综述：园艺作物低氧耐受的分子机制与适应性策略：超越模式系统

《Horticulture Advances》：Molecular mechanisms and adaptive strategies for hypoxia tolerance in horticultural crops: beyond model systems

本文系统综述了园艺作物应对淹水胁迫诱导低氧的核心分子机制与适应性策略。文章重点解析了乙烯响应因子VII（ERF-VIIs）通过N端降解途径介导的氧感知机制，以及活性氧（ROS）、活性氮（RNS）作为次级信使在信号整合中的关键作用。同时，文章深入探讨了低氧胁迫下植物通过代谢重编程（C-N代谢）、激素互作网络（ET、ABA、IAA等）以及表观遗传调控等多层次分子网络维持能量稳态的适应性策略，为通过分子育种和生物技术手段培育耐低氧园艺作物提供了理论依据。

　　

低氧感知：整合内外胁迫信号

植物对低氧的感知是一个复杂且多层面的过程，涉及精细的分子机制、组织特异性适应以及激素反应。其中，乙烯响应因子VII（ERF-VIIs）作为核心调控因子，在低氧感知中扮演着“主开关”的角色。在正常氧（Normoxia）条件下，ERF-VIIs通过N端降解途径（N-Degron pathway）被迅速降解。该途径涉及植物半胱氨酸氧化酶（PCOs）的氧化、精氨酰tRNA转移酶（ATE）的精氨酰化、E3连接酶PRT6的泛素化，最终通过26S蛋白酶体降解。然而，在低氧条件下，这一降解过程被抑制，导致ERF-VIIs在细胞核内稳定积累，进而激活一系列低氧响应基因（HRGs）的表达，如乙醇脱氢酶（ADH）和丙酮酸脱羧酶（PDC），从而启动植物的适应性反应。

除了ERF-VIIs，活性氧（ROS）和活性氮（RNS）也作为关键的次级信使参与低氧感知。低氧胁迫会破坏线粒体电子传递链，导致电子泄漏，从而引发ROS（如H₂O₂、O₂^-）和RNS（如NO）的爆发。这些分子信号不仅与激素信号（如乙烯和脱落酸ABA）相互作用，还通过S-亚硝基化等翻译后修饰调控蛋白质功能，整合环境信号与基因表达调控程序，共同协调植物的适应性反应。

此外，细胞质pH和Ca²⁺信号也参与了低氧感知。在低氧条件下，细胞质pH会从7.5降至6.0左右，这种酸化环境有利于厌氧代谢酶的活性，同时抑制有氧代谢途径。同时，低氧胁迫会引发胞质Ca²⁺浓度的快速升高，激活谷氨酸脱羧酶（GAD）等酶，启动γ-氨基丁酸（GABA）支路，并促进ADH和PDC等发酵途径关键酶的表达，从而维持细胞能量代谢。

抗氧化防御系统的激活

淹水引起的低氧胁迫会通过ROS和RNS的积累引发氧化应激，导致脂质过氧化、细胞失衡以及DNA、RNA和蛋白质的损伤。为了应对这些胁迫，园艺作物通过协调生理生化、代谢和转录反应来激活抗氧化防御系统。

植物通过激活酶促和非酶促抗氧化剂来缓解ROS/RNS的毒性。酶促抗氧化剂包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX），而非酶促抗氧化剂则包括还原型谷胱甘肽（GSH）、抗坏血酸（AsA）、褪黑素、脯氨酸等渗透调节物质。在低氧胁迫下，抗坏血酸-谷胱甘肽循环（AsA-GSH cycle）作为连接酶促和非酶促防御的关键环节，在维持氧化还原稳态中发挥着重要作用。

不同园艺作物对低氧的抗氧化响应存在物种特异性和时间动态性。例如，在柑橘砧木中，早期的低氧响应主要依赖于酶促抗氧化剂的活性增强；而在桃树中，酶促抗氧化活性的减弱则通过增加糖和GSH水平等非酶促机制来补偿。此外，多胺（PAs）和酚类物质也通过清除ROS和调控抗氧化基因的表达，在低氧胁迫响应中发挥保护作用。

碳氮代谢的重编程

在正常有氧条件下，植物主要通过有氧呼吸产生能量。然而，低氧胁迫会损害线粒体呼吸和氧化磷酸化，导致严重的能量亏缺。为了应对能量危机，植物启动了细胞质代谢重编程，将代谢流从三羧酸循环（TCA）转向发酵途径。

低氧胁迫会诱导发酵途径关键酶（如PDC、ADH和乳酸脱氢酶LDH）的表达，将丙酮酸转化为乙醇或乳酸，以维持NAD⁺的再生和糖酵解通量。然而，乳酸的过度积累会导致细胞质酸化，影响细胞活力。为了缓解丙酮酸的积累和乳酸的产生，植物会上调丙氨酸氨基转移酶（AAT）的表达，促进丙氨酸的合成，从而作为丙酮酸的“汇”，缓解细胞质酸化并维持能量代谢。同时，低氧胁迫还会诱导更广泛的氨基酸代谢重编程，包括谷氨酸的积累和GABA支路的激活，以支持胁迫响应途径。

在氮代谢方面，耐低氧基因型通常表现出谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合酶（GOGAT）活性的增强，以维持氨基酸的生物合成和胁迫恢复能力；而敏感基因型则更依赖于谷氨酸脱氢酶（GDH），这可能无法在胁迫下维持高效的氮平衡。此外，脯氨酸作为一种关键的渗透保护剂和ROS清除剂，在耐低氧品种中会显著积累。

在碳代谢方面，植物通过上调蔗糖合酶（SuSy）和抑制转化酶（Invertase）来优化糖的分配，以节约糖储备。同时，焦磷酸依赖的糖酵解同工酶和淀粉动员也被激活，以维持糖酵解通量。低氧胁迫还会影响韧皮部运输和库的优先性，耐低氧物种（如芒果和番石榴）会将碳水化合物重新分配给根系呼吸和茎部伸长，而敏感作物则往往表现出果实发育和成熟受损。

激素互作与信号网络

植物对低氧胁迫的适应受到复杂的激素信号网络的调控，这些网络协调植物的生长、胁迫适应和代谢重构。

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  乙烯（ET）：是低氧适应早期和必需的信号分子。在淹水条件下，气体扩散受限导致乙烯迅速积累。乙烯通过稳定ERF-VIIs，启动转录重编程，诱导厌氧代谢、ROS解毒、程序性细胞死亡和不定根形成等相关基因的表达。
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  脱落酸（ABA）：在低氧胁迫下，ABA在能量分配和代谢重编程中起着关键的调节作用。在耐低氧的桃品种中，ABA生物合成基因的上调导致ABA积累，增强了抗氧化活性，延缓了叶片衰老，并调节了气孔导度以减少水分损失。然而，在根系中，严重的低氧通常会导致ABA水平下降，这有利于不定根的形成。
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  生长素（IAA）：在根系可塑性和生长中起着基础性作用。低氧胁迫会诱导IAA的重新分布，促进不定根的发育。IAA与茉莉酸（JA）相互作用，清除ROS并调节胁迫响应基因，从而减少氧化损伤。
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  油菜素内酯（BRs）：通过调节ROS稳态和促进细胞壁扩张，在低氧适应中发挥关键作用。BR信号通过BRI1受体感知，激活下游组分，与ERF-VII和NAC转录因子相互作用，整合BR信号与低氧响应。
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  赤霉素（GAs）：在低氧胁迫下表现出环境依赖性的响应。低氧通常会抑制GA的生物合成和信号传导，有利于生长停滞和能量保存；但在某些物种中，淹水会刺激GA的合成，以支持茎部伸长和“逃避”反应。
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  茉莉酸（JA）：在低氧胁迫下，地上部组织中JA水平升高，而根系中JA积累减少。JA与乙烯相互作用可以激活衰老相关途径，而与IAA结合则调节不定根的生长。

这些植物激素构成了一个整合的调控网络，通过协同和拮抗作用，协调转录、转录后和代谢响应，确保植物在低氧胁迫下的生存。

低氧响应的分子机制解码

植物对低氧的形态生理响应涉及转录、转录后、翻译和翻译后水平的协调变化，这些变化受到复杂且整合的信号网络的调控。

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  表观遗传调控：低氧胁迫会影响DNA甲基化、组蛋白修饰（如H3K9ac和H3K27me3）和ATP依赖的染色质重塑，从而调控基因的可及性和转录活性。这些表观遗传修饰不仅激活了低氧响应基因，还有助于建立胁迫记忆，使植物能够对反复发生的胁迫事件做出更快速有效的响应。
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  转录与转录后调控：除了ERF-VIIs外，WRKY、MYB、NAC、bZIP和bHLH等多个转录因子家族也参与了低氧响应的调控。能量感应通路（如SnRK1/TOR信号）进一步将代谢状态与转录控制整合在一起。在转录后水平，选择性剪接、microRNA（miRNA）、长链非编码RNA（lncRNA）和RNA稳定性控制等机制调控了转录本水平和功能。
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  翻译与翻译后调控：低氧胁迫会抑制能量密集型过程，如全局翻译，以节约能量。然而，低氧响应基因的mRNA因其5'UTR结构或绕过上游开放阅读框（uORFs）的特性，能够被优先翻译。此外，NO介导的翻译后修饰（如S-亚硝基化）通过可逆地改变蛋白质功能，在低氧响应中提供了额外的调控层面。

耐低氧园艺作物的遗传与育种进展

通过遗传和育种创新开发耐低氧砧木，对于提高园艺作物的耐逆性、确保农业生产的可持续性至关重要。

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  传统杂交育种：通过选择具有优良碳水化合物储存、根系通气结构（如通气组织）和抗氧化能力的基因型，成功地将野生近缘种的有益性状引入栽培品种，培育出了一系列耐淹水的砧木。
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  嫁接技术：将敏感接穗嫁接到耐低氧砧木上，是提高作物耐淹水能力的有效方法。例如，将桃树嫁接到“Mariana 2624”砧木上，可以在淹水条件下维持水力传导并减少氧化损伤。
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  基因组编辑：CRISPR/Cas9等基因组编辑技术为精确修改胁迫耐受性相关基因提供了新的机遇。通过编辑参与乙烯调控或ROS清除的基因，可以改善砧木在淹水条件下的表现。
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  分子标记辅助选择：利用RNA-seq等技术鉴定候选基因（如AOX和RBOHC），并将其作为分子标记，用于耐低氧品种的标记辅助选择，加速了育种进程。

综上所述，通过整合遗传、育种和嫁接策略，并结合对低氧耐受分子机制的深入理解，可以有效提高园艺作物的耐低氧能力，为应对气候变化下的淹水胁迫提供保障。