《GM Crops & Food》：Tropical vulnerability and temperate resilience: molecular and physiological insights into cold stress adaptation in oil palm
冷胁迫（cold stress）是限制油棕（Elaeis guineensis）生长与生产力的主要非生物限制因素。其对低温（chilling）的高度敏感性会导致生理损伤、代谢紊乱以及油产量和品质下降。该综述总结了油棕冷胁迫响应的生理、生化和分子机制，并结合油菜（rapeseed）和大豆（soybean）的比较见解。关键通路，包括Ca2+信号、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联和ICE-CBF/DREB网络，协调膜脂重塑（membrane lipid remodeling）、渗透调节（osmotic adjustment）、抗氧化防御（antioxidant defense）和激素调控（hormonal regulation）。关键基因（EgCBF、EgICE1、EgNCED、EgFAD2、EgSAD、EgP5CS）和转录因子（transcription factors, TFs）（EgWRKY、EgNAC、EgMYB）参与胁迫适应。然而，在持续或反复低温下，这些响应可能不足，可能破坏脂质重塑、水分关系和植株表现。全基因组关联研究（GWAS）、数量性状位点（QTL）定位、多组学（multi-omics）、基因组选择（genomic selection）和基因组编辑（genome editing）的进展为改善冷韧性提供了机会，特别是针对偶发性低温事件和温度骤变，这些在气候变化下可能日益重要。关键词：冷胁迫|分子育种|多组学整合|油棕|胁迫耐受机制
1. Introduction
冷胁迫（cold stress）是限制油棕（Elaeis guineensis）生长和生产力的主要非生物因子。低温（0–15 °C）和冰冻（<0 °C）会破坏膜稳定性、抑制酶活并诱导活性氧（ROS）过量积累，造成代谢紊乱和产量损失。气候变化可能增加突发降温、偶发寒潮和反复低温事件，对热带作物影响尤其显著。油棕最适生长温度为24–32 °C，冷害可降低叶绿素含量、光系统II效率、膜完整性和油脂积累，并下调脂肪酸去饱和酶（FAD）基因。遗传改良被视为最可持续策略。模型植物中C-repeat结合因子（CBF）-冷响应（COR）、钙信号、MAPK和激素调控网络已较清楚，但油棕中缺乏从早期信号到下游功能的整合框架；长童期、高杂合度和有限基因组资源限制育种。该综述综合生理、生化和分子机制，并评估现代分子育种策略。
2. Physiological and Molecular Underpinnings of Cold Stress Responses in Oil Palm and Oilseed Crops
油棕冷响应与温带作物共享许多信号和代谢组分，但在时序、幅度和协调性上存在差异，这可能与其有限低温驯化能力有关。
2.1. Cold Perception and Ca
2+?Mediated Early Signaling
冷感知始于质膜刚性化，引起Ca
2+内流并触发下游信号。油棕中EgCBL、EgCIPK、CaM样蛋白（CML）和钙依赖蛋白激酶（CDPK）同源物受冷诱导，MCA1/2介导Ca
2+内流，CAMTA1–3连接钙信号与转录调控。油棕CBF1–3呈双相诱导，并与蔗糖和脯氨酸积累相关，但LOS2介导抑制的证据未明确。油菜和大豆中相应钙感受组分响应更强、更快。现有证据更支持信号动力学和放大效率差异，而非冷感知组分完全缺失；需时间分辨Ca
2+动态和候选信号组分功能分析。
2.2. MAPK Cascades and Transcriptional Reprogramming
Ca
2+信号进入丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联，通过MAPKKK–MAPKK–MAPK模块放大并重塑转录。油菜冷诱导ERF、bHLH、NAC、MYB和WRKY等转录因子及COR413-PM2、HOS1、ICE1、MYB15、WRKY33；大豆GmCBL和GmCDPK与MAPK模块互作。油棕ABA相关NAC受冷诱导，但其与上游MAPK调控关系未充分解析；MKK2–MPK4/6可调节ICE1和DREB1。激素ABA、JA、auxin和油菜素内酯（BR）与MAPK交叉。油棕中NAC和激素程序参与冷响应，但直接受MAPK磷酸化控制的程度仍待明确；未来需时间分辨磷酸蛋白组和转录组及MAPK–TF功能实验。
2.3. ICE-CBF/dreb Regulatory Hub
ICE-CBF/DREB是冷响应核心转录枢纽。ICE1为MYC类bHLH转录因子，结合CBF/DREB启动子并启动下游级联。油棕多个ICE1同源物双相诱导，伴随CBF/DREB1转录变化；DRE基序变异的功能后果尚未实验证实，宜视为潜在调控约束。ICE1受SIZ1、ZAT10、MYB15和HOS1等翻译后调控，SUMO化增强稳定性，HOS1介导泛素化降解。下游COR、RD29A、KIN1/2及脯氨酸和蔗糖代谢基因参与膜稳定、渗透调节和保护。油菜ICE1、BnCBF、DREB1B和COR15A/B快速强诱导，表观调控参与；大豆GmDREB1B;1和SCOF-1连接冷转录、渗透物积累和ROS解毒。油棕该网络连接强度和动力学仍不完全清楚。
2.4. Membrane Lipid Remodeling and Regulatory RNAs
低温降低膜流动性，植物需重塑膜脂，增加不饱和脂肪酸。油菜和油橄榄中FAD2、FAD8和硬脂酰-ACP去饱和酶（SAD）表达升高；油棕中去饱和酶诱导相对有限，而miR156、miR319等调控RNA与脂肪酸代谢、转录因子、抗氧化和渗透调节相关，但单个miRNA功能未确立。油棕中vitexin和isovitexin等黄酮类积累，可能清除ROS并保护膜；油菜BnCML和BnCAT参与膜完整。代谢组显示脂质重塑与糖、氨基酸协调。油棕中脂肪酸去饱和、调控RNA和次生代谢物的相对贡献仍需脂质组、小RNA和功能验证。
2.5. Cold-Induced Osmotic Stress and Water Transport Limitation
冷害增加水黏度、降低根透性并引起细胞脱水。油棕冷胁迫诱导水运输相关转录重编程，PIP1和PIP2型水通道蛋白 putative EgPIP1;1和EgPIP2;1下调，但是否直接降低水通道活性或根导水率未解。EgCBF1/2/3诱导伴随P5CS、SUSY和SPS上调，促进脯氨酸和蔗糖积累。大豆耐冷品种上调TPS/TPS13、GmP5CS1/2和GmSPS8/18，维持PIP2;5水运输，GmCIPK5–GmCBL1介导ABA驱动气孔和渗透关闭；油菜通过ERD4和代谢物积累响应。油棕COR样同源物如EgCOR410仅为预测，功能验证不足。总体模型是水运输和相容溶质共同影响渗透调节。
2.6. Oxidative Stress and Antioxidant Defense
冷诱导ROS过量产生，需要抗氧化系统防止损伤。油棕中SOD、CAT和POD活性短暂升高，COR410/413受诱导，miR156和miR395参与调控；但丙二醛（MDA）升高提示持续低温下抗氧化激活不足以完全防止氧化损伤。EgCBF1/3与SOD活性正相关，电解质渗漏与EgCOR410负相关。油菜APX、GPX、GSTs、BnCML、BnCAT和BnNIR构成多层抗氧化网络，ZAT12等参与ROS感知与转录整合。油棕SOD呈4小时和7天双相峰值；油菜已鉴定超过5,669个冷响应差异表达基因。时序协调是决定细胞损伤的关键。
2.7. Integrated Cold Response Pathways and Hormonal Regulation
激素信号协调系统冷适应。油菜冻胁迫中ABA受体PYR/PYL、SnRK2、乙烯EIN3/EIL和JA相关基因显著重编程。油棕冷诱导ABA和GA水平变化及EgCBF1/2/3上调，ABA参与冷响应，GA降低可能抑制生长。AUX/IAA、JA、BR和MAPK交叉整合生长–防御权衡。大豆GmCIPK2–GmCBL1介导ABA信号增强气孔关闭和渗透物积累；油菜KEGG分析突出ABA、JA和乙烯通路。油棕似整合ABA、GA、JA、auxin和BR信号，而非依赖单一激素；关键差异可能在时序协调与资源分配。
3. Natural Variation and Genetic Resources for Cold Resilience in Oil Palm and Oilseed Crops
3.1. Diversity in Germplasm
自然遗传变异是改良油棕耐冷性的基础。E. oleifera较E. guineensis对低温等非生物胁迫更具耐受性；种间杂种E. guineensis × E. oleifera与FAD2和SAD等脂质代谢基因增强表达相关，WRI1和DGAT变异与胁迫响应和油积累关联。E. guineensis地方品种和育种群体存在低温耐受差异，但基因型水平功能鉴定有限。RNA-seq揭示EgMYB、EgNAC和EgWRKY基因型特异表达。油菜BnCBF及下游COR变异、油橄榄FAD8变异也支持自然变异重要性。油棕耐冷遗传多样性仍未被充分开发。
3.2. Identification of QTLs and Candidate Genes
GWAS和转录组分析开始揭示胁迫相关基因组区域，但专门针对油棕耐冷的研究有限。候选基因包括EgCBF、EgICE1、EgLEA、EgHSP、EgSOD、EgAPX、EgGST、EgP5CS和EgTPS，以及激素相关PYR/PYL和SnRK2，脂质相关FAD2、KAS和DGAT。比较基因组显示油菜CBF簇、碳水化合物和ROS清除QTL，大豆GmDREB1、GmCBF和GmCOR，向日葵膜稳定和抗氧化QTL。多组学整合揭示MYB、NAC、WRKY、MAPK/CDPK及渗透和脂质代谢网络。瓶颈包括复杂小效应遗传结构、长周期、候选基因尚未功能验证；需高密度遗传图谱、功能验证和分子标记应用。
4. Challenges and Future Perspectives for Cold Resilience in Oil Palm
4.1. Major Challenges in Understanding and Enhancing Cold Tolerance
4.1.1. Molecular Knowledge Gaps
热带多年生植物早期冷感知和信号起始仍不清楚。模型植物中COLD1、OSCA1和环核苷酸门控通道（CNGCs）介导Ca
2+内流；油棕EgCOLD1角色需定义。CBL–CIPK与上游传感器及下游转录整合需解析。根–冠通讯和系统信号如CLE25和NCED3在油棕中尚待研究。表观调控如DNA甲基化和组蛋白修饰控制CBF、COR和ICE1，但油棕冷胁迫表观研究缺乏，EgCBF位点甲基化是否导致弱转录响应未知。
4.1.2. Biological Constraints
油棕首收约4–5年，但冷耐性状常需成熟或多年度田间表型，QTL验证和育种周期可超十年。高杂合度导致遗传噪声，掩盖小效应QTL。成熟植株常超过10 m，限制控制环境使用，冷事件偶发且难重复。
4.1.3. Technical Bottlenecks
转化效率低，农杆菌介导转化约1–5%，再生需2–3年，限制功能验证。冷响应候选基因尚未广泛通过稳定转基因或基因组编辑验证。需分层验证：序列和启动子保守性、时间分辨表达、蛋白定位和互作；再以瞬时表达、原生质体、异源互补或模式植物验证；最强候选进行基因扰动或编辑。还需整合导水率、膜稳定性、渗透物和ROS指标。标准化冷表型和整合基因组–表型数据缺乏。
4.2. Future Perspectives and Strategic Opportunities
4.2.1. Genome Editing for Targeted Trait Improvement
CRISPR/Cas9是长期策略。油棕中已成功靶向EgPDS和EgBRI1，多重CRISPR/Cas9编辑EgFAD2和EgPAT，DNA-free RNP系统实现原生质体靶向突变。未来可探索EgCBF启动子编辑以增强冷诱导表达，或调节ABA信号PP2C和SnRK2。挑战包括稳定转化、再生和编辑植株恢复。需先以功能表征支持候选优先级。
4.2.2. High-Throughput Phenotyping and Controlled Environment Solutions
高通量表型是近期可行途径。RGB、热红外、叶绿素荧光、多光谱/高光谱可无损评估冠层、叶温、光合和生理变化。苗期平台可筛选大种质，再田间验证。整合光合、电解质渗漏、膜稳定性、水分和抗氧化指标；环境传感器和数字孪生可连续监测。需发展便携低成本系统。
4.2.3. Multi-Omics Integration and Systems Biology
结合基因组、转录组、蛋白组和代谢组可解析MYB、NAC、WRKY、MAPK/CDPK及渗透和脂质网络。GWAS、标记辅助选择（MAS）和基因组选择（GS）更易近期应用，且不需稳定转化，已在 soybean、rapeseed和sunflower 应用。基因组预测结合高通量表型可在童期前早期选择。
4.2.4. An Integrated Molecular Design Breeding Framework
需整合遗传、生理和计算。功能验证EgCBF、EgICE1、EgNCED、EgSAD和EgFAD等中心调控基因，结合MAS和GS，基因组编辑保留给强功能证据候选。管理生长–胁迫权衡，重视WRI1、SnRK2和DELLA。利用E. guineensis × E. oleifera种间杂种、标准冷表型和多组学。系统生物学和AI预测可优先候选。分阶段策略最现实。
5. Conclusions
油棕冷敏感主要源于调控低效，而非缺少保守冷响应通路。延迟激活和弱协调限制驯化，导致膜稳定不足、水分关系紊乱和抗氧化保护不足。耐冷性取决于信号、转录和代谢调整的整合。改良应靶向调控枢纽和网络互作，而非单基因。温带油料比较表明有效适应依赖快速信号传播、持续转录和渗透–氧化还原–激素协调。挑战在于机制转化为育种；需多组学、高分辨表型和预测建模，基因组编辑和基因组选择有潜力但依赖功能验证。总体需转向系统驱动、设计导向策略。
