2021年9月24日，（IF=53.24）刊物在线发表了来自中国科大学分子动物科学卓越创新中心/北京动物逆境生物学研究中心朱健康课题组及张惠明课题组研究员共同通信题为“in”的综述文章，该综述总结了最新关于动物对非生物胁迫响应的分子机制研究进展，表明动物对非生物胁迫响应是多层次和多个过程，其中包括讯号感应及传导、转录及转录调控、翻译和翻译后蛋白质修饰等。最后文章还展望了未来还可能借助这种机制通过遗传、化学和微生物方式提升作物生产力和农业可持续性。
值得注意的是，该课题组还在Cell刊物发表题为““andin”的综述文章。而且早已荣获高被引用文章，截至，其文章的被引次数为1451次。详尽请参考我们公众号报导的全文翻译：。该课题组近几年仍然连续在两大权威顶级刊物上发表关于动物非生物胁迫的分子机制的综述文章，说明了该课题在动物非生物胁迫机制研究领域仍然处在世界领先水平。
在自然界中，动物不断遭到不利的非生物环境条件的挑战，比如旱灾、高温、寒冷、营养欠缺以及底泥中过量的盐分或有毒金属浓度。那些非生物胁迫限制了全球对耕地的借助，并对小麦生产力形成了负面影响。为此，了解动物怎样感知胁迫讯号并适应不利的环境条件对于全球粮食安全至关重要。
为了承受环境胁迫，动物进化出互相关联的调节途径，使它们能否及时响应和适应环境。非生物胁迫条件影响动物生理学的许多方面并导致细胞过程的广泛变化。其中一些变化是非适应性反应，仅反映胁迫源引起的损害，比如热或冷应激造成的膜流动性和蛋白质结构的有害变化，以及有毒离子造成的酶动力学和分子互相作用的破坏。但是，许多变化是适应性反应，可造成动物的褐变降低，因而是水稻改良的潜在目标。
图1.动物可以在各类细胞区室中感知非生物胁迫，以启动多个水平的响应
在该综述中总结了目前对非生物胁迫的不同分子反应水平所涉及的诱因和过程的理解，指出了多种不同胁迫源的共同点。同时还讨论了怎样借助这种知识通过精确基因组编辑和其他方式来提升小麦性状。
1.感应胁迫
环境胁迫可直接导致动物细胞内生物分子的化学或物理变化，进而引起细胞应激反应。并且很难证明生物分子能直接感知压力，因而大多数假设的压力传感都是使用间接方式辨识的。诸如，破坏体会器的功能预计会影响第二信使的水平，比如Ca2+、ROS、一氧化氮和磷脂，而且早已设计了遗传筛选来辨识造成这种表型的突变。非常是细胞内游离Ca2+含量快速显示响应外部压力的剌激特异性模式，这促使才能在抒发基于水母发光蛋白的Ca2+指标的转基因动物的遗传筛选中研究渗透压、盐和气温压力的感知。
感知渗透压的变化
旱灾和酸度就会在动物细胞中诱导高渗胁迫。在拟南芥中，编码高渗门控钙通道OSCA1的基因在基于钙成像的遗传筛选中被鉴别为高渗压体会器（见右图）。OSCA1坐落质膜中，其功能障碍引起保卫细胞和根细胞中Ca2+流入降低、叶片蒸腾作用缺位和高渗胁迫下动物的根生长降低。小麦（马铃薯）和拟南芥中OSCA1家族蛋白的结构剖析为它们怎样充当体会器提出一种可能的机制；增加的高渗条件下细胞膨压增加在脂单层的纵向张力，致使OSCA离子通道打开和Ca2+转运入细胞。低渗透压也会改变细胞膜张力。在拟南芥中，MSL8是花粉中低渗应激诱导的膜张力的体会器。低渗透压下降低的膜张力降低了MSL8打开以容许离子流出的可能性，进而保护细胞免受内部渗透压的影响。
感知盐含量的变化
不仅高渗胁迫之外，在腌渍底泥中生长的动物还遭到Na+诱导的离子胁迫。在拟南芥中对Na+诱导的Ca2+尖峰缺陷的动物进行的遗传筛选鉴别了编码MOCA1的基因中的突变。MOCA1是一种葡糖醛酸转移酶，可在质膜中将带负电荷的葡糖醛酸(GlcA)络合物添加到肌醇乙酸神经丙酯(IPC))，形成的糖基肌醇乙酸神经丙酯(GIPC)鞘脂可以结合Na+阳离子，进而诱导细胞膜的去极化。MOCA1依赖性GIPC感知环境Na+含量的变化并通过仍未鉴别的Ca2+转运蛋白形成盐依赖性细胞内Ca2+尖峰。两个候选的Ca2+转运蛋白是和。
不仅引起质膜的变化外，高浊度都会通过多种途径破坏细胞壁组织。在拟南芥中，LRX-RALF-FER模块与感知高浊度诱导的细胞壁破坏有关（见右图）。在正常条件下，LRX3/4/5蛋白与/23肽互相作用，避免/23肽与FER蛋白结合，进而抑制FER蛋白的内化。在盐胁迫下，LRX3/4/5蛋白可以直接感知细胞壁中盐诱导的变化，但是RALF肽与LRX解离以将细胞壁讯号转导至FER蛋白，以抑制FER蛋白介导的动物生长途径，启动盐胁迫反应。
图2.盐和旱灾胁迫传感器和讯号机制
感应气温变化
热胁迫和冷胁迫都可以改变细胞磷脂膜的流动性。冷胁迫的几个假设的传感已被提出，如膜定位CNGC离子通道、、和通道。鉴于还介导NaCl诱导的Ca2+流入，动物对冷胁迫和高酸度的反应是否共享一个调节网路是一个有趣的悬而未决的问题。
不仅触发细胞质游离钙含量的瞬时下降外，气温应激都会导致蛋白质稳定性的变化，这意味着可能在所有细胞区室中都觉得到室温应激。比如，在拟南芥中，冷胁迫通过CBF转录因子的积累诱导CBF与PIF3互相作用，以减缓phyB的降解。冷稳定phyB通过控制冷响应基因和生长相关基因的抒发来推动冷藏耐受性。据悉，拟南芥中的phyB能感知下降的气温以支持不同的生长模式。为此，phyB参与动物对温暖和严寒气温的反应。
据悉，在拟南芥中，气温下降也可以通过转录阻遏物ELF3的相变来感知，ELF3控制着许多参与生长和发育的基因。ELF3对靶基因的占有率随着气温的下降而减少，造成其抒发的激活。
尽管细胞膜流动性、蛋白质氢键和RNA二级结构会遭到冷或热应激的影响，但只有热胁迫常常会造成蛋白质变性，但是由此形成的错误折叠蛋白质被个别热晕厥蛋白(HSP)感知。在动物的正常体温下，这种HSP结合并制止热应激转录因子(HSF)激活热响应基因的抒发并降低各类HSP编码基因的转录。但是，在下降的气温下，错误折叠的蛋白质会积累并与HSP结合，进而释放HSF以激活热应激反应（见右图）。据悉，组蛋白变体H2A.Z赋于纯化的核小体奇特的DNA解包特点，也已被证明对拟南芥的气温变化有反应。这种结果造成假定下降的体温引起H2A.Z从核小体中解离，这降低了DNA对RNA聚合酶PolII的可及性，进而造成HSP编码基因和其他热响应基因的转录降低。
总的来说，这种研究表明，动物除了可以在细胞表面（包括细胞壁和质膜）感知非生物胁迫，还可以在细胞内区室（如细胞质和细胞核）中感知非生物胁迫。此功能可能容许对细胞内条件进行更直接的响应，并可能赋于订制隔室特定响应的能力。
2.讯号转导
对不利环境条件的感知会触发特定于压力的讯号转导。该过程涉及第二信使的各类组合，比如Ca2+、ROS、一氧化氮和磷脂，以及蛋白质的翻译后修饰(PTM)。该文关注ROS讯号传导、钙讯号传导和蛋白质乙酸化，这是动物响应许多非生物胁迫的讯号转导的三个主要特点。
Ca2+讯号传导
胁迫下Ca2+会通过质膜和细胞器膜流入细胞质，造成细胞质中的Ca2+峰。在盐胁迫期间，拟南芥中的SOS通路感知到特定的胞质Ca2+讯号（见上图2），致使Na+从根表皮细胞输出到底泥环境，从木制部薄壁细胞到木制部血管，长距离运输到叶子。在SOS通路中，SOS3或与SOS2互相作用并激活SOS2，SOS2是SnRK3激酶家族（亦称为CIPK）中的一种蛋白质。不仅被调节蛋白感知之外，Ca2+讯号还可以被转导到钙调蛋白结合转录激活因子、和，它们与CBF基因的启动子结合并激活它们的抒发以介导冷应激反应（见右图3).
蛋白质乙酸化
蛋白质乙酸化是动物对多种非生物胁迫一种常见的和关键的讯号转导。如PP2C蛋白乙酸酶家族和SnRK2蛋白激酶亚家族的成员是多种应激讯号通路的核心参与者。它们调节各类下游蛋白质，包括转录因子，质膜阴离子通道SLAC1控制气孔关掉和质膜NADPH氧化酶RbohF形成细胞外胺基化氢。不仅SnRKs，应激讯号转导一般涉及RLKs和由MAPK、MAP2K和MAP3K组成的激酶级联反应（如图3）。
ROS讯号
动物对各类非生物胁迫做出反应的一个主要特点是形成ROS，包括超氧阴离子、H2O2、羟基自由基和单线态氧。虽然渗透胁迫下ROS的积累可以独立于胁迫诱导的ABA积累发生，但H2O2的形成也许受ABA讯号通过SnRK2介导的NADPH氧化酶RbohD和RbohF激活的调节。在拟南芥中，细胞外H2O2可能被含有亮谷氨酸的重复受体激酶HPCA1（在整个动物中）和GHR1（非常是在保卫细胞中）感知以通过激活Ca2+通道形成Ca2+讯号。
系统性讯号
众所周知，非生物胁迫条件，比如高光和渗透胁迫，会触发动物中的系统性胁迫讯号，进而造成未曝露的远端组织中的胁迫反应，进而造成系统性获得性驯养。蒴果讯号同时涉及ROS和Ca2+长距离传输。据悉，小肽还可以介导四肢应激讯号。
3.转录调控
不仅通过诱导快速调整来保护动物免受非生物胁迫外，胁迫诱导的讯号转导还诱导全基因组转录重编程，进而诱导其他保护机制，如渗透调节、解毒、修复应激造成的损伤和放大或减缓应激讯号。应激特异性转录模式通过转录因子联接到上游讯号传导。不仅胁迫特定的模式，常见的转录反应可以被许多不同的胁迫诱导，如严寒、高渗和高浊度压力。通常来说，这种常见的应激反应基因编码与MAPK级联、钙讯号、ROS、细胞自噬和蛋白质降解相关的蛋白质，并坐落不同的细胞区室。
ABA依赖性与ABA非依赖性反应
虽然成百上千的基因通过ABA讯号深受旱情、高酸度和冷胁迫的转录调控，但许多胁迫响应基因是由ABA非依赖性机制诱导的（见图4a）。许多ABA调控的基因在其启动子区域包含ABA响应顺式器件(ABRE)/TC，而独立于ABA的冷响应和旱灾响应基因一般包含旱灾响应顺式器件(DRE)。
初期与晚期反应
一些基因，非常是这些编码转录因子，显示对胁迫快速初期反应，而有更多的基因是在应激反应后改变，但是由这种初期响应的转录因子驱动的（图4a中）。在旱灾、寒冷或高盐胁迫下的拟南芥中，大多数晚反应基因编码具有保护活性的蛋白质，比如活血酶和渗透保护剂生物合成。不仅加强应激反应外，转录控制还可以造成负反馈调节。比如，在旱灾响应过程中，ABA诱导PP2C的转录基因并抑制它的一些受体基因以衰减ABA讯号转导的转录。
转录本调控
包括剪接、加帽、聚腺苷酸化和降解在内的RNA加工步骤对于动物褐变很重要。早已发觉RNA加工机器的几个组件的功能障碍会严重破坏非生物胁迫抗性，而不会对无胁迫条件下的动物功能形成严重后果。
胁迫导致可变剪接
动物在响应于冷和盐胁迫会降低动物的可变剪接，正常剪接的中断会造成功能性蛋白质的形成发生变化，进而改变动物对非生物胁迫或ABA的敏感性。如盐胁迫会在拟南芥和玉米中的几个组氨酸/精谷氨酸(SR)剪接因子基因中诱导选择性剪接，因而放大剪接调节在应激反应中的作用。
胁迫造成的聚腺苷酸化变化
代替性多聚腺苷酸化发生在旱灾、热和盐胁迫下。在高梁中，非生物胁迫处理会导致大量基因转录本中poly(A)位点选择的变化，进而造成从功能性转录物和翻译产物转变为非功能性转录物。
胁迫造成的变化
为应对胁迫条件，动物会调整各类miRNA的水平。诸如，氧化应激转录抑制拟南芥，因为其目标mRNACSD1和CSD2的积累造成氧化应激耐受，这两个基因编码密切相关的Cu/Zn超氧化物歧化酶，可活血超氧化物自由基。
4.翻译调控
报导的翻译水平的应激反应包括5'内质网体暂停、翻译起始的阻断和内质网体的变化。在拟南芥中，热应激造成5'内质网体暂停，引致mRNA降解，优先影响编码HSC/HSP70分子伴侣靶标的转录本（图5A）。据悉，在热应激期间，翻译起始被阻断，编码内质网体蛋白(RPs)的mRNA优先存储和保护在应激颗粒中；在恢复过程中，这种mRNA被释放和翻译，以容许在依赖于伴侣蛋白（亦称为CLPB1）的过程中快速恢复翻译。
5.翻译后调控应激诱导的讯号蛋白翻译后修饰
非生物胁迫会显着改变各种类型的PTM的水平，这种PTM控制蛋白质的定位、积累和/或活性，因而在应激反应的调节中发挥核心作用。PTMs（包括乙酸化）对预先存在的讯号蛋白（比如传感和受体等）的调节以容许其迅速反应，但在应激诱导的转录后从头合成的蛋白质上的PTMs也可以重要的。诸如，拟南芥乙酸酶EGR2一般是N-五味子酰化的，这使其才能有效地与SnRK2.6互相作用并抑制SnRK2.6。但是，在冷胁迫下EGR2抒发降低及其与N-香茅酰转移酶NMT1减小，致使N-香茅酰化EGR2被新合成的未延胡索酰化EGR2稀释。为此，SnRK2.6从EGR2介导的抑制中释放下来，使其才能调节冷耐受性（图3）。
应激诱导的其他蛋白质的翻译后修饰
PTM还控制许多对抗压性很重要的非讯号蛋白的活性。渗透压力和ABA讯号造成的激活，乙酸化转录因子、转运蛋白和许多酶，包括参与ROS生物发生和清乘以及渗透物生物合成的酶。件下正确剪接前mRNA所必需的。
6.表观遗传调控应激反应和应激耐受基因受表观遗传标记调控
早已在许多动物物种中研究表明，表观遗传标记可以响应于各类非生物胁迫。表观遗传变化与参与动物应激反应的基因的转录调控相关联。诸如，DNA烷基化缺陷的拟南芥突变体显示启动子DNA低烷基化，因而Na+转运蛋白基因HKT1的抒发下降为此细胞膜流动性，降低了耐盐性。
胁迫诱导的动物表观遗传模式改变也可能是表观遗传调节因子的变化导致的。诸如，茄子果实在冷冻过程中会丧失鲜味，由于冷冻会抑制DNA脱氨基酶基因DML2的转录；由此引起负责辣味挥发物生物合成的基因启动子处DNA烷基化水平的降低造成其抒发的沉默（图5b）。
去除胁迫造成的表观遗传变化
觉得非生物胁迫诱导的表观遗传修饰可以造成跨代应激记忆是很有吸引力的。但是，在胁迫恢复过程中，存在去除胁迫造成的表观遗传变化的机制。在拟南芥中，染色质重构蛋白DDM1和DNA解旋酶MOM1通过不同的机制介导表观遗传基因沉默：DDM1通过DNA烷基化起作用，而MOM1则没有。热应激诱导的表观遗传沉默的释放不能传递给后代，除非动物同时缺少MOM1和DDM1，这表明这种蛋白质具有冗余功能以避免应激诱导的表观遗传状态的跨代遗传（图5c）。假如后代没有持续遭到胁迫，盐胁迫导致的DNA烷基化变化会渐渐消失，这种变化会部份传递给下一代。为此，动物中胁迫诱导的表观遗传记忆也许是短暂的，这表明仅通过施加胁迫处理来培植抗胁迫的表观等位基因是不可行的。
7.对水稻改良的影响借助小麦的自然遗传变异
近些年来，通过数目性状基因座方式和全基因组关联研究，越来越多的小麦物种中发觉了非生物胁迫反应和天然等位基因变异的重要调节因子。通过这种方式鉴别的基因和等位基因可用于培植具有改善的环境适应能力和更高生产力的小麦。诸如，小麦、小麦()和豇豆(Zeamays)中的HKT1等位基因已被确定为控制动物耐盐性的主要数目性状位点，并促使标记辅助育种才能在腌渍底泥中提升稻米产值。.在美洲作物亚种Oryza中，TT1被确定为耐热性的主要数目性状位点，在当地适应中起重要作用。
抗逆动物的基因工程
通过下调或上调参与胁迫反应的关键调节因子的抒发或活性，可以对抗逆动物进行基因工程改建。虽然可以操纵分子反应的任何级别的调节剂细胞膜流动性，但大多数成功是通过蛋白激酶和其他讯号成份、转录因子、代谢酶和离子转运蛋白实现的。
过抒发渗透胁迫激活和ABA激活的SnRK2基因SAPK1和SAPK2造成作物耐盐性降低，而由-Cas基因组编辑形成的这种基因的功能失去突变体显示耐盐性增加，支持重要的SAPK1和SAPK2在这个过程中的作用．基于-Cas的基因编辑是一种强悍的基因工程方式，可用于小麦通过核苷酸编辑、引物编辑和靶点序列插入和替换来形成随机小的indel突变或精确的核苷酸变化。非常是有针对性的序列插入技术使转录或翻译调节序列的高效插入重要的应激反应的基因形成与降低或降低的抒发等位基因，使它成为研究和育种的宝贵工具。
在不牺牲下降的情况下提升抗压能力
动物应激反应的调节本质上与其他重要的生物过程相协调，尤其是与生长相关的途径。为此，降低小麦褐变一般伴随着生长降低的不良副作用。但是，在胁迫诱导型启动子控制下抒发胁迫耐受基因可以减少这种生长和产值损失。比如，在玉米中，在旱灾诱导型启动子的控制下过抒发转录因子基因增强了对脱水和高盐胁迫的耐受性，而不会出现组成形过抒发观察到的生长迟滞和低潮粒产值。实现胁迫响应和动物生长之间的最佳平衡对于在田间条件下增强产值稳定性的工程小麦至关重要。
保护动物免受非生物胁迫的物理干预
胁迫抗性也可以通过用影响动物胁迫反应网路分子组分活性的小分子化合物处理来调节。诸如，类似ABA的活性的物理小分子，包括与ABA受体结合、诱导气孔关掉和激活应激反应基因的抒发。在动物中使用基因工程胁迫诱导型ABA受体可以进一步提升ABA模拟物的功效，因而实现更高水平的抗旱性。
推论和未来展望
我们对动物分子对非生物胁迫的反应的理解依然存在许多差别，非常是在胁迫传感器、早期讯号、翻译和翻译后调控以及生长调控方面。可能有许多胁迫体会器仍未确定，而大多数已报导的胁迫体会器只能被觉得是假定的体会器，由于它们的生理功能和生化传感器机制尚不清楚。据悉，我们对压力讯号的了解是零碎的。大多数已知的讯号通路仍未联接到胁迫体会器；对讯号通路之间的杂讯知之极少。分子遗传学技巧和各类组学方式为我们目前的知识作出了巨大贡献。但是，遗传冗余和致死率，以及剖析生物大数据的能力有限，对充分揭示动物应激反应途径和调控网路的尝试构成了重大挑战。基因组编辑工具和人工智能将有助于解决那些问题。据悉，须要单细胞组学和其他细胞特异性和组织特异性方式以及原位和实时成像剖析方式来了解对非生物胁迫的动态分子反应的时空复杂性。
据悉，根系微生物群中的许多有益底泥微生物才能提高动物对旱灾和其他非生物胁迫的抵抗力，但其潜在的分子机制大多未知。结合遗传、化学和微生物策略的综合方式可以为培植具有高褐变和高生产力的动物提供解决方案（图6）。破译有益微生物保护作用背后的分子机制可能会造成新的策略来提升遗传、化学和微生物方式的功效。
论文链接：