编译：菜鸟菠萝，编辑：十九、江舜尧。
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干旱胁迫通过改变代谢活性和生物学功能来限制植物的生长发育。然而，植物已经进化出几种细胞和分子机制来应对干旱胁迫。耐旱性是一种复杂性状，涉及信号机制的激活和差异表达的分子反应。一般说来，植物的耐旱性包括两个步骤：胁迫感知/信号传递和激活各种胁迫反应(包括生理、分子和生化机制)。在细胞水平上，干旱通过过量产生活性氧(ROS)诱导氧化应激，最终导致细胞膜破裂并刺激各种逆境信号通路(ROS、丝裂原活化蛋白激酶、钙和激素介导的信号)。干旱诱导激活转录因子和改变脱落酸浓度（ABA），以此共同协调棉花的逆境信号和响应。对抗干旱胁迫的关键是根系发育、气孔闭合、光合作用、激素产生和ROS清除。在这研究者介绍了棉花抗旱性的遗传基础、数量性状位点和基因，作为植物遗传资源的实例。通过功能基因组方法和基因组修饰技术(如CRISPR/CAS9系统)，可以从与胁迫相关的候选单核苷酸多态性、数量性状位点和基因中筛选出基因，从而实现可持续的遗传改良。通过综合的功能基因组方法来促进探索与逆境生理相关的优势候选基因的遗传基础。并提出了一种结合全基因组研究和功能基因组学的第三代测序方法，包括比较测序数据(转录组、蛋白质组学和表观基因组学)分析，这为鉴定和描述新基因提供了一个平台。这将为更好地理解植物复杂逆境性状的细胞生物学提供信息。
论文ID
原名：Insights intoDrought Stress Signaling in Plants and the Molecular Genetic Basis of Cotton Drought Tolerance
译名：植物干旱胁迫信号与棉花耐旱分子遗传基础的研究进展
期刊：Cells
IF：5.656
发表时间：2019年12月
通讯作者：杜雄明
通讯作者单位：中国农业科学院棉花研究所（ICR）棉花生物学国家重点实验室郑州大学农业科学学院
DOI号：10.3390/cells9010105
主要内容
1 引言
气候变化——特别是全球变暖，对农业生产造成了很大影响。主要是作物的耐旱性遗传多样性受到影响以及粮食安全受到威胁。其中主要威胁是非生物胁迫，其导致全球棉花产量下降73％。干旱是指长期缺水影响作物生长导致作物产量下降。耐旱性是一个复杂的性状，涉及与细胞信号传导途径相关的多个基因，这些基因改变了几种或更多的分子反应以及生理形态，其中包括丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）网络。同时在胁迫信号传导途径中，钙离子以及各种激素（如脱落酸（ABA），茉莉酸（JA）和乙烯）均受干旱胁迫影响而变化。而棉花已经开发出很多有关干旱胁迫的指标，例如光合作用，渗透调节，生理生化指标，相对含水量（RWC）。而这些生理形态和生化性状的改变在维持植物细胞和组织中的水平衡起着重要的作用。CRISPR/ Cas9系统的靶向基因组编辑已被用于修饰基因组以获得更稳定和可遗传的突变。同时在棉花中已发现了许多与干旱有关的QTL位点和热点区域。可以进行荟萃分析来确定干旱相关性状的常见QTL。异源四倍体和二倍体棉种的全基因组测序和重测序可提供相应生物信息学信息。同时也可参考模式植物的相关生物信息学信息，来进行基因定位，分离和克隆抗旱性基因。这篇综述着重于分析植物在适应干旱以及应对干旱胁迫影响时的细胞和分子信号网络。此外，本综述概述了棉花抗旱性的遗传基础，重点是棉花的QTL和候选非生物胁迫耐受性基因，这些基因可能会在未来的棉花育种中使用。
2 干旱胁迫下细胞和分子信号传递途径
植物进化出多种细胞和分子信号通路来激活和调节对生物和非生物胁迫的防御机制。其中包括丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路、钙离子信号通路、脱落酸（ABA）介导信号通路。耐旱性是涉及生理形态，分子和生化过程中多基因的复杂性状（图1）。但是，这些机制尚未在棉花中得到充分探索，可提高棉花耐旱性的潜力。①MAPK通路是植物建立的一种应对非生物和生物胁迫的重要工具。同时受到ABA及Ca2+信号诱导。ABA参与PYR / PYL（图1）并防止MAP3K18降解，从而确保下游激酶的稳定性和活性，从而触发应激信号通路。据报道，在ABA调控下MAPKKK17 /18-MKK3-MPK1 / MPK2 / MPK7 / MPK14与衰老和应激信号传导机制有关（图2）。在雷蒙氏棉和陆地棉中已经发现了几个与MAPK相关的基因，这些基因与MAPK途径错综复杂，并且参与了对各种环境胁迫的响应，包括冷，热和干旱（表1）。MAPK信号通路的进一步功能研究将提供其对激素应激反应和MAPK基因家族成员之间相互作用的生物学功能和作用的深入了解。②而钙（Ca2+）是信号转导途径中常见的第二信使，并控制棉花的许多生理过程。其中涉及Ca2+浓度变化的三个主要信号通路：（i）钙调蛋白（CaM）和与CaM相关的蛋白，（ii）钙调神经磷酸酶B类蛋白（CBLs）和（iii）钙依赖性蛋白激酶（CDPK）。其中一类与Ca2+信号传导途径相关的是CBL蛋白，它们与蛋白激酶（CIPK）家族成员相关。干旱，盐和ABA处理均可诱导GhCIPK6，其过表达可增强干旱胁迫的耐受性。因此，在非生物胁迫（尤其是干旱胁迫）期间通过CaMs，CDPK和CBL传递Ca2 +信号（图1）。③ABA是植物生长过程（防御，生理，生长和发育）中的关键信号调节剂。拟南芥中约有10％的信号转导基因受ABA调控。最近的研究表明，ABA介导的基因的表达在各种植物物种中显着增加，特别是在拟南芥和棉花中。ABA调节植物中MAPK基因的转录。在信号传导中的作用，包括植物中的气孔信号传导和抗氧化防御。
图1 干旱诱导的细胞和分子信号传导途径可增强植物的耐旱性。受到胁迫后，在脱落酸（ABA）的诱导下，形成了PRY / PRL，RCAR和PP2C的复合物，该复合物将PP2C与SnRK2分离并激活NnRK2蛋白（P）。与PP2C分离时，SnRK2会自动激活，激活的SnRK2会触发并调节分子和生理反应。同样，茉莉酸（JA）与茉莉酸-锌结构域（JAZ）结合成具有SCF和TF（MYC2）的复合物，并激活应激反应基因。活性氧（ROS）的过量生产会激活清除基因。钙离子与细胞分裂素活化蛋白激酶（MAPK）蛋白相互作用，激活转录因子和信号转导基因。最后，合成功能蛋白（FP）来应对干旱胁迫。
图2 植物在干旱胁迫受ABA诱导，依赖ABA的MAPK信号传导以及ABA，ROS和MAPK信号传导之间的相互作用。ABA调节棉花和拟南芥中的各种MAPKs。
3 转录因子在干旱胁迫信号通路中的作用
参与环境胁迫反应的许多基因的主要调控元件是转录因子。从信号接收到植物中与干旱胁迫相关的基因的表达，转录因子在信号通路中起着至关重要的作用。拟南芥中约有1500个TF与胁迫相关基因的表达有关。包括几种转录因子家族，如MYB，WRKY，ERF，NAC和bZIP，已被证明与增强植物抗旱性有关。在棉花和拟南芥中鉴定出与胁迫耐受性有关的TF（表1）。
Table 1 棉花中参与非生物胁迫信号传导的关键基因。
4 细胞和分子水平对植物干旱胁迫的响应
干旱胁迫会影响植物的生长，其中包括叶片和茎的干重，冠层和根系的生长，植物的高度等。同样也包括一些生理特性，例如气孔导度，蒸腾速率，光合速率和渗透压等。植物已经建立了许多形态生理适应性机制，例如渗透压调节，光合速率和气孔调节，以应对干旱胁迫（图3）。气孔调节在防止因蒸腾作用而导致的气孔水分流失中起着根本性的作用，当蒸腾速率提高时，气孔闭合作用会减少棉花的水分流失。水分缺乏影响渗透压平衡，渗透压的调节物包括无机离子，糖，糖醇，氨基酸，生物碱，胺和多胺等化合物。棉花GhAnn1蛋白基因的过表达增加了SOD，脯氨酸和可溶性糖在干旱中的作用和耐盐性。而ROS清除机制包括涉及非酶抗氧化剂和酶组分的两个途径。非酶类抗氧化剂包括α-生育酚，类黄酮，还原型谷胱甘肽（GSH），抗坏血酸（AA）。酶成分包括SOD，CAT，抗坏血酸过氧化物酶（APX），脱氢抗坏血酸还原酶（NADH），谷胱甘肽还原酶（GR），愈创木酚过氧化物酶（GPX）和单脱氢抗坏血酸还原酶（MDAR）.MDAR，APX，GR和NADH等（图 4）。ROS的产生触发了与Ca2 +通路和ABA信号传导相关的防御机制（图1和2）。考虑到ROS激活的防御机制，酶促清除和非酶促清除均可能在植物防御干旱胁迫中发挥重要作用。
图3 干旱胁迫影响和植物对干旱胁迫反应的总体途径。
图4 抗氧化剂机制通过植物中的两种途径清除细胞中的活性氧（ROS）。一个是酶促途径，另一个是非酶促途径。
5 棉花耐旱性的QTL和分子遗传基础
耐旱性是由许多基因控制的数量性状，每个基因的作用很小。这些基因是植物几种形态生理反应的遗传基础，代表了数百个基因的综合作用。在棉花中，遗传信息有限，抗旱的表型鉴定具有挑战性。棉花的第一个分子图谱是由陆地棉和Pima棉使用分子标记（RFLP）绘制的。随后在正常和胁迫条件下鉴定产量和质量性状相关的QTL。Jiang使用261个限制性片段长度多态性（RFLP）来绘制陆地棉和海岛棉F2种群中叶片形态相关的QTL，在6号染色体上有一个关键基因影响并控制水分胁迫下的蒸腾速率。通过陆地棉和毛棉杂交得到F2:3群体共鉴定67个与干旱相关QTL，分布于5、8、9和16号染色体上。通过重组自交系（RIL）群体，在室内PEG胁迫和室外条件评价干旱胁迫耐受性，共同鉴定了两个标记之间的间隔，这些标记与田间干旱胁迫下籽棉、皮棉有相关，与PEG胁迫下的苗重有相关。在323个陆地棉中通过GWAS分析鉴定出了15个耐旱的SSR标记和三个耐盐的SSR标记，并且没有重叠。在376份陆地棉中通过26,301个多态性SNP鉴定耐旱QTL。在550个RIL和MAGIC陆地棉群体中鉴定了470,000个SNP。另一个为319个陆地棉种通过棉花80K芯片鉴定55,060个SNP，并对9个干旱胁迫相关性状进行了表型分析。通过荟萃分析，在15个染色体上分析鉴定了23个耐旱QTL（表2），鉴定耐旱性的新候选基因。表2列出了300多个针对生理，形态和生化，干旱相关性状的QTL。这些QTL可用于通过MAS（标记辅助育种）筛选和开发耐干旱棉花。
Table 2 棉花抗旱性QTLs
6 基因组修饰方法在植物抗旱中的应用
Table 4 棉花中过表达的耐旱基因
7 新的功能功能基因组工具，用来确定植物抗旱性的新基因
海岛棉、陆地棉、雷蒙德氏棉的测序完成为识别描述棉花生物学的基因和基因组结构提供了基础。有助于MAS筛选，提高选择效率进而有助于分离特定基因。随着二代测序技术和计算机方法的发展，全基因组（2.5 Gb）SNP已在异源四倍体棉花中开发。整个基因组的很大一部分被拷贝数变异（CNV）而不是SNP覆盖。但是，CNV可用于识别复杂性状的表型变异，包括非生物胁迫耐受性，这些通常不被SNP覆盖。在棉花基因组中已经鉴定出989个基因的CNV改变，并且与翻译调控，植物细胞壁组织和株型有关。同时对棉花的干旱和非生物胁迫进行了转录组分析，差异表达基因（DEGs）的表达模式揭示了环境胁迫诱导的体细胞胚中与胁迫相关的基因。同时还存在表观遗传修饰，其中DNA甲基化最常见。对于棉花中的纤维发育和其他植物组织，已经观察到基于DNA甲基化的修饰的变化。MicroRNA是短的非编码RNA（miRNA），参与转录后基因的表达和翻译抑制或mRNA降解的调控。在棉花中，对miRNA编码基因的进化及其在胚珠和纤维发育中的作用进行了研究。这些研究可以阐明棉花miRNA在可变环境下如何与胁迫相关基因相互作用。
8 抗逆性功能基因组学
图5 从全基因组研究到功能验证，表征和鉴定植物中干旱胁迫响应基因的研究过程的流程示意图。（QTL，CNV，SNP，mRNA，小RNA，DAP，差异丰富的蛋白质和DEG（差异表达基因）。
结论
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