、NAC、WRKY）、ABA依赖/非依赖信号通路、表观遗传调控（DNA甲基化、组蛋白修饰）及代谢物（如脯氨酸、棉子糖）在作物抗逆性形成中的核心作用，为精准设计育种和培育气候韧性作物提供了强有力的理论框架与技术路径。

　　

引言

气候变化对全球农业构成重大挑战，非生物胁迫的日益频发严重威胁作物产量和品质。作为固着生物，植物演化出了复杂的生理、生化及分子机制以应对恶劣环境。近年来，多组学技术的蓬勃发展，特别是基因组学、表观基因组学和代谢组学的整合应用，极大地深化了我们对植物胁迫生物学的理解，为作物遗传改良提供了新机遇。

植物应答非生物胁迫的遗传基础

非生物胁迫条件影响众多功能各异的植物基因表达。这些胁迫诱导基因在胁迫响应中扮演双重角色：一方面通过产生关键代谢蛋白直接参与细胞防御，另一方面调控胁迫信号传递过程中的基因表达。利用微阵列和RNA-seq等技术，研究人员已成功鉴定了大量由不同非生物胁迫激活的基因。

这些基因产物按其功能可分为两大类。第一类为可能直接参与胁迫耐受的蛋白质，包括分子伴侣、LEA（晚期胚胎发生丰富）蛋白、渗透蛋白、抗冻蛋白、负责产生渗透调节物（如脯氨酸、棉子糖）的酶、水通道蛋白、糖和脯氨酸转运蛋白、清除活性氧（ROS）的解毒酶、脂肪酸代谢酶以及蛋白酶抑制剂等。第二类则包括控制信号转导和基因表达的蛋白因子，如转录因子（TF）。这些胁迫响应转录因子属于不同的家族，如DREB（脱水响应元件结合蛋白）、ERF（乙烯响应元件结合因子）、锌指、WRKY、MYB、bHLH（碱性螺旋-环-螺旋）、bZIP（碱性结构域亮氨酸拉链）、NAC和同源域蛋白等。它们协同作用，调控多种胁迫响应基因的表达，形成复杂的转录调控网络。

植物应答非生物胁迫的表观遗传基础

表观遗传调控是植物适应胁迫的关键机制，涉及DNA甲基化、组蛋白修饰和RNA介导的途径等可遗传的基因表达变化。这些动态可逆的修饰使植物能够微调其对波动环境条件的响应。DNA甲基化在胁迫下的变化可以是瞬态的，也可以是可遗传的。例如，干旱胁迫可诱导拟南芥胁迫响应基因启动子区的暂时性去甲基化。而水稻在盐胁迫下则观察到可跨代遗传的稳定甲基化变化，这为胁迫记忆提供了分子基础。组蛋白修饰（如H3K9ac、H3K4me3）通过改变染色质结构，精确调控胁迫响应基因的转录活性。此外，小RNA（如miRNA、siRNA）通过RNA干扰（RNAi）在转录后水平调控基因表达，也深度参与了植物的胁迫适应过程。

胁迫感知与信号转导

植物通过多种传感器感知环境胁迫信号。OSCA1蛋白作为渗透压传感器，通过介导钙离子内流来启动干旱和盐胁迫信号。机械传感器（如MCA1）响应水分亏缺或低温下的细胞壁张力等机械刺激。HPCA1则被鉴定为H₂O₂的质膜受体，直接将ROS积累与Ca²⁺信号和氣孔调控联系起来。

胁迫感知后，细胞内信号网络迅速激活。ABA是介导渗透胁迫信号的核心植物激素。ABA通过PYR/PYL/RCAR受体被感知，进而抑制PP2C（蛋白磷酸酶2C）的活性，从而激活SnRK2（SNF1相关蛋白激酶2）。活化的SnRK2磷酸化并激活AREB/ABF等bZIP类转录因子，进而启动ABA依赖的胁迫响应基因表达。此外，还存在一条不依赖ABA的途径，由DREB/CBF转录因子主导，它们结合DRE/CRT顺式作用元件，激活冷、旱胁迫相关基因。

根系感知水分短缺后，通过维管束将水力胁迫信号传递至叶片。CLE25多肽在根中响应干旱胁迫合成，并通过木质部运输至叶片，刺激叶片中NCED3的表达和ABA的积累，进而调控氣孔关闭。这种器官间的长距离通信确保了植物的整体胁迫适应。

胁迫响应和耐受性中的基因重编程

在热胁迫响应中，DREB2A起着关键作用。其蛋白稳定性受到E3泛素连接酶（如DRIP1/2）和BPMs（BTB/POZ和MATH结构域蛋白）的精密调控。在冷胁迫响应中，DREB1/CBF转录因子是核心调控者，其表达受CAMTA和生物钟相关MYB-like转录因子（如CCA1, LHY, RVE）的调控。

代谢组学分析揭示了胁迫耐受性的生化基础。在脱水条件下，ABA的积累调控多种氨基酸和糖（如葡萄糖、果糖）的积累。支链氨基酸、蔗糖胺、脯氨酸和鲱精胺的积累与其关键生物合成基因（如AtBCAT2, AtLKR/SDH, AtP5CS1, AtADC2）的表达上调相关。而棉子糖家族寡糖（RFOs）的生物合成则受ABA非依赖途径调控，过表达AtGolS2能显著增强植物的干旱胁迫耐受性。

胁迫响应和耐受性的表型组学

高通量表型（HTP）技术利用非侵入性传感器，实现了在可控环境胁迫下对植物生长、生物量、光合效率等性状的大规模、自动化定量分析。这些平台结合先进的数据分析方法和人工智能，能够快速筛选具有优良胁迫耐受性的基因型，极大地加速了育种进程。将表型组学与多组学数据整合，可以更全面地解析基因型-环境互作，为作物改良提供强大工具。

分子育种与CRISPR-Cas9的应用

基于对胁迫响应分子机制的理解，许多有益基因（如DREBs、AREBs、NCED3、LEA蛋白基因等）已被用于作物遗传改良。CRISPR-Cas9基因组编辑技术能够对胁迫响应基因进行精准编辑，为快速培育抗逆作物品种提供了革命性手段。例如，通过编辑水稻的OsDST、番茄的GID1a等基因，已成功提高了作物的干旱或盐胁迫耐受性。

结论与展望

整合基因组学与代谢组学等多组学策略，为全面理解并增强植物胁迫响应和耐受性提供了前所未有的机遇。未来研究需要解决大规模组学数据整合的挑战，阐明跨代表观遗传记忆的机制，验证代谢物生物标志物在不同作物中的普适性，并开发计算模型以预测植物对复合胁迫的响应。通过结合表型组学、单细胞组学和精准育种技术，我们将能够更有效地发掘关键调控节点，最终设计并培育出能够应对未来气候挑战的高产、稳产作物品种，保障全球粮食安全。