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近日，中国农业科学院茶叶研究所王新超团队在Trends in Plant Science在线发表了题为The role of ethylene in plant temperature stress response的长篇综述论文（茶树遗传育种创新团队黄建燕专职研究员为第一作者、王新超研究员和黄建燕专职研究员为共同通讯作者）。该论文系统总结了目前乙烯合成和信号转导途径的最新研究进展，详细剖析了不同温度胁迫对乙烯合成的影响以及乙烯信号转导途径在植物响应不同温度胁迫中的作用及其调控机制，还阐释了乙烯和其他植物激素在植物温度胁迫响应中的交叉影响，同时也对通过优化乙烯合成和信号转导途径来培育耐温度胁迫作物可采取的策略和存在的未解决问题进行了总结和展望。
温度影响植物的季节性生长和地理分布，当温度超过或低于植物生理最佳范围时，就会发生温度胁迫（包括高温胁迫和低温胁迫等），从而对植物的生长、发育和产量造成不可逆转的影响。由于全球气候变化，极端温度频繁发生，温度胁迫已经成为作物生产的主要威胁之一。乙烯是一种气态植物激素，在植物的生长发育和逆境胁迫响应中发挥着重要的作用。该论文首先回顾了植物体内乙烯生物合成途径并总结了乙烯信号转导途径领域的最新研究进展。乙烯合成途径始于S-腺苷-L-蛋氨酸合成酶将蛋氨酸转化为S-腺苷-L-蛋氨酸（SAM），然后通过ACC合酶将SAM转化为1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）。ACC被ACC氧化酶进一步氧化产生乙烯。最新研究结果表明，除了典型的线性乙烯信号转导途径，植物体内还存在多条非典型信号转导途径来调控乙烯激活和乙烯抑制基因的表达（图1）。
图1：乙烯的生物合成途径及其信号转导通路
该论文接着对高温胁迫如何影响乙烯生物合成，以及乙烯信号转导参与高温胁迫响应调节的途径进行了系统总结分析。高温胁迫会影响植物体内的乙烯含量，但影响的方式因植物种类、不同组织器官和高温胁迫程度而异。乙烯信号转导缺陷突变体在高温胁迫下的表型揭示了乙烯信号转导途径在植物的高温胁迫响应中的重要作用。乙烯响应因子AP2/ERF家族的一些成员参与了高温胁迫响应过程中对热激转录因子HSFs和热激蛋白HSPs的调控，是乙烯信号转导和高温胁迫响应途径的重要交叉节点（图2）。
图2：乙烯介导的高温胁迫响应调控模型
除了高温胁迫，该论文也对低温胁迫如何影响乙烯的生物合成，以及乙烯信号转导和已知低温胁迫响应调控途径之间的交叉作用进行了系统总结（图3）。目前研究结果表明乙烯在不同植物低温胁迫响应中可能既起到了正调控又起到了负调控作用，乙烯在特定植物物种低温胁迫响应中的作用值得进一步深入研究。CBF是AP2/ERF家族参与低温胁迫响应的最著名成员，CBF依赖的冷信号通路得到了广泛的研究。ERF既可以通过CBF依赖的冷信号通路，也可以通过CBF非依赖的冷信号通路来参与低温胁迫响应调控。尽管有越来越多的AP2/ERF基因被鉴定出来参与低温胁迫，但是大多数AP2/ERF家族成员是否在温度胁迫响应中发挥作用以及作用机制仍然未知，并且不同AP2/ERF家族成员之间如何相互协调来参与温度胁迫的详细机制尚未建立。因此，未来除了研究单个AP2/ERF基因的功能外，还需要研究不同AP2/ERF家族成员在温度胁迫响应中的相互关系。
图3：乙烯介导的低温胁迫响应调控模型
论文还对乙烯和其它激素在温度胁迫响应中的交叉作用进行了总结（图4）。乙烯和其他植物激素之间的相互交叉通常发生在两个层面，第一是EIN3/EIL1对温度胁迫响应相关基因的转录调控，第二是作用于多种植物激素下游的ERF成员介导的温度胁迫响应调控。虽然多种植物激素参与温度胁迫，但是不同激素之间的交叉节点还有待进一步的挖掘。该论文对进一步研究揭示乙烯参与温度胁迫响应调控的功能并利用相关知识来改良植物的抗逆性具有重要的意义。
图4：不同激素在植物温度胁迫响应中的交叉作用
本论文其他作者还包括浙江大学赵晓波研究员、美国索尔克生物研究所Marco Bürger博士和Joanne Chory教授。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央级公益性科研院所基本科研业务费、中国农业科学院农业科技创新工程和浙江省农业新品种育种科技重大计划-茶树等项目的资助。
王新超团队长期从事茶树抗寒机理的研究，获得10多项包括国家自然科学基金区域创新联合基金重点项目、面上项目及青年基金等的资助，从品种、生理、代谢和分子等多个层面对茶树抗寒性的机制进行了系统研究，在Nature Communications、Plant Biotechnology J等期刊上发表了一系列论文。
论文链接：
https://www.cell.com/trends/plant-science/fulltext/S1360-1385(23)00081-X
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