2021年9月24日，（IF=53.24）刊物在線發表了來自中國科大學分子動物科學卓越創新中心/北京動物逆境生物學研究中心朱健康課題組及張惠明課題組研究員共同通信題為“in”的綜述文章，該綜述總結了最新關于動物對非生物脅迫響應的分子機制研究進展，表明動物對非生物脅迫響應是多層次和多個過程，其中包括訊號感應及傳導、轉錄及轉錄調控、翻譯和翻譯后蛋白質修飾等。最后文章還展望了未來還可能借助這種機制通過遺傳、化學和微生物方式提升作物生產力和農業可持續性。
值得注意的是，該課題組還在Cell刊物發表題為““andin”的綜述文章。而且早已榮獲高被引用文章，截至，其文章的被引次數為1451次。詳盡請參考我們公眾號報導的全文翻譯：。該課題組近幾年仍然連續在兩大權威頂級刊物上發表關于動物非生物脅迫的分子機制的綜述文章，說明了該課題在動物非生物脅迫機制研究領域仍然處在世界領先水平。
在自然界中，動物不斷遭到不利的非生物環境條件的挑戰，比如旱災、高溫、寒冷、營養欠缺以及底泥中過量的鹽分或有毒金屬濃度。那些非生物脅迫限制了全球對耕地的借助，并對小麥生產力形成了負面影響。為此，了解動物怎樣感知脅迫訊號并適應不利的環境條件對于全球糧食安全至關重要。
為了承受環境脅迫，動物進化出互相關聯的調節途徑，使它們能否及時響應和適應環境。非生物脅迫條件影響動物生理學的許多方面并導致細胞過程的廣泛變化。其中一些變化是非適應性反應，僅反映脅迫源引起的損害，比如熱或冷應激造成的膜流動性和蛋白質結構的有害變化，以及有毒離子造成的酶動力學和分子互相作用的破壞。但是，許多變化是適應性反應，可造成動物的褐變降低，因而是水稻改良的潛在目標。
圖1.動物可以在各類細胞區室中感知非生物脅迫，以啟動多個水平的響應
在該綜述中總結了目前對非生物脅迫的不同分子反應水平所涉及的誘因和過程的理解，指出了多種不同脅迫源的共同點。同時還討論了怎樣借助這種知識通過精確基因組編輯和其他方式來提升小麥性狀。
1.感應脅迫
環境脅迫可直接導致動物細胞內生物分子的化學或物理變化，進而引起細胞應激反應。并且很難證明生物分子能直接感知壓力，因而大多數假設的壓力傳感都是使用間接方式辨識的。諸如，破壞體會器的功能預計會影響第二信使的水平，比如Ca2+、ROS、一氧化氮和磷脂，而且早已設計了遺傳篩選來辨識造成這種表型的突變。非常是細胞內游離Ca2+含量快速顯示響應外部壓力的剌激特異性模式，這促使才能在抒發基于水母發光蛋白的Ca2+指標的轉基因動物的遺傳篩選中研究滲透壓、鹽和氣溫壓力的感知。
感知滲透壓的變化
旱災和酸度就會在動物細胞中誘導高滲脅迫。在擬南芥中，編碼高滲門控鈣通道OSCA1的基因在基于鈣成像的遺傳篩選中被鑒別為高滲壓體會器（見右圖）。OSCA1坐落質膜中，其功能障礙引起保衛細胞和根細胞中Ca2+流入降低、葉片蒸騰作用缺位和高滲脅迫下動物的根生長降低。小麥（馬鈴薯）和擬南芥中OSCA1家族蛋白的結構剖析為它們怎樣充當體會器提出一種可能的機制；增加的高滲條件下細胞膨壓增加在脂單層的縱向張力，致使OSCA離子通道打開和Ca2+轉運入細胞。低滲透壓也會改變細胞膜張力。在擬南芥中，MSL8是花粉中低滲應激誘導的膜張力的體會器。低滲透壓下降低的膜張力降低了MSL8打開以容許離子流出的可能性，進而保護細胞免受內部滲透壓的影響。
感知鹽含量的變化
不僅高滲脅迫之外，在腌漬底泥中生長的動物還遭到Na+誘導的離子脅迫。在擬南芥中對Na+誘導的Ca2+尖峰缺陷的動物進行的遺傳篩選鑒別了編碼MOCA1的基因中的突變。MOCA1是一種葡糖醛酸轉移酶，可在質膜中將帶負電荷的葡糖醛酸(GlcA)絡合物添加到肌醇乙酸神經丙酯(IPC))，形成的糖基肌醇乙酸神經丙酯(GIPC)鞘脂可以結合Na+陽離子，進而誘導細胞膜的去極化。MOCA1依賴性GIPC感知環境Na+含量的變化并通過仍未鑒別的Ca2+轉運蛋白形成鹽依賴性細胞內Ca2+尖峰。兩個候選的Ca2+轉運蛋白是和。
不僅引起質膜的變化外，高濁度都會通過多種途徑破壞細胞壁組織。在擬南芥中，LRX-RALF-FER模塊與感知高濁度誘導的細胞壁破壞有關（見右圖）。在正常條件下，LRX3/4/5蛋白與/23肽互相作用，避免/23肽與FER蛋白結合，進而抑制FER蛋白的內化。在鹽脅迫下，LRX3/4/5蛋白可以直接感知細胞壁中鹽誘導的變化，但是RALF肽與LRX解離以將細胞壁訊號轉導至FER蛋白，以抑制FER蛋白介導的動物生長途徑，啟動鹽脅迫反應。
圖2.鹽和旱災脅迫傳感器和訊號機制
感應氣溫變化
熱脅迫和冷脅迫都可以改變細胞磷脂膜的流動性。冷脅迫的幾個假設的傳感已被提出，如膜定位CNGC離子通道、、和通道。鑒于還介導NaCl誘導的Ca2+流入，動物對冷脅迫和高酸度的反應是否共享一個調節網路是一個有趣的懸而未決的問題。
不僅觸發細胞質游離鈣含量的瞬時下降外，氣溫應激都會導致蛋白質穩定性的變化，這意味著可能在所有細胞區室中都覺得到室溫應激。比如，在擬南芥中，冷脅迫通過CBF轉錄因子的積累誘導CBF與PIF3互相作用，以減緩phyB的降解。冷穩定phyB通過控制冷響應基因和生長相關基因的抒發來推動冷藏耐受性。據悉，擬南芥中的phyB能感知下降的氣溫以支持不同的生長模式。為此，phyB參與動物對溫暖和嚴寒氣溫的反應。
據悉，在擬南芥中，氣溫下降也可以通過轉錄阻遏物ELF3的相變來感知，ELF3控制著許多參與生長和發育的基因。ELF3對靶基因的占有率隨著氣溫的下降而減少，造成其抒發的激活。
盡管細胞膜流動性、蛋白質氫鍵和RNA二級結構會遭到冷或熱應激的影響，但只有熱脅迫常常會造成蛋白質變性，但是由此形成的錯誤折疊蛋白質被個別熱暈厥蛋白(HSP)感知。在動物的正常體溫下，這種HSP結合并制止熱應激轉錄因子(HSF)激活熱響應基因的抒發并降低各類HSP編碼基因的轉錄。但是，在下降的氣溫下，錯誤折疊的蛋白質會積累并與HSP結合，進而釋放HSF以激活熱應激反應（見右圖）。據悉，組蛋白變體H2A.Z賦于純化的核小體奇特的DNA解包特點，也已被證明對擬南芥的氣溫變化有反應。這種結果造成假定下降的體溫引起H2A.Z從核小體中解離，這降低了DNA對RNA聚合酶PolII的可及性，進而造成HSP編碼基因和其他熱響應基因的轉錄降低。
總的來說，這種研究表明，動物除了可以在細胞表面（包括細胞壁和質膜）感知非生物脅迫，還可以在細胞內區室（如細胞質和細胞核）中感知非生物脅迫。此功能可能容許對細胞內條件進行更直接的響應，并可能賦于訂制隔室特定響應的能力。
2.訊號轉導
對不利環境條件的感知會觸發特定于壓力的訊號轉導。該過程涉及第二信使的各類組合，比如Ca2+、ROS、一氧化氮和磷脂，以及蛋白質的翻譯后修飾(PTM)。該文關注ROS訊號傳導、鈣訊號傳導和蛋白質乙酸化，這是動物響應許多非生物脅迫的訊號轉導的三個主要特點。
Ca2+訊號傳導
脅迫下Ca2+會通過質膜和細胞器膜流入細胞質，造成細胞質中的Ca2+峰。在鹽脅迫期間，擬南芥中的SOS通路感知到特定的胞質Ca2+訊號（見上圖2），致使Na+從根表皮細胞輸出到底泥環境，從木制部薄壁細胞到木制部血管，長距離運輸到葉子。在SOS通路中，SOS3或與SOS2互相作用并激活SOS2，SOS2是SnRK3激酶家族（亦稱為CIPK）中的一種蛋白質。不僅被調節蛋白感知之外，Ca2+訊號還可以被轉導到鈣調蛋白結合轉錄激活因子、和，它們與CBF基因的啟動子結合并激活它們的抒發以介導冷應激反應（見右圖3).
蛋白質乙酸化
蛋白質乙酸化是動物對多種非生物脅迫一種常見的和關鍵的訊號轉導。如PP2C蛋白乙酸酶家族和SnRK2蛋白激酶亞家族的成員是多種應激訊號通路的核心參與者。它們調節各類下游蛋白質，包括轉錄因子，質膜陰離子通道SLAC1控制氣孔關掉和質膜NADPH氧化酶RbohF形成細胞外胺基化氫。不僅SnRKs，應激訊號轉導一般涉及RLKs和由MAPK、MAP2K和MAP3K組成的激酶級聯反應（如圖3）。
ROS訊號
動物對各類非生物脅迫做出反應的一個主要特點是形成ROS，包括超氧陰離子、H2O2、羥基自由基和單線態氧。雖然滲透脅迫下ROS的積累可以獨立于脅迫誘導的ABA積累發生，但H2O2的形成也許受ABA訊號通過SnRK2介導的NADPH氧化酶RbohD和RbohF激活的調節。在擬南芥中，細胞外H2O2可能被含有亮谷氨酸的重復受體激酶HPCA1（在整個動物中）和GHR1（非常是在保衛細胞中）感知以通過激活Ca2+通道形成Ca2+訊號。
系統性訊號
眾所周知，非生物脅迫條件，比如高光和滲透脅迫，會觸發動物中的系統性脅迫訊號，進而造成未曝露的遠端組織中的脅迫反應，進而造成系統性獲得性馴養。蒴果訊號同時涉及ROS和Ca2+長距離傳輸。據悉，小肽還可以介導四肢應激訊號。
3.轉錄調控
不僅通過誘導快速調整來保護動物免受非生物脅迫外，脅迫誘導的訊號轉導還誘導全基因組轉錄重編程，進而誘導其他保護機制，如滲透調節、解毒、修復應激造成的損傷和放大或減緩應激訊號。應激特異性轉錄模式通過轉錄因子聯接到上游訊號傳導。不僅脅迫特定的模式，常見的轉錄反應可以被許多不同的脅迫誘導，如嚴寒、高滲和高濁度壓力。通常來說，這種常見的應激反應基因編碼與MAPK級聯、鈣訊號、ROS、細胞自噬和蛋白質降解相關的蛋白質，并坐落不同的細胞區室。
ABA依賴性與ABA非依賴性反應
雖然成百上千的基因通過ABA訊號深受旱情、高酸度和冷脅迫的轉錄調控，但許多脅迫響應基因是由ABA非依賴性機制誘導的（見圖4a）。許多ABA調控的基因在其啟動子區域包含ABA響應順式器件(ABRE)/TC，而獨立于ABA的冷響應和旱災響應基因一般包含旱災響應順式器件(DRE)。
初期與晚期反應
一些基因，非常是這些編碼轉錄因子，顯示對脅迫快速初期反應，而有更多的基因是在應激反應后改變，但是由這種初期響應的轉錄因子驅動的（圖4a中）。在旱災、寒冷或高鹽脅迫下的擬南芥中，大多數晚反應基因編碼具有保護活性的蛋白質，比如活血酶和滲透保護劑生物合成。不僅加強應激反應外，轉錄控制還可以造成負反饋調節。比如，在旱災響應過程中，ABA誘導PP2C的轉錄基因并抑制它的一些受體基因以衰減ABA訊號轉導的轉錄。
轉錄本調控
包括剪接、加帽、聚腺苷酸化和降解在內的RNA加工步驟對于動物褐變很重要。早已發覺RNA加工機器的幾個組件的功能障礙會嚴重破壞非生物脅迫抗性，而不會對無脅迫條件下的動物功能形成嚴重后果。
脅迫導致可變剪接
動物在響應于冷和鹽脅迫會降低動物的可變剪接，正常剪接的中斷會造成功能性蛋白質的形成發生變化，進而改變動物對非生物脅迫或ABA的敏感性。如鹽脅迫會在擬南芥和玉米中的幾個組氨酸/精谷氨酸(SR)剪接因子基因中誘導選擇性剪接，因而放大剪接調節在應激反應中的作用。
脅迫造成的聚腺苷酸化變化
代替性多聚腺苷酸化發生在旱災、熱和鹽脅迫下。在高梁中，非生物脅迫處理會導致大量基因轉錄本中poly(A)位點選擇的變化，進而造成從功能性轉錄物和翻譯產物轉變為非功能性轉錄物。
脅迫造成的變化
為應對脅迫條件，動物會調整各類miRNA的水平。諸如，氧化應激轉錄抑制擬南芥，因為其目標mRNACSD1和CSD2的積累造成氧化應激耐受，這兩個基因編碼密切相關的Cu/Zn超氧化物歧化酶，可活血超氧化物自由基。
4.翻譯調控
報導的翻譯水平的應激反應包括5'內質網體暫停、翻譯起始的阻斷和內質網體的變化。在擬南芥中，熱應激造成5'內質網體暫停，引致mRNA降解，優先影響編碼HSC/HSP70分子伴侶靶標的轉錄本（圖5A）。據悉，在熱應激期間，翻譯起始被阻斷，編碼內質網體蛋白(RPs)的mRNA優先存儲和保護在應激顆粒中；在恢復過程中，這種mRNA被釋放和翻譯，以容許在依賴于伴侶蛋白（亦稱為CLPB1）的過程中快速恢復翻譯。
5.翻譯后調控應激誘導的訊號蛋白翻譯后修飾
非生物脅迫會顯著改變各種類型的PTM的水平，這種PTM控制蛋白質的定位、積累和/或活性，因而在應激反應的調節中發揮核心作用。PTMs（包括乙酸化）對預先存在的訊號蛋白（比如傳感和受體等）的調節以容許其迅速反應，但在應激誘導的轉錄后從頭合成的蛋白質上的PTMs也可以重要的。諸如，擬南芥乙酸酶EGR2一般是N-五味子?；?，這使其才能有效地與SnRK2.6互相作用并抑制SnRK2.6。但是，在冷脅迫下EGR2抒發降低及其與N-香茅酰轉移酶NMT1減小，致使N-香茅?；疎GR2被新合成的未延胡索?；疎GR2稀釋。為此，SnRK2.6從EGR2介導的抑制中釋放下來，使其才能調節冷耐受性（圖3）。
應激誘導的其他蛋白質的翻譯后修飾
PTM還控制許多對抗壓性很重要的非訊號蛋白的活性。滲透壓力和ABA訊號造成的激活，乙酸化轉錄因子、轉運蛋白和許多酶，包括參與ROS生物發生和清乘以及滲透物生物合成的酶。件下正確剪接前mRNA所必需的。
6.表觀遺傳調控應激反應和應激耐受基因受表觀遺傳標記調控
早已在許多動物物種中研究表明，表觀遺傳標記可以響應于各類非生物脅迫。表觀遺傳變化與參與動物應激反應的基因的轉錄調控相關聯。諸如，DNA烷基化缺陷的擬南芥突變體顯示啟動子DNA低烷基化，因而Na+轉運蛋白基因HKT1的抒發下降為此細胞膜流動性，降低了耐鹽性。
脅迫誘導的動物表觀遺傳模式改變也可能是表觀遺傳調節因子的變化導致的。諸如，茄子果實在冷凍過程中會喪失鮮味，由于冷凍會抑制DNA脫氨基酶基因DML2的轉錄；由此引起負責辣味揮發物生物合成的基因啟動子處DNA烷基化水平的降低造成其抒發的沉默（圖5b）。
去除脅迫造成的表觀遺傳變化
覺得非生物脅迫誘導的表觀遺傳修飾可以造成跨代應激記憶是很有吸引力的。但是，在脅迫恢復過程中，存在去除脅迫造成的表觀遺傳變化的機制。在擬南芥中，染色質重構蛋白DDM1和DNA解旋酶MOM1通過不同的機制介導表觀遺傳基因沉默：DDM1通過DNA烷基化起作用，而MOM1則沒有。熱應激誘導的表觀遺傳沉默的釋放不能傳遞給后代，除非動物同時缺少MOM1和DDM1，這表明這種蛋白質具有冗余功能以避免應激誘導的表觀遺傳狀態的跨代遺傳（圖5c）。假如后代沒有持續遭到脅迫，鹽脅迫導致的DNA烷基化變化會漸漸消失，這種變化會部份傳遞給下一代。為此，動物中脅迫誘導的表觀遺傳記憶也許是短暫的，這表明僅通過施加脅迫處理來培植抗脅迫的表觀等位基因是不可行的。
7.對水稻改良的影響借助小麥的自然遺傳變異
近些年來，通過數目性狀基因座方式和全基因組關聯研究，越來越多的小麥物種中發覺了非生物脅迫反應和天然等位基因變異的重要調節因子。通過這種方式鑒別的基因和等位基因可用于培植具有改善的環境適應能力和更高生產力的小麥。諸如，小麥、小麥()和豇豆(Zeamays)中的HKT1等位基因已被確定為控制動物耐鹽性的主要數目性狀位點，并促使標記輔助育種才能在腌漬底泥中提升稻米產值。.在美洲作物亞種Oryza中，TT1被確定為耐熱性的主要數目性狀位點，在當地適應中起重要作用。
抗逆動物的基因工程
通過下調或上調參與脅迫反應的關鍵調節因子的抒發或活性，可以對抗逆動物進行基因工程改建。雖然可以操縱分子反應的任何級別的調節劑細胞膜流動性，但大多數成功是通過蛋白激酶和其他訊號成份、轉錄因子、代謝酶和離子轉運蛋白實現的。
過抒發滲透脅迫激活和ABA激活的SnRK2基因SAPK1和SAPK2造成作物耐鹽性降低，而由-Cas基因組編輯形成的這種基因的功能失去突變體顯示耐鹽性增加，支持重要的SAPK1和SAPK2在這個過程中的作用．基于-Cas的基因編輯是一種強悍的基因工程方式，可用于小麥通過核苷酸編輯、引物編輯和靶點序列插入和替換來形成隨機小的indel突變或精確的核苷酸變化。非常是有針對性的序列插入技術使轉錄或翻譯調節序列的高效插入重要的應激反應的基因形成與降低或降低的抒發等位基因，使它成為研究和育種的寶貴工具。
在不犧牲下降的情況下提升抗壓能力
動物應激反應的調節本質上與其他重要的生物過程相協調，尤其是與生長相關的途徑。為此，降低小麥褐變一般伴隨著生長降低的不良副作用。但是，在脅迫誘導型啟動子控制下抒發脅迫耐受基因可以減少這種生長和產值損失。比如，在玉米中，在旱災誘導型啟動子的控制下過抒發轉錄因子基因增強了對脫水和高鹽脅迫的耐受性，而不會出現組成形過抒發觀察到的生長遲滯和低潮粒產值。實現脅迫響應和動物生長之間的最佳平衡對于在田間條件下增強產值穩定性的工程小麥至關重要。
保護動物免受非生物脅迫的物理干預
脅迫抗性也可以通過用影響動物脅迫反應網路分子組分活性的小分子化合物處理來調節。諸如，類似ABA的活性的物理小分子，包括與ABA受體結合、誘導氣孔關掉和激活應激反應基因的抒發。在動物中使用基因工程脅迫誘導型ABA受體可以進一步提升ABA模擬物的功效，因而實現更高水平的抗旱性。
推論和未來展望
我們對動物分子對非生物脅迫的反應的理解依然存在許多差別，非常是在脅迫傳感器、早期訊號、翻譯和翻譯后調控以及生長調控方面。可能有許多脅迫體會器仍未確定，而大多數已報導的脅迫體會器只能被覺得是假定的體會器，由于它們的生理功能和生化傳感器機制尚不清楚。據悉，我們對壓力訊號的了解是零碎的。大多數已知的訊號通路仍未聯接到脅迫體會器；對訊號通路之間的雜訊知之極少。分子遺傳學技巧和各類組學方式為我們目前的知識作出了巨大貢獻。但是，遺傳冗余和致死率，以及剖析生物大數據的能力有限，對充分揭示動物應激反應途徑和調控網路的嘗試構成了重大挑戰。基因組編輯工具和人工智能將有助于解決那些問題。據悉，須要單細胞組學和其他細胞特異性和組織特異性方式以及原位和實時成像剖析方式來了解對非生物脅迫的動態分子反應的時空復雜性。
據悉，根系微生物群中的許多有益底泥微生物才能提高動物對旱災和其他非生物脅迫的抵抗力，但其潛在的分子機制大多未知。結合遺傳、化學和微生物策略的綜合方式可以為培植具有高褐變和高生產力的動物提供解決方案（圖6）。破譯有益微生物保護作用背后的分子機制可能會造成新的策略來提升遺傳、化學和微生物方式的功效。
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