Trends in Plant Science| 植物对非生物胁迫的响应机制
Trends in Plant Science| 植物对非生物胁迫的响应机制
2024年5月，德国比勒费尔德大学的Karl-Josef Dietz等人在Trends in Plant Science发表了题为A general concept of quantitative abiotic stress sensing文章，综述了植物响应胁迫机制的最新研究进展，特别关注了活性氧(ROS)在胁迫响应中的作用。
该研究分析了例如拟南芥的多种模式植物在多种非生物胁迫下的生理性状，结合生化和分子生物学、基因表达分析、蛋白质互作以及氧化还原态测定，来解析植物响应胁迫的机制，以及活性氧(ROS)在信号传导和胁迫适应中的作用。
结果表明植物细胞依赖于特定的响应系统来检测早期的稳态偏差，包括pH值、离子浓度、温度、氧化还原状态等。这些响应系统能够识别特定的胁迫类型，并触发相应的信号传导途径。例如，植物中PCOs(scysteine oxidases)在低氧条件下通过氧化转录因子中的半胱氨酸残基来激活低氧响应。
图1.应激条件下传感器特性及活性氧积累
研究还发现，植物体内的ROS网络通过改变各个氧化还原活性分子的氧化还原速率来响应胁迫，该网络被称为通用的定量胁迫响应系统，能处理多因素胁迫，为植物提供了优化响应的可能性。植物通过这种机制能对不同程度胁迫做出响应，从而提高其对胁迫的适应性。
图2.植物的应激感受系统及ROS含量变化
试验结果强调了ROS(尤其是H2O2)在植物细胞信号传导中的关键作用。H2O2不仅作为信息分子参与植物感受胁迫，其累积量还与胁迫强度及氧化还原失衡密切相关。这一发现支持了该研究提出的感受模型，即特定胁迫响应系统与ROS介导的氧化还原偏差共同定义了植物对胁迫的响应强度。
图3.组合传感模型的示意图及试验数据
研究结果表明程度较弱的复合胁迫往往会引起协同效应。每种胁迫都可能使细胞的氧化状态加剧，从而增强感应胁迫的效应。这种氧化还原状态的变化可能会激活额外的RMS途径，与主要的响应系统产生协同作用，放大信号处理。
图4.植物非生物胁迫感应机制
该研究提出了一个将特定胁迫响应系统和ROS网络的定量变化结合起来的综合模型，以解释植物如何优化其对多种胁迫的响应机制，强调了植物响应机制在适应环境胁迫中的重要性，为培育抗逆性作物提供了新策略。