综述：油菜非生物胁迫响应与适应的分子及遗传基础

《Oil Crop Science》：Molecular and genetic basis of response and adaptation to abiotic stresses in rapeseed

　　

摘要翻译：全球气候变化加剧了非生物胁迫对作物生长发育的不可逆损伤，导致产量大幅损失。油菜作为全球主要的食用植物油来源，深受干旱、盐碱、涝渍、高温和低温等多种非生物胁迫的影响，造成生产力下降。近年来，遗传学与分子生物学方法同多组学技术的整合，已在揭示油菜适应环境胁迫的关键基因及其调控机制方面取得初步进展。本文系统综述了油菜响应多种非生物胁迫的分子机制和基因调控网络，进而讨论了面向气候韧性作物改良的有效分子育种策略，并概述了未来研究中面临的挑战。

油菜非生物胁迫响应与适应的分子及遗传基础研究进展

1. 引言
油菜（Brassica napus L.）是世界上第二重要的油料作物，是欧洲、亚洲和北美食用油的关键来源。甘蓝型油菜（2n=38，AACC）是十字花科的代表性作物，由白菜型油菜（2n=20，AA）和甘蓝（2n=18，CC）杂交后染色体加倍形成的异源多倍体物种。根据春化需求，油菜分为冬性、春性和半冬性三种生态型。全球气候变化加剧了极端天气事件的发生频率，干旱和盐胁迫是最普遍且破坏性最强的非生物胁迫，而涝渍和极端温度也频繁发生。这些胁迫会破坏细胞膜完整性，导致渗透胁迫和离子毒性，并诱导活性氧（ROS）过量积累，造成氧化胁迫，抑制光合效率和碳同化，最终限制生物量和产量形成。在油菜中，胁迫还会影响种子含油量和脂肪酸组成，降低经济价值。理解油菜响应这些非生物胁迫的遗传与分子机制及功能基因，对改良抗逆性至关重要。

2. 干旱胁迫
2.1 干旱响应中的根系与气孔调节
根系通过调节生长速率、结构变化和气孔关闭等组织特异性响应来适应土壤水势变化。BnPgb1通过调控一氧化氮（NO）积累保护根尖细胞分裂和代谢活性；BnA10.FLC通过直接调节根系发育增强油菜抗旱性。气孔关闭是防止脱水的快速有效防御机制，BnEPF2和BnLAS通过调节气孔密度和气孔孔径减少水分蒸腾，BnLAS还通过促进蜡质沉积增强水分管理。磷脂酶BnPtdIns-PLC2和BnPLDα1分别产生二酰甘油（DAG）和磷脂酸（PA）第二信使分子，调节气孔运动。

2.2 干旱胁迫下的渗透调节
干旱胁迫下，抗旱油菜通过积累可溶性糖和降低细胞渗透势来维持吸水能力。BnC09.OGT通过调节不饱和脂肪酸生物合成增强渗透胁迫耐受性；BnLEA4-1和BnnsLTP参与保护细胞壁和膜结构，维持渗透压。外源脯氨酸处理可缓解干旱诱导的生长抑制。BnFAD3参与ω-6脂肪酸向ω-3脂肪酸的转化，增加不饱和脂肪酸含量，提高膜流动性和稳定性；BnC09.DEWAX1抑制蜡质合成基因BnCER1-2，负调控表皮蜡质积累，增加表皮通透性，降低耐旱性。

2.3 干旱胁迫下的氧化还原稳态
抗氧化酶系统是油菜响应干旱胁迫的关键防御机制，通过清除过量ROS保护细胞免受氧化损伤。BnSOD将有害的超氧阴离子（O₂^-）转化为过氧化氢（H₂O₂），BnGPX编码谷胱甘肽过氧化物酶，维持H₂O₂稳态。此外，肌醇多磷酸激酶2（ThIPK2）、胚胎晚期丰富蛋白3（LEA3）和邻近氧螯合基因（VOC）通过调节抗氧化酶基因增强ROS清除能力。富勒醇、水杨酸（SA）、恶臭假单胞菌和聚-γ-谷氨酸等外源物质通过不同机制增强抗氧化防御系统活性。

2.4 干旱胁迫下的激素信号转导
大量干旱响应基因通过ABA依赖途径调控。BnABF3和BnMYB44协同激活ZEP基因转录，促进ABA积累；BnNCED3催化9-顺式环氧类胡萝卜素的氧化裂解，是ABA生物合成的限速步骤。ABA信号通路中，MAPK级联（BnMKKs、BnMAPKs）传递和放大ABA信号；BnPP2C37与PYR/PYL受体及BnCPK5相互作用，负调控ABA信号形成反馈调节环。转录因子BnCOL2和BnNF-YA3作为负调控因子，而BnaABF2、BnMYBL2-1和BnA9.NF-YA7作为正调控因子增强ABA信号输出。ABA非依赖途径中，DREB转录因子结合DRE顺式元件激活下游干旱响应基因，包括BnHDZ22、BnMYB44和BnVIP1。BnSRO1和BnSRO11与NAC转录因子形成调控模块；BnNAC038通过抑制BnSnRK2.6及光合和碳水化合物代谢基因负调控耐旱性。Ca²⁺和H₂O₂作为第二信使激活钙依赖蛋白激酶BnCPK5和BnCPK14。GA信号中DELLA蛋白BnA6.RGA与BnaA10.ABF2形成蛋白复合物激活BnC09.RAB18；JA信号抑制因子BnJAZ5介导ABA与JA信号的串扰。非ABA调控机制中，miR169n靶向NF-YA转录因子负调控耐旱性；E3泛素连接酶（BnPUB18、BnPUB19）和BnJUL1参与关键蛋白降解；BnβCA1在Tyr207位点磷酸化水平降低影响其酶活性。

3. 盐胁迫
3.1 盐胁迫下的渗透调节
盐胁迫下细胞内Na⁺过量积累导致离子毒性和渗透失衡。脯氨酸积累是维持水分平衡的关键策略，BnP5CS基因上调表达促进脯氨酸生物合成，维持渗透压稳态。BnAOX1b通过调节线粒体氰化物抗性呼吸途径缓解ROS过量积累；BnA07.BBX22与BnHY5.C09互作激活BnC03.WRKY33，整合ROS调控和WRKY33依赖途径；BnA10.WRKY75通过破坏ROS平衡负调控盐胁迫响应，其导致BnC03.CAT2下调，使植株对盐胁迫更敏感。

3.2 盐胁迫下的离子稳态
SOS信号通路在植物响应长期盐胁迫中发挥关键作用，实现快速胁迫感知和离子稳态调节。BnA05.NHX2通过囊泡膜Na⁺/H⁺交换机制将Na⁺区隔化，维持胞内离子稳态。高亲和性钾离子转运蛋白（HKT）基因调节Na⁺和K⁺平衡；钾转运蛋白基因BnKT/HAK/KUP在缺钾条件下维持细胞渗透压和离子稳态。BnHDZ149过表达增加盐敏感性，负调控盐胁迫响应。通过全基因组关联分析（GWAS）鉴定到BnTSN1同源基因调控离子和膜稳态。果胶甲酯酶（PME）通过降低果胶甲基化程度增加细胞壁负电荷，增强细胞壁螯合Na⁺的能力。BnHA9编码质膜H⁺-ATPase，促进Na⁺外排和K⁺吸收；BnRH6在盐胁迫下被转录诱导但作为负调控因子，过表达增加盐敏感性。

3.3 盐胁迫下的植物激素信号通路
BnABF2（bZIP转录因子）增强油菜耐盐性并激活下游逆境抗性基因。GWAS研究鉴定到BnABA4和BnBBX14等候选基因，通过ABA信号、离子转运和渗透调节途径改善油菜耐盐碱性。QTL定位结合转录组学证明BnCAX1和BnMYB60通过调节离子稳态、抗氧化活性和激素信号增强耐盐性。QTL-seq鉴定到BnCKX5和BnERF3，通过调节激素信号和渗透调节机制参与耐盐。BnA03.Hsp90.2和BnC02.Hsp90.1通过ABA信号通路的ABRE元件调节盐胁迫响应。褪黑素通过调节内源激素代谢网络，影响茉莉酸（JA）和赤霉素（GA）的合成与信号转导，增强盐胁迫下油菜幼苗的抗性。自然和农业环境中，油菜常面临干旱-盐复合胁迫，复合胁迫诱导更复杂的胁迫特异性生理响应和调控网络，不能从单一胁迫研究直接外推。

4. 涝渍胁迫
根系在涝渍胁迫下发生关键结构和功能变化以避免严重缺氧损伤。根形态改变与超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）活性及基因表达密切相关。涝渍促进根木质化和栓质化，通过水通道蛋白BnPIP促进水分运输。BnPgb1过表达显著减少根尖细胞损伤，且BnPgb1赋予油菜对干旱和涝渍的双重抗性。有效抗氧化系统对缓解涝渍引起的氧化胁迫至关重要。烯效唑施用上调抗氧化酶基因，提高SOD和POD活性，降低脂质过氧化和膜损伤；优化氮肥施用提高SOD、CAT和POD活性，降低丙二醛（MDA）水平；过氧化钙施用通过调节谷胱甘肽S-转移酶（GST）等抗氧化酶基因表达，增强根系活力并减少发酵产物积累；高硫（140 mg S/kg土壤）补充通过调节抗氧化系统基因和优化硫代谢缓解涝渍。信号调节方面，BnBAK7-TCP21模块在耐淹性中发挥核心作用：淹水诱导BAK7表达和核积累，BAK7与I类转录因子TCP21互作并磷酸化，稳定TCP21并驱动转录重编程；TCP21直接激活BAK7形成正反馈环。涝渍条件下乙烯作为关键激素信号调节氧和ROS代谢，多种BnERF基因（ERF2、ERF4、ERF7、ERF11和ERF54）在涝渍胁迫下显著上调。然而，乙烯调控的ERF转录因子的调控网络及时空功能仍需进一步研究。

5. 高温胁迫
高温胁迫通过造成细胞损伤、代谢紊乱和植株结构改变来限制油菜生长和产量。甘蓝型油菜生殖期对高温尤其敏感，花期前两周高温可使主花序产量降低高达89%，油分积累期（花后2–5周）高温通过改变脂肪酸组成降低油品质。高温通过调节BnWRI1相关途径抑制光合作用并降低种子含油量。热激蛋白（HSPs）受热激因子（HSFs）调控快速激活，是热胁迫下的关键早期响应基因。BnHSP基因在40°C高温处理下表达增加；BnaHsf15/22/43/46在热处理后表达被诱导。高温胁迫显著影响花粉和雌蕊中HSP转录本表达，且表达水平高于叶片。MBD4通过改变BnaFLC和BnaMAF4位点的染色质状态调节生殖期转变，表明开花调控与热适应密切相关。RNA-Seq元分析和WGCNA分析系统鉴定了热胁迫响应的核心转录调控网络，多个枢纽转录因子参与蛋白稳态维持、转录后重编程和ROS解毒。热胁迫记忆涉及形态调整、生理适应、转录重编程和表观遗传修饰，HSFA2–HSP途径和H3K4me3沉积发挥核心作用。高温与干旱复合胁迫不是简单叠加，而是协同抑制光合碳同化，最终导致角果数减少、种子发育受损和含油量下降。高温还导致饱和脂肪酸比例增加，恶化油品质。升高CO₂浓度可部分缓解复合胁迫引起的光合抑制。

6. 低温胁迫
低温胁迫显著影响甘蓝型油菜的生长、产量和地理分布。低温不仅损害花和角果发育、降低花粉活力，还干扰小孢子四分体形成，最终影响产量和品质。冷驯化通过协调基因表达和代谢物积累增强耐寒性。低温条件下，ICE1（CBF表达诱导因子）上调BnCBF17等CBF基因表达，进而激活BnCOR25等下游COR基因，提高耐寒性。生长素相关基因BnPIN2和BnPIN3参与苗期低温适应。锌指蛋白（ZFPs）和非编码RNA在低温响应中发挥重要作用，ZAT12被鉴定为低温响应ZFP基因。长链非编码RNA（lncRNAs）不仅调节CBF途径，还通过CBF非依赖机制参与冷响应，在甘蓝型油菜中鉴定到11,073个lncRNAs。microRNAs是冷胁迫下基因表达调控的关键因子：miR393受低温诱导，上调冷相关基因表达；miR319在低温下下调，导致靶基因表达增加，促进脯氨酸积累并增强ROS清除系统；miR408通过调节Cu/Zn-SOD等含铜蛋白表达提高抗冷性；miR397下调导致靶基因BnaLAC2表达增加，调节木质素重塑并增强ROS清除能力。冷旱复合胁迫主要通过降低膜流动性和损害水分运输导致渗透失衡和氧化胁迫，ROS过量积累和MDA升高是膜损伤的关键指标。油菜激活SOD、CAT、POD等抗氧化酶，积累脯氨酸和可溶性糖维持渗透平衡。脂氧合酶（LOX）家族基因BraA.LOX2和BraA.LOX5.a显著上调，参与JA生物合成和胁迫信号转导，但持续或过度的LOX活性会加剧膜脂过氧化。三羧酸（TCA）循环相关枢纽基因的重新编程表明植物通过重新分配生长和能量维持资源适应复合胁迫。

7. 结论
高通量表型分析与GWAS、转录组学和代谢组学整合可解析油菜复杂性状的遗传结构。尽管已鉴定到许多与单一胁迫抗性相关的基因和QTL，仍需深入研究复合胁迫条件下的遗传网络及其互作。CRISPR/Cas9精准基因组编辑为培育气候韧性油菜品种提供了靶向高效途径。单细胞转录组技术将揭示胁迫响应的细胞异质性和细胞类型特异性基因调控网络（GRNs）。提高抗逆性但不影响产量是培育气候抗性油菜品种的主要挑战。整合多组学数据、基因组编辑技术、人工智能（AI）辅助预测和基因组选择（GS）的策略有望优化胁迫耐受性与产量的有利等位基因组合，实现兼顾高产、优质、多抗和广适性的设计育种。