热胁迫下匍匐翦股颖叶片蛋白质降解途径的协同调控机制及其耐热性研究

本研究针对气候变化下冷季型草坪草耐热性不足的产业难题，首次系统解析了匍匐翦股颖(Agrostis stolonifera)响应热胁迫时蛋白酶(proteases)与泛素-蛋白酶体系统(UPS)的协同作用机制。通过对比耐热型(S11 729-10)和敏感型(Crenshaw)品系，发现耐热品系通过抑制蛋白酶和UPS活性维持更高蛋白质含量，揭示了蛋白质稳态调控是耐热性的关键靶点，为草坪草抗逆育种提供了新策略。

　　

随着全球气候变暖加剧，高温胁迫已成为威胁冷季型草坪草生存的主要环境压力。作为高尔夫球场等高档草坪的首选草种，匍匐翦股颖(Agrostis stolonifera L.)因其优异的低修剪耐受性和恢复能力备受青睐，但其耐热性不足导致近年来在美国东南部球场种植面积锐减35%。高温会引发植物细胞内蛋白质错误折叠和氧化损伤，这些异常蛋白质若不能及时清除将形成毒性聚集体，而过度降解又会导致功能蛋白耗竭——这种两难困境正是制约冷季型草坪草适应气候变化的关键科学问题。尽管已知蛋白酶(proteases)和泛素-蛋白酶体系统(Ubiquitin-Proteasome System, UPS)共同调控蛋白质降解，但二者在禾本科植物耐热性中的作用机制仍属空白。

为破解这一难题，佐治亚大学的研究团队在《Plant Science》发表了创新性研究成果。该研究选取5个耐热性差异的匍匐翦股颖品系（耐热型S11 729-10、BTC032，敏感型S11 675-02、Crenshaw，中间型AU Victory），通过35天的温度处理（对照组20/15°C，热胁迫组38/33°C昼夜温度），结合生理指标测定、蛋白酶/UPS活性定量及关键基因表达分析，系统揭示了蛋白质降解途径在热胁迫响应中的调控规律。

研究采用多维度技术方法：通过Fv/Fm（光化学效率）和电解质泄漏率(EL)评估细胞损伤程度；Bradford法测定总蛋白含量；以酪氨酸释放量表征蛋白酶活性；用荧光底物Suc-LLVY-AMC检测UPS活性；qRT-PCR分析半胱氨酸蛋白酶、丝氨酸蛋白酶和E3连接酶基因表达动态。

生理响应
热胁迫导致所有品系的草坪质量(TQ)、绿度覆盖率和Fv/Fm显著下降，但耐热品系S11 729-10始终维持最优表现，35天时其TQ比敏感品系高32%。值得注意的是，该品系同时保持最低的电解质泄漏率(EL)和最高的蛋白质含量，暗示其具有更强的细胞膜稳定性和蛋白质稳态维持能力。

蛋白质降解途径激活
研究发现热胁迫显著增强两种蛋白降解途径活性：蛋白酶活性在35天时达到峰值，敏感品系Crenshaw的活性比耐热品系高41%；UPS活性同样呈现时间依赖性增长，但S11 729-10的活性增幅最小。这种差异表明耐热品系能更精准调控蛋白质降解速率，避免过度分解造成的营养浪费。

基因表达动态
基因表达呈现品系特异性模式：在胁迫中期(14天)，敏感品系AU Victory和S11 675-02的半胱氨酸蛋白酶基因显著上调，而耐热品系S11 729-10则在后期(35天)维持更高的丝氨酸蛋白酶和E3连接酶表达。特别值得注意的是，最敏感品系Crenshaw的E3表达持续低于其他品系，这可能与其UPS活性失调相关。

这项研究首次在多年生禾草中同步解析了蛋白酶和UPS途径在热胁迫响应中的协同作用，提出了"双途径精准调控"的耐热新机制：耐热品系通过适度抑制蛋白酶/UPS活性减少功能蛋白损耗，同时动态调整关键酶基因表达以适应不同胁迫阶段的需求。该发现不仅为草坪草耐热育种提供了蛋白酶活性作为分子标记，更启示通过调控E3连接酶特异性来优化UPS通路可能是未来研究重点。随着气候变化加剧，这些发现对保障高档草坪可持续管理具有重要实践价值，也为禾本科作物抗逆研究提供了新思路。