《Plant, Cell & Environment》：Molecular Links Between Heat Stress and DNA Damage Response in Plants
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气候变化对农业生产率构成重大威胁，进而危及全球粮食安全。在气候变化的诸多后果中，热应激（HS）已成为限制作物产量的关键因素。这推动了过去十年间广泛的研究，以阐明植物响应HS的分子和生理机制。最新研究结果表明，与基因组完整性维持相关的DNA损伤反应（DDR）通路
气候变化对农业生产率构成重大威胁，进而危及全球粮食安全。在气候变化的诸多后果中，热应激（HS）已成为限制作物产量的关键因素。这推动了过去十年间广泛的研究，以阐明植物响应HS的分子和生理机制。最新研究结果表明，与基因组完整性维持相关的DNA损伤反应（DDR）通路也在植物耐热性中发挥重要作用。本综述总结了将DDR组分与植物HS响应联系起来的最新进展。研究人员讨论了经典DDR通路的参与情况，尤其强调了伽马响应抑制因子1（SUPPRESSOR OF GAMMA RESPONSE 1, SOG1）及其下游靶标在HS响应中的作用。此外，研究人员重点介绍了新出现的SOG1非依赖性模块，包括HOS1–RECQ2通路，以及对植物DREAM复合体的最新认识，这些发现进一步强化了DDR与HS响应之间的联系。总之，这些发现将DDR定位为在HS条件下协调基因组稳定性、胁迫信号和生长调控的关键调控节点。更深入地理解这一联系可能为培育耐热作物以及在全球气候变化背景下提高农业韧性提供新机遇。
1 引言
热应激（HS）被定义为温度超过阈值水平并持续足以对植物生长发育造成不可逆损伤的时间。HS通常指高于环境温度10°C–15°C，但该阈值因强度、持续时间和升温速率而异。气候变化导致热浪变得更强烈、更频繁和更持久，作物产量将大幅下降，威胁全球粮食安全。HS诱导的损伤主要涉及叶绿体、线粒体超微结构、光系统II（PSII）和膜稳定性等。活性氧（ROS）过量积累是HS致细胞损伤的主要因素，高水平ROS具有细胞毒性，可导致DNA损伤、脂质过氧化、蛋白质损伤和细胞死亡。植物具有酶促抗氧化系统（POD、APX、CAT、SOD）和非酶促抗氧化剂（GSH、AsA等），但严重或持续HS会使这些系统不堪重负。HS导致ROS水平升高，影响生殖过程（如花粉管和花丝）以及光合作用。过量ROS还可损伤核酸，激活DNA损伤反应（DDR）。
2 热应激下ROS诱导的DNA损伤
HS引起ROS积累，并可通过MAPK通路激活HSFA4A。烟草热激实验表明热诱导DNA修复机制激活；拟南芥中短期和长期热暴露均激活DDR基因。ROS与DNA反应可产生多种碱基损伤，如8-oxoG、8-oxoA、FapyG、Sp和Gh等。8-oxoG是氧化应激标志物，若未修复可导致G→T颠换。拟南芥全基因组分析显示HS增加突变率，与DNA聚合酶λ有关。损伤频率取决于核苷酸氧化还原电位和基因组环境，线粒体DNA更易受损，异染色质中修复较差。碱基切除修复（BER）是主要修复机制，由DNA糖基化酶如AtNTH1/2和OGG1起始；OGG1过表达增强拟南芥种子耐热性。小麦中AP核酸内切酶TaApe1L在HS下上调。BER短修补和长修补依赖PARP和DNA连接酶等。热暴露还激活核苷酸切除修复（NER）、同源重组（HR）、错配修复（MMR）和非同源末端连接（NHEJ）等通路。
3 经典DDR激活（ATM/ATR-SOG1）在热应激下
DDR由共济失调毛细血管扩张突变蛋白（ATM）和ATM与Rad3相关蛋白（ATR）激酶介导，它们磷酸化下游靶标，特别是SOG1转录因子。ATM主要响应DNA双链断裂，ATR响应单链DNA。多种非生物胁迫包括HS会激活ATM/ATR。SOG1是植物DDR的主调控因子，属于NAC转录因子家族，具有N端NAC结构域、无序C端结构域及SQ/ST磷酸化位点。其激活依赖于ATM/ATR对其五个SQ位点的磷酸化，也受蛋白激酶CK2对ST423位点的磷酸化调节。SOG1受到泛素化调控：E3泛素连接酶DDRM1单泛素化稳定该蛋白，PRL1多泛素化促其降解。SOG1以同源二聚体形式调控大量靶基因，直接靶标分为细胞周期、DNA修复和逆境响应三类，其中DREB19和NTL4/ANAC053与热胁迫相关。SOG1还可能与ANAC085、NAC053等形成异源二聚体。ANAC053在HS中介导ROS诱导的细胞程序性死亡。FCA与SOG1功能互作，可能通过液-液相分离（LLPS）调节其活性。
4 参与热应激的非经典DDR通路
RBR1是拟南芥中唯一的视网膜母细胞瘤蛋白（pRb）同源蛋白，参与DREAM样复合体。RBR1缺失导致对DNA双链断裂（DSB）诱导剂超敏，并直接调控DDR基因表达。在DNA损伤时，RBR1与E2FA在ATM/ATR依赖下形成核内病灶。植物DREAM复合体存在多种配置，如E2FA-RBR1、E2FE-TCX5等。在热形态建成中，RBR1通过CYCD-RBR1-E2F通路调节根生长和下胚轴伸长，涉及PIF4/PIF7和HY5。E2F基因在番茄和小麦中受HS上调。E2FB-LIN37-NAC044复合体可能参与DNA损伤诱导的细胞死亡和细胞周期阻滞。E2FC调控HSP70-4的表达，参与基础耐热性。此外，HOS1作为E3泛素连接酶，在HS下通过HSFA1–HSP90机制稳定，并调控RECQ2表达，这条通路不依赖ROS。
5 热记忆背景下的DDR
热记忆主要受热休克转录因子HSFA2和HSFA3调控。TOR–E2FA调控轴将代谢信号与DDR连接。TOR激酶磷酸化E2FA，E2FA调控多种HS应答基因。E2FA调控HLP1表达，HLP1促进HS相关基因组蛋白H3乙酰化和H3K4me3修饰。HAC1是负责H3乙酰化的组蛋白乙酰转移酶，ATX1是参与H3K4me3的甲基转移酶。E2FA还直接结合HSFA1s和HSFA2启动子，说明经典热记忆通路可能位于TOR–E2FA下游。此外，ATM和H2A.X可能在表观调控中发挥作用，调控组蛋白修饰的维持和继承。
6 DDR、激素信号和生长调控在热应激下的整合
拟南芥地上部和根部对热响应存在差异，根部温度感知对地上部基因表达影响更大，涉及生长素、脱落酸（ABA）、乙烯（ET）、油菜素甾醇（BRs）等长距离信号。生长素信号与热休克蛋白90（HSP90）相互作用，稳定TRANSPORT INHIBITOR RESPONSE 1（TIR1）共受体。ERF115是SOG1靶标，在根分生组织受损后激活ERF115-ANAC085-HSP模块。DDR通过ATM-SOG1诱导SHY2表达，进而下调PIN1、PIN3和PIN7，改变生长素分布并减小分生组织。细胞分裂素通路通过CCS52A1促进内复制。生长素和细胞分裂素的平衡对根生长至关重要。RBR1通过上调PIF4/PIF7和下调HY5促进下胚轴伸长。FCA与PIF4相互作用限制其占据生长素生物合成基因。
7 未解决的问题和未来展望
SOG1是理解DDR与HS适应联系的关键候选，其活性受翻译后修饰、与FCA相互作用以及液-液相分离调节。SOG1与NPR1、CRY1等形成的异源二聚体可扩展其调控网络。NAC044可能参与DREAM样复合体，但DREAM与ATM/ATR的关系仍不清楚。TOR–E2FA模块与经典HSFA2–HSFA3热记忆的关系有待研究。ATM/H2A.X是否参与热记忆的建立和遗传尚需探索。激素在HS-DDR中的作用研究有限。跨物种保守性研究已在小麦、番茄、硅藻等中初步发现DDR相关组分响应HS，但需更多比较研究。
8 结论
全球变暖威胁粮食安全，DDR是植物耐热机制的重要组成部分。经典DDR通过SOG1介导的转录网络促进耐热性，SOG1非依赖性模块如HOS1–RECQ2、DREAM样复合体和热响应选择性剪接进一步扩展了DDR与HS的联系。DDR作为整合多种非生物胁迫响应的枢纽，为培育耐热作物提高农业韧性提供了框架。
