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本文聚焦植物在多种胁迫下的应对机制。阐述了植物在自然环境中面临多种胁迫组合，其反应独特且复杂。探讨了系统信号传导、生理反应，以及基因叠加、抗氧化剂等工程手段提升植物抗逆性，对农业发展意义重大。
1. 植物面临的多重胁迫挑战
植物在整个生命周期中，会遭遇各种各样的胁迫，这些胁迫对其生长和产量产生负面影响。比如，气候变化、全球变暖以及工业污染，让土壤、植物和微生物生态系统面临的多重胁迫组合更加复杂、频繁和严重，同时还可能引发新的植物病虫害。
过去，很多研究关注植物对单一胁迫的反应，却较少聚焦多重胁迫的影响。然而，在自然环境中，多种胁迫往往同时出现。例如，干旱 - 病原体、高温 - 病原体的相互作用，对农业生产力影响重大。而且，植物对多重胁迫的反应不能简单从对单一胁迫的反应推断而来。就像实验模型植物拟南芥，它对高温和干旱组合的反应，与对单独施加这两种胁迫的反应截然不同。向日葵在高光强和高温组合下，以及小麦在高温和盐胁迫组合下，也呈现出类似现象。这表明植物对组合环境胁迫的反应是一种新的胁迫状态，有助于我们深入理解植物胁迫反应的生物学机制。
研究发现，植物对多重胁迫的反应具有特异性，会产生特定的蛋白质、转录本和代谢物。在不同的胁迫组合中，植物的反应差异很大。比如，在高温和干旱胁迫组合下，植物气孔的反应表明，干旱对气孔的控制占主导；而在高温和高光胁迫组合下，高温对气孔的调节则超过高光的调节。此外，植物的发育阶段、生物钟、光质、营养状况和时间等因素，都会影响植物对胁迫组合的最终反应。但目前，多种胁迫下植物激素之间的相互作用、信号转导途径以及相关调控机制，仍有待进一步研究。
2. 植物对抗多重胁迫的系统信号传导
植物有一种神奇的能力，能将特定器官或组织中少数细胞的信号传递到整个植株，这就是 “系统信号传导” 。局部的非生物或生物胁迫能启动这个过程，让整个植株产生防御或适应反应。
研究人员以拟南芥为对象，研究了同时对同一植株的两片叶子施加不同局部胁迫刺激时的系统信号整合情况。结果发现，高温和高光胁迫组合能引发系统反应，而且当这两种胁迫分别施加在两片不同叶子上时，引发的反应更强烈，能更有效地使植株对高温或高光胁迫产生系统适应。同时，在这个过程中还会产生更强的活性氧（ROS）波，并且转录组和气孔反应与预期的局部和系统反应相关。这说明不同区域受到的不同胁迫，会导致系统信号整合并传递到系统组织，从而产生对胁迫组合的系统反应。而且，当两种胁迫施加在同一叶子上时，植物激素水杨酸（SA）和茉莉酸（JA）会起到拮抗作用，抑制植物对胁迫组合的反应。对于农作物，尤其是像树木这样的大型植物，它们在多个器官和组织中同时遭受多种胁迫的情况很常见，这可能使系统组织为应对多因素胁迫组合做好准备。
在植物应对非生物胁迫的过程中，多种分子途径相互作用、相互影响。许多非生物胁迫反应都涉及活性氮物种（RNS）和 ROS，它们能影响酶的活性和基因的表达。细胞会通过表达更多与抗氧化活性相关的基因、激活抗氧化酶、产生胁迫蛋白以及合成相容性物质等方式来应对 ROS。此外，一些特定的解毒基因，如抗坏血酸过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶和谷胱甘肽过氧化物酶等，也能减轻非生物胁迫。植物的非生物胁迫反应还受到激素的调控，乙烯（ET）和脱落酸（ABA）在其中发挥着重要作用。ABA 是许多植物控制渗透胁迫的关键成分，它在植物的生长、萌发和防御机制中发挥着重要作用。而 ET 则参与植物对高温、低温、紫外线辐射、洪水、干旱以及臭氧等多种胁迫的反应。
3. 植物对多重胁迫的生理反应
在多重胁迫组合下，多种因素可能同时或相继对植物造成损害。例如，气候变化使得许多胁迫组合的频率和严重程度增加，而且这些胁迫常常发生在营养含量低、盐度高或酸碱度极端的土壤环境中。此外，空气、水和土壤中的污染物也在增加，这不仅直接影响植物，还会影响植物微生物群落，而微生物群落对植物的生长、萌发、繁殖和生存至关重要。
重金属（如铅、镉、铬）和类金属（如砷）对植物生理有显著影响，会影响叶绿素含量、光合作用、酶活性、蛋白质和氨基酸含量以及营养吸收等。过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）是植物适应环境胁迫的重要保护酶，它们之间的相互作用能维持植物体内自由基的产生和消除平衡，防止细胞受损。但重金属胁迫会显著改变这些酶的活性，还会加剧干旱对植物生长的影响。比如，干旱和某些重金属（镍、铜、钴、铬）会通过改变红枫的木质部结构和水力传导率，对其生长产生叠加抑制作用，而且在重金属胁迫和干旱与重金属共同胁迫下，红枫的叶绿素含量会降低，而单一干旱胁迫下叶绿素含量不受影响。
多种不同胁迫的组合会对植物产生累积影响，导致植物生长和产量大幅下降。不同的胁迫对植物生理和代谢的影响各不相同，生物和非生物胁迫都会严重限制植物的生长和生产，造成产量和生物多样性的损失。不过，不同胁迫之间可能存在协同或拮抗作用。当多种胁迫组合时，一些原有的相互作用可能会发生变化。例如，在高温胁迫下，原本高光和病原体之间的拮抗反应（高光使气孔关闭，抑制病原体进入）可能会变成协同反应。研究还发现，ROS 代谢对植物抵抗多种胁迫至关重要，而且植物对不同胁迫组合的转录组反应各不相同，无法从对单一胁迫的转录组反应预测。在高阶胁迫组合（包含三种或更多胁迫）下，会诱导许多独特的基因表达，而某些 “经典” 的胁迫反应和适应途径则会受到抑制。尤其值得关注的是，低水平胁迫之间的协同相互作用可能会对植物产生意想不到的影响。即使单个低水平胁迫对植物发育和生存影响不大，但随着胁迫数量和复杂性的增加，植物的发育和生存状况会逐渐恶化，当达到四种或更多胁迫时，这种恶化会加速。
4. 培育具有多重胁迫耐受性的重要农作物
4.1 基因聚合或叠加
近年来，人们开发了一些转基因农作物，通过上调或下调关键信号基因和转录因子（TFs）来抵抗或耐受单一非生物胁迫。虽然这些转基因作物在田间试验中对单一胁迫的耐受性有所提高，种子产量也有所增加，但它们在多重胁迫条件下的效果还需要进一步研究。
识别并转移能对多种非生物和生物胁迫提供广泛抗性的基因非常重要。许多 TFs 由参与不同胁迫反应的基因编码。比如，拟南芥中的 TF DREB2A 在干旱、盐和热胁迫下会被激活；在大麦中过表达 DREB/CBF 家族成员 CBF4，不仅能提高植物的耐寒性，还能增强其对干旱和盐度的耐受性；水稻的 OsABF1 和小麦的 WLIP19 等 bZIP 家族 TFs，似乎也能影响植物对多种非生物胁迫的反应。通过在具有农艺价值的植物中过表达这些 TFs 的转基因品系，有助于评估它们对作物保护的作用。
在田间条件下，过表达拟南芥 I 型液泡 H+- 焦磷酸酶（AVP1）基因的大麦、花生、甘蔗、棉花和水稻，对干旱和盐的耐受性更好；过表达热稳定版本的 RuBiSco 活化酶（RCA）基因，能提高拟南芥在温和温度胁迫下的生长速率和光合作用。在一项概念验证研究中，将来自沙漠植物 Larrea tridentata 的 RCA 和 AVP1 基因在拟南芥中进行叠加，结果发现，在受到热、盐和干旱三重胁迫时，RCA/AVP1 转基因品系比野生型植物产生更多种子。因此，在气候变化的时代，将这些关键基因叠加到农作物中，为提高作物产量提供了重要途径。
4.2 抗氧化剂、转录因子和激素
激素信号传导，尤其是涉及 SA、ABA 和 TFs 的信号传导，在植物抵御生物和非生物胁迫组合中发挥着重要作用。例如，MYB 转录因子由 Botrytis susceptible 1（BOS1）基因编码，它能使植物对细菌（Pseudomonas syringae）和真菌（Botrytis cinerea）感染产生抗性，同时提高植物对盐和干旱等非生物胁迫的耐受性。拟南芥激活因子 1（ATAF1）作为 NAC TF，通过控制 JA/ET 和 ABA 信号通路之间的相互作用，成为生物和非生物胁迫之间的信号枢纽。ATAF1 能控制气孔关闭，正向调控大麦对 Blumeria graminis f. sp. Hordei 的抗性。
热休克转录因子（HSFs）对植物抵御生物和非生物胁迫也有显著影响。比如，拟南芥中的 HSF4 在干旱、盐度胁迫和 B. cinerea 感染时会被激活。此外，还有许多其他重要的 TFs，如 AP2、bZIPs、NACs 和 WRKYs 等，在植物对生物和非生物胁迫组合的耐受性中发挥作用。
抗氧化系统在保护植物免受生物和非生物胁迫的联合影响方面也起着重要作用。当受到非生物胁迫，尤其是重金属胁迫，再加上生物挑战时，植物会强烈诱导抗氧化反应。例如，在辣椒中，暴露于高铜水平并同时感染 Verticillium 时，过氧化物酶活性升高有助于增强对真菌的抗性；在黄瓜中，过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶等抗氧化酶水平的增加，能保护其免受盐胁迫和 Pseudoperospora cubensis（导致霜霉病的真菌）的危害。通过基因工程将上述基因和有效的抗氧化系统导入植物，有可能提高植物对生物和非生物胁迫组合的抗性。此外，研究发现，微小 RNA（miRNAs）在作物植物对生物和非生物胁迫组合的反应中也发挥着作用。比如，at-miR164c 能同时调控拟南芥对 P. syringae 感染和干旱胁迫的反应，通过操纵不同的 miRNAs，有望培育出对生物和非生物胁迫都具有更强抗性的植物。
4.3 OMICS 技术
OMICS 技术为研究植物对多重胁迫的反应提供了有力手段。在 miRNA 组学中，利用 miRNA - mRNA 双链识别，多个 miRNA 可以协同靶向单个 mRNA，这是一种在多重胁迫下的序列特异性基因调控方法。例如，CBL 相互作用蛋白激酶（CIPK）和生长素反应因子（ARF）等 miRNA - 植物激素受体（miRNA - TF）能调节信号传递，而乙烯反应因子（ERF）和髓细胞白血病蛋白（MYB）则是下游效应器。
转录组学和蛋白质相互作用网络研究表明，在多重热和水胁迫下，具有较高蛋白质 - 蛋白质相互作用（PPI）的大量表达蛋白质参与了植物的交叉耐受性，这些蛋白质与氧化还原细胞状态、代谢改变和光合作用有关。通过高通量 RNA - seq 技术，可以加速对与多种胁迫（如盐和 / 或干旱）相关的候选基因表达谱的分析。OMICS 研究还有助于识别和关联多种蛋白质和代谢物水平的变化与植物耐盐性的增强。例如，在高 CO2条件下的转录组学和代谢组学研究发现，盐过度敏感（SOS）信号传导、芳香族氨基酸、单糖和二糖、柠檬酸循环的有机酸中间体以及类黄酮生物合成等方面的变化与这两种组学结果相关。
离子组学研究能帮助我们了解植物发育阶段、盐胁迫和矿质营养动态（包括离子稳态）之间的关系。在盐胁迫下，植物细胞会通过重新建立细胞内稳态、调节矿物质吸收、转运蛋白、膜蛋白和光合作用等生理生化过程来适应。综合转录组和基因组研究（如 Na+外排及其隔离、TF 调控、ROS 基因、渗透传感器基因上调等）、蛋白质组研究（伴侣蛋白上调、翻译后修饰可塑性增加、NAC 和 RuBisCO 相关研究等）和代谢组研究（渗透保护剂、相容性溶质合成增加等），可以为植物在盐胁迫或与其他胁迫（如干旱胁迫）组合时提供竞争优势。
此外，表型组学通过表型评估，在识别和筛选具有胁迫抗性的优良基因型方面发挥着关键作用。在干旱或热胁迫条件下，红外热成像技术可用于测定叶际温度和蒸腾速率，有助于及时检测胁迫，确定植物的胁迫耐受机制。光谱技术（如反射光谱和拉曼光谱）可用于测量光合作用速率，有助于预测高光胁迫下的生化活动。
虽然基因工程培育的耐胁迫植物取得了一些令人鼓舞的成果，但由于一些挑战和限制，转基因作物的推广、营销和审批进展缓慢。基因组编辑作为一种新兴技术，有望成为开发耐胁迫植物的有效替代方法，包括锌指核酸酶（ZFNs）、转录激活样效应物核酸酶（TALENs）和规律成簇间隔短回文重复序列 / CRISPR 相关蛋白（CRISPR/Cas）等技术。其中，CRISPR/Cas9 技术应用广泛，它具有高效、准确、操作简便等优点，可用于在多种作物中创建抗非生物胁迫的植物，还能对许多基因进行有效改造，提高植物对干旱、盐度、热、冷、离子毒性等多种胁迫的抗性，并优化植物对养分的利用。此外，基因组辅助育种（GAB）通过研究农作物的遗传结构，可加速植物育种进程，培育出高产、适应气候变化的作物品种，而且 GAB 产生的是非转基因产品，更容易被农民和消费者接受。
5. 结论与展望
在自然环境中，植物会受到各种非生物和生物胁迫的组合影响，这些胁迫之间的相互作用对植物生长的影响既有负面的，也有正面的。例如，干旱条件会对许多重要病害产生显著影响，因此，深入了解干旱胁迫与病原体之间的关系，对于开发抗多种主要病害的优良品种至关重要。
为了培育出具有多重胁迫耐受性的品种，需要揭示所有胁迫刺激共有的胁迫信号传导、相关基因和调控机制。目前，已经发现了一些主要的 TFs、激素和抗氧化剂，它们能调节植物对多因素胁迫的基因表达，有望成为提高植物交叉耐受性的基因组工具。此外，激素相互作用和胁迫之间的表观遗传途径的研究进展，也为增强作物抗性提供了新的靶点。未来，准确识别和表征主要遗传靶点，将是可靠、可持续地设计作物多重胁迫耐受性的关键。
植物对组合胁迫的反应依赖于早期和晚期的信号转导过程，包括 ROS、植物激素和其他信号分子。这些信号通路在 ROS 和其他植物激素的辅助下相互整合，通过对代谢组、蛋白质组和转录组的调节，协调植物对组合胁迫的反应，从而实现植物的适应、生长和生存。整合转录组学、表型组学、代谢组学和蛋白质组学，有助于全面了解组合胁迫下植物的变化，发现新的信号基因和 TFs，为培育多重胁迫耐受性植物提供支持。
野生植物品种具有丰富的遗传多样性，通过研究其遗传结构和利用基因组编辑（如 CRISPR）、顺式基因技术等，可以将有益的基因和性状引入不同的栽培品种中。此外，利用植物的自然变异，通过优化根系特征来提高植物的多重胁迫耐受性，也是一种有前景的方法。野生商业作物的近缘种对多种非生物胁迫具有抗性，是育种计划中宝贵的遗传资源，可用于提高商业栽培品种对组合胁迫的耐受性。
近年来，植物胁迫记忆和启动的研究取得了突破，为增强植物的交叉胁迫抗性提供了新方法。经过启动处理的作物，在受到初次胁迫后，会产生短期或长期记忆，从而对后续的胁迫挑战具有更强的抗性。
在自然环境中，多重非生物和生物胁迫组合会导致农作物产量大幅下降。为了培育出既能抵御气候变化又能保持抗病性的作物，科学家需要更深入地了解植物病原体与环境之间的反馈循环。开发 “气候 - 作物病害” 模型，有助于评估多因素环境胁迫对植物系统的影响。早期的模拟研究将病害预测模型与区域气候条件联系起来，未来可以进一步拓展这类研究，涵盖更多作物，以更好地理解气候变化背景下病害对作物产量损失的潜在影响。
总之，由于应对气候变化对农业产量影响的迫切需求，组合胁迫耐受性的研究正在迅速发展。要培育出在田间条件下表现良好的组合胁迫抗性作物，需要作物建模专家、育种家、农学家、生理学家、田间病理学家和分子生物学家等多学科的共同努力。
