综述：非生物胁迫耐受蓝图的构建：胁迫矩阵复杂性分析

《Plant Signaling & Behavior》：Laying the blueprint of abiotic stress tolerance: an analysis on the complexities of the stress matrix

　　

摘要：气候变化驱动的极端天气事件已导致平均气温升高、极端热浪更加频繁、干旱加剧、土壤条件恶化，以及病虫害发生增加，对植物构成了独特挑战。迄今为止，已有大量研究揭示了植物如何适应或应对这些不利条件，但这些研究主要聚焦于植物在特定时间点对单一胁迫的响应。然而，在自然界中，胁迫并非孤立发生，而是多以组合形式作用，这种状况被称为“多因素胁迫组合”或更精确地称为“胁迫矩阵”。单一胁迫与组合胁迫造成的损害及相应响应可能完全不同，从而引发复杂的下游信号转导。通过本综述，研究人员试图解析不同植物物种对多种胁迫组合的生理和分子响应。进一步强调，考虑到持续严峻的环境条件，需要更加关注培育能够耐受多种或同时发生胁迫因子的植物。

Effect of multifactorial stress combinations on plants—a trade-off from acclimation to tolerance

多因素胁迫组合的研究最早由Mittler（2006）提出，认为植物对单一胁迫的响应是独特的，不能与组合胁迫下的反应相提并论。一种胁迫的发生可能诱发另一种胁迫，例如在大陆性和山地环境中，夜间低温胁迫常与干旱胁迫同时发生，因为土壤持水量较低。低温还会导致细胞间隙形成冰晶，造成细胞脱水。Zandalinas等人（2021）指出，当只有少数胁迫因子存在时，多因素胁迫组合对生态系统或农田的影响往往难以预测；然而随着额外胁迫因子的引入，即使其强度较低，负面相互作用也会被放大，并可能驱动系统迅速崩溃。Wang等人（2014）对42个水稻基因型在五种不同胁迫下的多因素胁迫组合进行了评估，发现非洲野生稻可能是提高水稻恢复力的良好基因来源。未来需要更多研究关注世界不同地区适应特定区域多因素胁迫组合的植物，这些田间调查获得的知识可用于模拟许多预测的胁迫组合。

High temperature and drought stress

高温和干旱是自然农业环境中常见的组合胁迫。高温影响植物从萌发到生殖和产量的每个发育阶段，植物通过叶片排列改变、蒸腾冷却、叶片卷曲和膜脂组成调整来避免高温伤害。热耐受主要通过热激转录因子和热激蛋白的激活实现，茉莉酸甲酯、细胞分裂素和水杨酸等植物生长调节剂以及脯氨酸、多胺、甘氨酸甜菜碱和信号分子也参与维持细胞膜完整性和离子平衡。干旱胁迫下，植物通过关闭气孔减少蒸腾失水，同时合成渗透调节物质和植物激素。当高温与干旱同时发生时，植物面临两难境地：高温下通常需要打开气孔蒸腾降温，而干旱下则需要关闭气孔保水，这种冲突导致复杂且非典型的胁迫响应，甚至导致植物死亡。研究显示，干旱和高温的协同效应在水稻、小麦、玉米、番茄、鹰嘴豆和烟草中均有报道。例如，水稻在分蘖期遭受热旱双重胁迫时，发育和产量受到最严重影响，甚至导致无穗无收。小麦中高温和干旱同时发生对叶绿素含量、籽粒数、小穗育性和收获指数等参数造成比单一胁迫叠加更大的不利影响。玉米研究中，同时发生干旱和高温加剧了活性氧积累和脂质过氧化，而抗性较强的品种具有更强的抗氧化系统和渗透调节能力。WRKY转录因子在联合高温干旱胁迫抗性中展现潜力，如OsWRKY11的过表达增强了水稻幼苗对热旱的抗性，烟草中乙烯反应转录共激活因子和WRKY转录因子的独特表达在联合胁迫下上调。

High temperature and salinity stress

高温和盐胁迫的共发生日益频繁，主要由于极端温度导致淡水水位下降，以及为满足粮食需求而使用低质量灌溉水。植物在联合高温和盐胁迫下表现出渗透调节、相容性溶质积累和抗氧化防御等响应。盐胁迫下，Na⁺过量吸收破坏K⁺/Na⁺平衡，导致离子毒害；而K⁺在膨压产生、渗透调节和酶活性中起关键作用。植物通过积累脯氨酸、甘氨酸甜菜碱等渗透保护剂来调节渗透势和清除活性氧。研究表明，番茄在热盐组合胁迫下优先响应高温，表现出类似热胁迫的特征，同时在高CO₂条件下提高CO₂同化速率。ABA在植物对组合胁迫的气孔调节中发挥关键作用。在杨树中，盐和高温共处理诱导ABA积累及响应基因上调。形态学上，热盐组合主要影响根发育。与单独盐胁迫不同，植物在热盐组合下保持气孔开放，且蒸腾速率与对照相似，较高的CO₂摄取降低了活性氧浓度，从而增强抗性。OsHSP18基因在高温及热盐组合条件下均能赋予胁迫耐受性。

Cold and drought stress

干旱和半干旱地区以及高海拔地区常同时经历低温和干旱胁迫。低温胁迫可分为 chilling stress（0°C–15°C）和 freezing stress（<0°C）。 chilling stress通过破坏细胞膜流动性、变性蛋白质和抑制活性氧清除酶活性来限制植物生长；freezing stress导致质外体冰晶形成，造成细胞脱水和死亡。冷敏感作物如水稻在小穗育性期受冷导致减产，小麦在生殖期受冷导致花脱落、花粉畸形和籽粒发育受损。低温会降低根系水分吸收，引发次生干旱胁迫。植物应对冷旱组合胁迫的机制包括ABA依赖和DREB转录因子介导的渗透调节信号通路，以及通过超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶、过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶和过氧化氢酶清除活性氧。对青藏高原常见草类Elymus nutans的研究显示，组合冷旱胁迫比单一胁迫导致更严重的形态损伤，包括根和茎长减少、总生物量降低。

The convergence of biotic and abiotic stress networks—a new paradigm in multifactorial stress combination

自然环境中植物同时面临生物和非生物胁迫。病害三角概念表明寄主、病原物和环境三者相互作用。温度与病原、水分与病原、盐与病原的组合胁迫可产生负面影响，植物以协同或拮抗方式响应。例如，水稻白叶枯病菌在昼夜35°C/27°C时侵染，但37°C会抑制病害发展。高湿度促进细菌定殖，而低湿度干旱可能加重稻瘟病。盐胁迫对生物胁迫既有有害也有有益影响，如150 mM NaCl可通过抗真菌活性恢复番茄白粉病抗性。

Defense mechanisms in plants in response to multifactorial stress combination

全基因组关联分析（GWAS）是研究单一或多种胁迫复杂性状的有效工具。在大麦耐涝性研究中，GWAS和RNA-seq分析鉴定了27个候选基因，其中HvDnaJ、HvMADS和HvERF1在多种处理下表达，HvERF1在拟南芥中异源表达提高耐涝性。一项meta分析鉴定了134个meta-QTL，其中28个稳定QTL对五种或全部六种非生物胁迫具有耐受性。在合成六倍体小麦中，GWAS鉴定到124个与多种生物胁迫相关的标记-性状关联，其中33个位于基因内。

Signaling molecules in mitigating multifactorial stress combination

植物感知胁迫信号后，激活细胞内信号级联反应，产生信号分子如活性氧、Ca²⁺、NO、多胺和植物激素。这些信号分子形成信号复合体，通过S-亚硝基化、泛素化等翻译后修饰动态调节。活性氧在低浓度促进应激耐受，高浓度导致程序性细胞死亡。Zandalinas等人（2021）证实ROS稳态对拟南芥在多因素胁迫组合下生存至关重要。Ca²⁺作为第二信使参与低温、干旱和盐胁迫的信号转导，例如水稻COLD1通道蛋白增强低温耐受，钙信号调节气孔关闭和SOS途径。植物激素之间通过串扰形成网络，使植物产生交叉耐受。

The transcription factors

转录因子通过结合启动子顺式元件诱导或抑制胁迫响应基因，是植物胁迫信号网络的关键汇聚点。涉及WRKY、DREB、MYB、NAC、bZIP和AP2/ERF等多个家族。

The WRKY transcription factors—a novel tool in multifactorial stress combination tolerance crosstalk

WRKY转录因子在单子叶和双子叶植物的组合胁迫响应中发挥关键作用。例如，棉花GhWRKY25负调控干旱和灰霉病，但正调控盐胁迫；GhWRKY27a过表达降低烟草对干旱和立枯丝核菌的耐受，而VIGS沉默增强棉花耐旱性。辣椒CaWRKY40在CaWRKY6调控下增强对青枯病和高温高湿的耐受。水稻OsWRKY13通过抑制JA信号网络增强对白叶枯病和稻瘟病的抗性，但负调控SNAC1介导的盐和冷胁迫抗性。OsWRKY11过表达同时增强对白叶枯病和脱水的抗性。AtWRKY33通过MAPK磷酸化增强对灰霉病和链格孢菌的抗性，同时提高盐和淹水缺氧耐受。小麦TaWRKY10在烟草中过表达增强抗旱和耐盐，但在小麦中VIGS沉默反而增强对真菌病原Zymoseptoria tritici的抗性，表明生物与非生物胁迫间的拮抗关系。玉米ZmWRKY65通过诱导ABA积累增强抗旱，同时通过SA信号增强对灰霉病和丁香假单胞菌的抗性。珍珠粟PgWRKY44在拟南芥中通过ABA信号增强耐盐抗旱，在水稻和珍珠粟中通过SA/JA信号增强对稻瘟病的抗性。番茄SlWRKY39过表达同时增强非生物和生物胁迫耐受，而SlWRKY45过表达增加对根结线虫的敏感性。

The DREB transcription factors

脱水响应元件结合蛋白（DREB）结合胁迫诱导基因启动子中的DRE/CRT元件。DREB1类主要响应低温和脱水，AtDREB1A和AtDREB1C是冷胁迫正调控因子，OsDREB1A/B/C增强水稻耐冷性。DREB2类参与干旱、盐和高温胁迫，AtDREB2A、OsDREB2A、OsDREB2B和PgDREB2A等均被报道响应多种胁迫。大豆GmDREBa和GmDREBb在冷、旱、盐胁迫下显著表达。DREB3在小麦中异源表达提高大麦对旱、盐和热的耐受。ScDREB5过表达通过调节茉莉酸生物合成增强拟南芥耐盐性。

The MYB transcription factors

MYB转录因子具有保守的N端MYB DNA结合域，分为四类，其中R2R3-MYB在植物中广泛存在。MYB参与植物发育、代谢和胁迫响应。拟南芥中AtMYB2、AtMYB60/94、AtMYB96等受干旱上调，AtMYB15和AtMYB44通过ABA信号串扰参与干旱、低温和免疫响应。苹果MdSIMYB1在烟草中异源表达赋予盐、旱和低温耐受。番茄MYB95和MYB71在组合非生物胁迫下表达显著升高，其中MYB71还参与抗番茄叶霉病。

Microbiome vs stress combinations

植物相关微生物组包括根际、叶际和内生菌群，环境变化影响其动态。植物与微生物通过化学信号交流，增强胁迫耐受。植物促生根际细菌（PGPR）如固氮螺菌属可提高作物产量，通过固氮、多胺代谢和激素合成缓解渗透胁迫。接种Brevibacillus laterosporus和Bacillus amyloliquefaciens等菌株可增强水稻冷旱胁迫抗性，提高抗氧化酶活性。Azospirillum brasilense Sp245在干旱条件下提高小麦养分吸收、相对水含量和籽粒产量。Bacillus amyloliquefaciens和A. brasilense接种提高小麦生物量。

SynCom—a novel tool for stress adaptation

合成微生物群落（SynCom）是在可控条件下人工共培养选定微生物菌株形成的。SynCom可通过自上而下或自下而上方法构建，用于精确解析微生物功能和互作。例如，枯草芽孢杆菌和哈茨木霉组成的SynCom增强马铃薯对疮痂病抗性及耐脱水渗透胁迫。AMF和慢生根瘤菌SynCom提高大豆抗旱性和种子产量。链霉菌SynCom（四种菌株组合）比单菌株更有效地缓解水稻的盐和干旱胁迫。尽管SynCom为研究微生物群落提供了强大平台，但田间应用仍受限于微生物多样性和植物基因型兼容性等问题。

Conclusion and future prospects

全球人口增长给农业带来巨大压力，气候变化加剧了非生物和生物胁迫的影响。植物通过复杂的防御机制感知和响应胁迫，但田间自然条件下胁迫通常以组合形式发生。随着胁迫因子数量和复杂性增加，植物存活率急剧下降，即使每个单一胁迫强度很低。因此，需要深入研究植物对组合胁迫的分子机制，包括基因、转录因子、第二信使和植物激素，以及生物方法如合成微生物群落的应用。开发能够应对气候和病虫害的作物品种至关重要。