MdPIP1;2的过表达会影响植物对低温胁迫的耐受性

《Plant Physiology and Biochemistry》：Overexpression of MdPIP1;2 affects plant low temperature stress tolerance

低温胁迫下苹果水通道蛋白MdPIP1;2的调控机制及功能研究。通过构建过表达MdPIP1;2的拟南芥和苹果悬浮培养体系，发现其显著促进种子发芽和幼苗伸长，并增强低温耐受性。GUS报告基因和酵母单杂交实验表明MdCBF-l1直接结合MdPIP1;2启动子并调控其表达。RNA测序揭示MdPIP1;2通过抗氧化防御和冷响应相关基因调控网络提升抗寒能力。

　　植物在面对非生物胁迫时，如低温、干旱、盐害等，会通过一系列复杂的生理和分子机制来适应和抵抗这些不利环境。其中，水通道蛋白（Aquaporins, AQPs）作为植物细胞膜上高度特异性的水转运通道，在维持细胞水分平衡和增强植物抗逆性方面发挥着重要作用。AQPs属于主要内在蛋白（Major Intrinsic Proteins, MIPs）家族，其功能不仅限于水的运输，还可能参与溶质的跨膜流动以及植物激素信号传导。这一特性使得AQPs成为植物应对环境胁迫的重要工具。

在植物中，AQPs被分为多个亚家族，其中最显著的是质膜内在蛋白（Plasma Membrane Intrinsic Proteins, PIPs）。PIP亚家族在植物细胞膜中广泛存在，主要负责水的快速转运，对植物的生长发育和环境适应具有关键影响。在拟南芥（*Arabidopsis thaliana*）基因组中，共有35个AQPs基因，其中13个编码PIP蛋白。这些PIP蛋白在植物的冷胁迫和干旱胁迫响应中表现出显著的表达变化，说明它们在调节植物对环境胁迫的反应中具有重要作用。此外，其他植物如香蕉、苹果、竹子、高粱和红树等，其PIP基因也被发现与抗逆性相关，尤其是在冷、干旱和盐害条件下。这表明，PIP蛋白的表达调控在植物适应不同非生物胁迫中具有普遍意义。

苹果（*Malus domestica*）作为重要的经济作物，其生长和产量常受到低温胁迫的影响。特别是在春季，低温可能对苹果树造成严重的伤害，影响开花、结果以及枝条的健康。为了应对这种环境挑战，苹果植物需要通过有效的机制来调节其对低温的反应。已有研究表明，苹果中存在多个与冷胁迫响应相关的基因，其中一些与AQPs有关。例如，苹果的* MdPIP1;3*基因在干旱条件下被诱导表达，能够提高转基因番茄的抗旱能力。此外，* MdPIP1;2*和* MdPIP2;5*在盐害和干旱胁迫下也表现出一定的响应性，而* MpPIP2;1*则通过硅的调控作用来缓解干旱胁迫。这些研究为理解苹果如何通过AQPs调控机制应对非生物胁迫提供了重要线索。

然而，关于苹果中PIP家族基因在冷胁迫中的具体作用仍缺乏深入研究。尽管一些与* MdPIP1;1*同源的基因在香蕉和* M. zumi*中被发现对盐害和低温胁迫具有响应性，但这些研究尚未明确揭示其在苹果中的功能。因此，本研究聚焦于* MdPIP1;2*基因，探讨其在冷胁迫响应中的作用及其调控机制。通过构建转基因拟南芥和苹果愈伤组织，我们发现* MdPIP1;2*的过表达显著增强了植物对低温胁迫的耐受性。这不仅表现在种子萌发和子叶伸长的改善，还体现在转基因苹果愈伤组织的生长促进上。这些结果表明，* MdPIP1;2*在植物的冷胁迫响应中具有积极作用。

为了进一步解析* MdPIP1;2*的调控机制，我们对* MdPIP1;2*的启动子序列进行了克隆和分析。启动子区域包含了多种调控元件，如激素响应元件、光响应元件和非生物胁迫响应元件。这些元件可能共同作用，调控* MdPIP1;2*在不同环境条件下的表达。此外，通过酵母单杂交实验，我们发现* MdCBF-l1*这一转录因子能够直接结合到* MdPIP1;2*的启动子区域，并促进其表达。这表明，* MdCBF-l1*在低温条件下可能通过调控* MdPIP1;2*的表达来增强植物的冷胁迫耐受性。* C-repeat binding factors (CBFs)*是一类重要的转录因子，它们在植物冷胁迫响应中起着核心作用，通过激活下游冷响应基因的表达来提高植物的抗寒能力。在拟南芥中，* AtCBF1–4*被鉴定为参与冷胁迫响应的关键因子，而在苹果中，* MdCBF1–5*也显示出类似的调控功能。* MdCBF1*（本研究中称为* MdCBF-l1*）的过表达已被证明能够提高转基因拟南芥和苹果愈伤组织的抗寒能力，并伴随冷响应基因表达的上调。因此，* MdCBF-l1*可能通过调控* MdPIP1;2*的表达，参与到苹果植物的冷胁迫响应中。

研究还发现，低温处理能够显著诱导* MdPIP1;2*的表达，说明该基因在植物低温适应过程中具有重要作用。通过构建转基因植株并进行生理生化分析，我们进一步验证了* MdPIP1;2*在冷胁迫下的功能。转基因拟南芥在低温条件下表现出更强的种子萌发能力和子叶伸长能力，而转基因苹果愈伤组织的生长速度也明显加快。这些现象表明，* MdPIP1;2*的表达可能通过促进细胞内的水分流动，帮助植物在低温条件下维持细胞的水分平衡，从而增强其对冷胁迫的耐受性。此外，转录组分析结果也支持这一观点，显示* MdPIP1;2*能够调控与抗氧化防御和冷响应相关的基因表达，这可能有助于植物在低温条件下减少氧化损伤，提高生存能力。

在植物抗逆性研究中，了解基因的表达调控机制对于培育抗逆作物具有重要意义。* MdPIP1;2*和* MdCBF-l1*之间的调控关系为植物抗寒性的分子机制提供了新的视角。* MdCBF-l1*作为冷胁迫响应的关键调控因子，能够直接结合到* MdPIP1;2*的启动子区域，从而增强其表达。这种转录调控机制可能与其他冷响应基因形成复杂的调控网络，共同作用以提高植物的抗寒能力。此外，* MdPIP1;2*的启动子区域中包含多种调控元件，这些元件可能与其他环境因子（如光、激素）相互作用，形成多层次的调控体系，使植物能够在不同环境条件下灵活调整其生理状态。

植物的抗逆性研究不仅有助于理解植物如何适应极端环境，也为农业生产和作物改良提供了理论依据和技术支持。通过揭示* MdPIP1;2*在冷胁迫响应中的功能及其调控机制，我们为提高苹果等作物的抗寒能力提供了新的思路。未来的研究可以进一步探讨* MdPIP1;2*与其他抗逆基因之间的相互作用，以及其在不同植物组织中的表达差异。此外，还可以通过基因编辑技术，如CRISPR-Cas9，对* MdPIP1;2*进行功能验证，以确定其在冷胁迫下的具体作用机制。这些研究将有助于开发新的分子育种策略，提高作物在低温条件下的生长能力和产量。

本研究的结果表明，* MdPIP1;2*在植物冷胁迫响应中具有重要作用，并且其表达受到* MdCBF-l1*的正向调控。这一发现不仅丰富了我们对植物抗逆性调控网络的认识，也为进一步研究植物如何通过AQPs调控机制适应低温环境提供了基础。通过构建转基因植株并进行系统的生理和分子分析，我们能够更全面地理解* MdPIP1;2*在冷胁迫下的功能及其调控机制。未来的工作可以结合更多的环境胁迫条件，如干旱、盐害等，进一步探讨* MdPIP1;2*在多种非生物胁迫下的协同作用，以及其在不同植物物种中的保守性和多样性。这将有助于揭示植物抗逆性的普遍规律，并为作物改良提供更加精准的分子靶点。

总之，植物在面对非生物胁迫时，需要通过复杂的分子机制来维持其生理功能和生存能力。AQPs，尤其是PIP亚家族，作为水转运的关键蛋白，在这一过程中发挥着重要作用。* MdPIP1;2*的过表达能够显著提高植物的冷胁迫耐受性，而其表达受到* MdCBF-l1*的调控。这一调控关系为植物抗寒性的研究提供了新的方向，并为提高作物抗逆性提供了理论支持和技术基础。通过深入研究* MdPIP1;2*的调控机制及其与其他抗逆基因的相互作用，我们可以更好地理解植物如何适应极端环境，并为农业可持续发展提供科学依据。