综述：植物砷胁迫韧性的整合多层调控网络

这篇综述系统阐述了植物应对砷（As）胁迫的多层调控网络，重点聚焦转录因子（TFs）、信号通路、转录后调控（PTReg）和翻译后修饰（PTMs）的协同作用。文章创新性地提出了一个整合性概念框架，揭示了这些调控层如何通过复杂的反馈和前馈环路，动态协调砷的吸收（如通过PHT1;1）、转运（如通过Lsi和NIPs）、解毒（如通过PCS和ABCC）及抗氧化防御等关键过程，从而增强植物的砷胁迫韧性，为培育耐砷作物提供了新的理论依据和分子靶点。

　　

2. 转录因子在砷胁迫适应中的调控机制

砷暴露会激活复杂的转录因子网络，这些因子调控着与砷吸收、转运、解毒和抗氧化防御相关的基因。例如，WRKY家族的AtWRKY6可通过抑制磷酸盐转运蛋白PHT1;1的表达来减少As(V)的吸收。MYB40则通过抑制PHT1;1并同时上调植物螯合素合成酶PCS1和液泡转运蛋白ABCC1/2来限制砷吸收并促进其液泡区隔化。在调控砷转运方面，OsARM1通过抑制硅转运蛋白OsLsi1、OsLsi2和OsLsi6的表达，限制砷向地上部的运输。CBFs（C-repeat结合因子）则在As(V)胁迫下被抑制，进而下调磷酸盐转运蛋白基因，减少砷的吸收。VOZ转录因子则被证明可通过韧皮部途径促进砷的外排。

3. 信号级联在砷胁迫缓解中的调控机制

植物通过一系列信号转导通路来适应砷胁迫。活性氧（ROS）和一氧化氮（NO）作为早期信号分子，触发丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和钙依赖蛋白激酶（CDPK）等信号级联的激活。这些激酶进而磷酸化下游的转录因子，如WRKY和NAC家族成员，从而重编程应激基因的表达。例如，OsMPK3和OsMPK6的激活可诱导抗氧化酶基因的表达，增强对砷的耐受性。钙离子（Ca²⁺）信号也扮演重要角色，如CPK23可磷酸化PHT1;1，导致其从质膜上解离，减少As(V)的吸收。

植物激素信号在整合砷胁迫响应中至关重要。茉莉酸（JA）通常在砷胁迫早期积累，并通过激活MYC2等转录因子来调控防御基因。水杨酸（SA）和油菜素内酯（BRs）可通过下调砷转运蛋白基因（如OsPTR7、OsLsi1）来限制砷的积累和转运。独脚金内酯（SLs）则通过维持营养平衡和激活解毒途径来增强耐受性。脱落酸（ABA）和生长素（AUX）的信号通路也发生复杂变化，其平衡对协调防御与生长至关重要。

4. 转录后调控在砷耐受性中的调控机制

转录后调控为植物应对砷胁迫提供了快速、灵活的调节层面。微小RNA（miRNAs）通过引导靶mRNA的降解或翻译抑制来精细调控基因表达。在砷胁迫下，多种miRNAs表达发生变化，例如miR395调控硫代谢，miR408靶向谷胱甘肽S-转移酶（GST）等抗氧化基因，从而影响 redox 平衡。一些miRNAs（如miR6254, miR6256）本身受到激素和应激响应顺式元件的转录调控。

选择性剪接则能从一个基因产生多个转录本异构体，增加蛋白质组的多样性。例如，OsPCS1和OsPCS2基因通过选择性剪接产生功能性和非功能性的植物螯合素合成酶异构体，直接影响砷的解毒能力。硫酸盐转运蛋白OsSultr1;1和OsSultr4;1也产生胁迫和组织特异性异构体，调控硫同化和谷胱甘肽的合成。

长链非编码RNA（lncRNAs）和小RNA（sRNAs）也参与调控。它们可作为小RNA的前体，或通过表观遗传修饰等方式影响邻近基因的表达，在砷胁迫响应中发挥重要作用。

5. 翻译后修饰在砷耐受性中的调控机制

翻译后修饰（PTMs）是快速调节蛋白质功能的关键机制。磷酸化是最常见的PTM之一，MAPK和CDPK等激酶通过磷酸化转录因子和转运蛋白，改变其活性、稳定性或亚细胞定位。例如，CPK23磷酸化PHT1;1的Ser514位点，导致其内化，减少砷吸收。

泛素化通过E3泛素连接酶（如OsHIR1, OsAIR1）标记靶蛋白，使其被26S蛋白酶体降解。OsHIR1可泛素化水通道蛋白OsTIP4;1，促进其降解，从而限制As(III)的吸收。在磷酸盐信号中，E3连接酶NLA和PHO2通过泛素化降解PHT1蛋白，维持磷酸盐稳态并避免过量砷吸收。

SUMO化修饰通过SUMO E3连接酶（如SIZ1）调节蛋白活性。研究发现SIZ1功能缺失反而会增强对As(III)的耐受性，这与谷胱甘肽（GSH）生物合成的增加有关。

这些PTMs与信号通路和转录调控形成紧密的交叉对话，共同构成一个动态、可逆的调控网络，确保胁迫响应的精确性和适时终止。

6. 提出的新概念框架：砷胁迫韧性的整合调控网络

本文提出了一个整合性概念框架，将转录因子、信号级联、转录后调控和翻译后修饰视为一个动态、反馈调节的网络。该框架将砷胁迫响应分为三个阶段：1）多层调控网络的启动：胁迫感知通过ROS、Ca²⁺等第二信使激活激酶级联和PTMs，同时启动PTReg；2）基因调控的放大：激活的转录因子重编程大量应激基因，信号通路和PTMs进一步放大和巩固转录输出，PTReg则增加调控的多样性；3）基因功能产物的微调：通过miRNAs、lncRNAs和PTMs等机制对响应强度和持续时间进行精细调整，确保反应的比例性和可逆性。该框架强调，砷胁迫韧性是这一网络整体运作涌现出的系统特性，而非单个机制简单相加的结果。

7. 结论与未来方向

对植物砷胁迫响应机制的理解已从单一组分的研究发展到对整合多层调控网络的认识。未来研究需要直接验证该框架中提出的各层级间的相互作用和反馈环路。具体方向包括：解析磷酸化与选择性剪接的交叉调控；揭示PTMs与激素信号之间的反馈环路；探讨miRNA如何作为稳定开关调控TF-信号枢纽；鉴定网络中的关键整合节点；开展田间条件及复合污染下的网络动态验证；以及探索表观转录组修饰（如m⁶A甲基化）在这一调控网络中的作用。这些努力将为作物砷耐受性的遗传改良和植物修复策略提供坚实的理论基础和新的分子工具。