植物脱水素响应逆境胁迫调控机制研究进展

摘要   脱水素（dehydrin，简称DHN）是一类广泛存在于植物体内响应逆境胁迫的亲水性蛋白，对逆境中农作物健康生长和果实积累至关重要。内蒙古地区瘠薄土壤中营养相对匮乏，盐碱化较为严重，植物经长期自然进化获得了分泌脱水素的功能，能够通过调控体内水分的蒸腾流失来稳定细胞质膜的结构，进而适应土壤干旱、高盐、高温等胁迫环境。因此，提高脱水素分泌量农作物品种的选育是实现可持续农业的重要途径。综述了脱水素蛋白的分子结构及其在不同逆境中的调控机制，以期为后续高产抗逆新品种农作物培育研究提供借鉴。

关键词  脱水素；亲水性蛋白；胁迫；调控机制

中图分类号  Q945.78  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）13-0001-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.13.001

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Progress on Regulation Mechanism of Plant Dehydrin in Response to Stresses

QIAO Mei-ling，JI Zhao-jun，YUAN Xiao-xia et al

（College of Life Sciences and Food Engineering，Inner Mongolia Minzu University，Tongliao，Inner Mongolia 028000）

Abstract  Dehydrin （DHN），a kind of hydrophilic proteins involved in the responses to various stresses，is essential for healthy growth and fruit accumulation of the crops.The barren soil in Inner Mongolia is nutritional deficiency relatively，and the salinization is more serious.Plants have acquired the function of secreting dehydrin for the long-term evolution and development，that could stabilize the structure of plasma membrane by regulating the water transpiration rate，to adapt to the soil stress environment such as drought，high salt and high temperature.Therefore，the breeding of crop varieties secreted more dehydrin was an important way to achieve sustainable agriculture.The molecular structure of dehydrin protein and the regulation mechanism in different stresses reviewed here would provide some references for the further researches on the cultivation of new crops with high yields and stress resistances.

Key words  Dehydrin;Hydrophilic protein;Stress;Regulatory mechanism

基金项目  国家自然科学基金项目（32170020）；内蒙古自治区科技计划项目（2021GG0005）；内蒙古自治区自然科学基金项目（2022QN03030）；内蒙古自治区蓖麻育种重点实验室开放基金项目（MDK2016034）；内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划资助项目（NJYT-19-A10）。

作者简介  乔美玲（1999—），女，内蒙古通辽人，硕士研究生，研究方向：生物固氮机制。*通信作者，教授，博士，硕士生导师，从事生物固氮研究。

收稿日期  2023-08-30

脱水素（dehydrin，DHN）是一种植物抵御逆境胁迫而分泌出的亲水性蛋白，属胚胎发育晚期丰富蛋白（late embryogenesis abundant protein，LEA） Ⅱ家族，由多个保守序列组成，类型多样，主要参与极端环境应答，具有复杂的组织调控系统，当植株遭受逆境胁迫时，脱水素会在体内产生并积累，提高植株对环境的适应性，因此也被称为响应脱落酸或水胁迫蛋白。逆境胁迫因素主要有干旱、高盐、强碱、高温等，严重制约了植物在生长发育过程中形态结构的形成、生理生化代谢物的积累，甚至会导致植物死亡。为了响应复杂多变的生长环境，植物经长期进化获得这一抵御机制，提高环境耐受性［1］。研究发现，在逆境中生长植株的细胞质、细胞核、液泡、叶绿体、线粒体中均检测到脱水素的积累，因此，深入研究脱水素的蛋白质结构及抗逆调控机制对强抗逆性植物的改良具有重要意义，也可为植物分子育种提供理论指导［2］。

1  脱水素的蛋白结构及在植物体内的生理功能

1.1  脱水素的蛋白结构

已有研究表明，植物中的脱水素蛋白结构主要呈松散无序状，由几十至几百个氨基酸组成，分子量范围介于9～200 kD，甘氨酸和赖氨酸含量较高，而半胱氨酸和色氨酸含量极低，保证脱水素在外界胁迫环境中仍然能够维持稳定的蛋白二级结构［3］。脱水素蛋白结构中含有3个高度保守序列，分别为K、Y和S，以及一个可变结构域Φ片段，其中K片段是所有脱水素的共有结构，位于脱水素蛋白一级结构的羧基端，由15个氨基酸残基组成（EKKGIMDKIKEKLPG），其中赖氨酸残基（K）含量最高，这些氨基酸残基形成的α-螺旋结构具有双亲性，可通过与疏水作用位点结合，嵌入细胞质膜或蛋白中发挥亲水效应，脱水素蛋白结构中通常含有1～11个拷贝的K片段，其中最保守的结构是Lys-Ile-Lys-Glu（KIKE）［4］。Y片段（T/V）（DEYGNP）是一类位于氨基端的保守序列，富含酪氨酸残基，常以重复拷贝的形式出现。S片段由多个丝氨酸残基串联而成，可被酪蛋白激酶2（casein kinase 2，CK2） 磷酸化，使脱水素蛋白在信号肽的引导下进入细胞核中发挥重要生理功能，当S片段缺失时，会影响脱水素在细胞核中的识别定位。S和Y是可变结构，根据三段保守序列的排列顺序和数量，脱水素被分为5个亚类（YnSKn、SKn、Kn、KnS和YnKn）和1个中间型（SnKS）。保守度相对较低的Φ片段上富含极性氨基酸残基。脱水素蛋白结构中极性带电氨基酸残基含量高，疏水氨基酸残基含量低，导致蛋白形成的二级结构呈特殊的松散无序状，稳定性较差，提高了植物在逆境胁迫环境中的生存能力［5］。

1.2  脱水素的生理功能

植物响应逆境胁迫产生的脱水素蛋白，主要有调节蛋白和功能蛋白两大类，其中功能蛋白可在逆境中作为生物因子稳定细胞中多种大分子物质，保护细胞膜正常生理功能，具有较高的研究价值。植物在生长发育不同时期响应不同程度的逆境胁迫，脱水素所发挥的生物功能也不尽相同，如蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）中属于YnKn亚类的脱水素MtCAS31在拟南芥中异源表达，可阻碍植物体内水分流失，显著提高了拟南芥的耐旱性［6］，干旱逆境下云杉（Picea glauca Mast）植物体内脱水素蛋白的表达量提高数倍［7］。还有许多植物，如小麦（Triticum aestivum）、紫针茅（Stipa purpurea）和油橄榄（Olea europaea）等，通过转基因手段将脱水素蛋白异源表达，提高拟南芥耐旱能力［8-10］。脱水素蛋白还可与其他蛋白相互作用来保护细胞质膜系统，其中K片段中的α-螺旋结构能够与其他蛋白通过疏水作用位点结合，避免细胞质膜上蛋白质的聚集或变性，Y片段与分子伴侣的同源性较高，可协助胞内蛋白质正确加工与折叠，保证蛋白质结构的完整性［11-12］。此外，脱水素还可通过螯合金属离子（如Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+）使植物抗氧化性提高，进而减少活性氧自由基破坏细胞膜，稳定细胞质膜的结构［13］。因此，脱水素作为植物抗逆的保护剂，可有效避免细胞结构遭到破坏。

2  脱水素响应逆境胁迫的调控机制

脱水素响应逆境胁迫的调控机制可参见逆境胁迫诱导拟南芥脱水素分泌模型（图1）。由图1可知，逆境胁迫诱导拟南芥脱水素分泌量极低（左）和分泌量较高（右）对植株生长发育的影响。干旱胁迫下脱水素较高的分泌量直接导致拟南芥细胞质膜系统（CWS）免受损伤，保障植株细胞内外能量与物质的正常交换；高盐胁迫（HS，红色圆点）下脱水素较高的分泌量能够提高拟南芥的吸水能力，保障植株水分含量，暂时性关闭细胞膜的盐离子通道，阻碍盐离子输入细胞；低温胁迫下脱水素较高的分泌量可显著增强拟南芥光合作用、呼吸作用和新陈代谢活动，保证植株正常生理功能。

2.1  脱水素响应干旱胁迫的调控机制

长期处于干旱胁迫下的植物将会直接影响光合作用，损伤能量和物质交换的细胞质膜系统，致使毒性物质在胞内积累，造成植物衰老或死亡（图1）［14］。植物产生脱水素能够激活体内的应答防御机制，达到减少水分散失的目的［15］。植物抗旱基因的高表达受转录因子、信号分子、辅助因子的多重调控，进而提高植物抗旱能力。Liu等［16］发现，小麦中抗旱转录因子TabHLH49蛋白可与启动子特异性结合，激活小麦脱水素基因WZY2的转录与表达。Lv等［17-18］发现，干旱处理狗牙根品种C299后，可获得脱水素基因DHNs，再通过农杆菌介导法使DHNs转入E.coli和拟南芥中进行异源表达，发现拟南芥抗逆功能得到显著提升。2021年，Meng等［19］发现，辣椒基因组上脱水素基因CaDHN3可与上游参与乙烯信号转导的基因相互作用，CaDHN3基因在拟南芥中过表达后，在参与激素信号转导基因的协助下，显著增加了拟南芥的耐旱性，证明转导信号能够协助脱水素基因发挥抗逆功能。

2.2  脱水素响应高盐胁迫的调控机制

植物生长环境中盐离子浓度过高并突破某个阈值，将会导致植物体内水势改变，进而通过渗透压或离子毒性作用对根系水分吸收功能和植物细胞正常生长发育产生一定的抑制作用，即为高盐胁迫。脱水素作为一种渗透调节蛋白，可有效调节农作物在高盐胁迫时的生长发育和新陈代谢（图1），增加农作物产量，解决低产问题。2016年Qin等［20］发现，在高盐浓度下小麦中YnSKn型脱水素基因TaDHN1、TaDHN2和TaDHN3的表达量显著上调，植株生长情况明显优于对照组，2019年Luo等［21-22］研究发现，高盐浓度下，拟南芥种子中过表达辣椒YSK2型脱水素基因CaDHN4和CaDHN5后，发芽率显著提高；2020年Kirungu等［23］报道，敲除存在于棉花中脱水素基因GhDHN_03和GhDHN_04，植株对盐胁迫的耐受能力显著降低。因此，脱水素基因表达上调可增强植株对盐胁迫的耐受能力，还可提高作物在高盐胁迫下的生长优势和发芽率。