植物冷胁迫响应ICE1-CBF-COR通路的计算模型构建与动态调控机制解析

本研究针对植物冷胁迫响应中ICE1-CBF-COR通路动态调控机制不清的问题，开发了整合Ca2+信号、激酶模块和昼夜节律的简化计算模型。该模型成功模拟了CBF3的瞬时脉冲表达与COR15A的稳态积累特征，揭示了ZAT12负反馈调控的振荡机制，为作物抗寒性改良提供了理论框架。

　　

植物如何应对低温胁迫一直是农业科学的核心问题。随着气候变化加剧，极端低温事件频发，作物减产风险显著增加。尽管已知ICE1-CBF-COR通路是植物冷响应的核心调控网络，但其动态调控机制仍存在两大谜团：为何上游基因CBF3呈现瞬时脉冲表达，而下游COR15A却能维持持续高表达？温度振荡如何通过钙信号(Ca²⁺)传导影响该通路的节律性？

针对这些问题，中国的研究团队在《Computational and Structural Biotechnology Reports》发表研究，通过构建包含13个微分方程的简化计算模型，整合了三种温度输入模式（急性冷激、矩形脉冲和正弦波动），首次实现了从钙信号震荡到COR基因表达的全程动态模拟。研究采用经典四阶龙格-库塔法进行数值求解，参数优化基于拟南芥、大麦和中国白菜的转录组数据，并通过ImageJ软件量化实验数据验证模型。

3.1 单室钙模型验证冷响应基因动态
通过单室钙模型模拟4℃冷激后，模型准确重现了ICE1蛋白的快速激活（2小时达峰）和MYB15的磷酸化降解（图2）。关键发现是CBF3 mRNA在4-6小时出现瞬态峰，而COR15A呈现单调上升，这与拟南芥、大麦等物种的实验数据高度吻合（图3），证实不同植物共享保守的冷响应模式。

3.2 双室钙模型揭示钙震荡效应
采用Goldbeter双室模型模拟胞质钙震荡时发现，当参数β_f/a>0.04时会出现多重钙峰（图S4）。这种震荡通过激活钙调蛋白(CaM)显著增强CBF3转录幅度，说明自然条件下的温度波动可能通过钙信号频率编码增强冷响应。

3.3 突变体模拟验证调控逻辑
将ice1突变体的ICE1合成速率(k_s1)设为野生型20%时，模型准确预测了CBF3表达抑制（图4A）；而MYB15磷酸化速率(v₁)降低至25%时，则重现了突变体中CBF3的过表达现象（图4B），证实MYB15是CBF3的关键抑制因子。

3.4 冷敏感机制的动态特征
在3小时周期的温度振荡中，CBF3呈现明显脱敏现象——第三次冷激的转录峰值较首次降低67%（图5A-C），而COR15A则累积至稳态。值得注意的是，经过14天冷驯化的植株需24小时回暖才能恢复冷敏感性（图7），揭示植物存在"冷记忆"的时间窗口。

3.5 抗寒持续期的参数控制
全局参数分析发现，COR15A的稳态维持时长（约10天）主要受六个参数控制（图9），包括其mRNA降解速率(v_d8)和ZAT12抑制阈值(K_I6)。这为分子育种提供了精准调控靶点。

3.6 振荡机制的多重起源
突破性发现是CBF3振荡不仅依赖ZAT12负反馈（图S6），低温本身在特定参数下也能诱发节律（图S9）。当温度输入转为24小时正弦波时，系统呈现完美同步振荡（图S11），说明自然昼夜温差可能是驱动COR基因昼夜节律的关键因素。

该研究通过计算生物学手段，首次系统阐释了冷响应通路中脉冲表达与稳态累积并存的动态机制。模型预测的10天抗寒持续期、ZAT12反馈强度与振荡周期的定量关系，为设计抗寒作物提供了新思路。特别是发现温度波动通过钙信号频率调控基因振荡的现象，为理解植物适应自然温度变化的分子机制开辟了新视角。研究建立的简化建模框架，还可拓展至其他环境胁迫响应的模拟研究。