結構生物化學/細胞器/植物細胞/熱脅迫響應

介紹

植物中的熱脅迫響應 (HSR) 涉及不同細胞區室中發生的複雜網路。科學家一直在試圖弄清楚哪個是主要的熱感測器，它會在熱脅迫下啟動熱脅迫響應基因的轉錄。到目前為止，科學家預測植物中至少有四個主要的熱感測器可以啟用一組相似的 HSR 基因，從而有助於提高植物的耐熱性，包括質膜通道、內質網中的未摺疊蛋白感測器、細胞質中的未摺疊蛋白感測器和細胞核中的組蛋白感測器。 然而，這四個熱感測器之間的關係仍然未知。

熱脅迫對植物的重要性

1. 熱量在植物發育、生長、繁殖和受精中起著至關重要的作用，尤其是在不利條件下。參與繁殖的植物組織特別容易受到熱量的暴露。

2. 植物是固著生物，無法逃避熱量。它們的代謝是獨一無二的，因為它們適應了自身的代謝來抵消這一劣勢。

3. 植物中的細胞和細胞器經過設計，可以抵抗和防止熱量引起的損傷。

4. 關於植物熱脅迫的研究有助於農業。可以根據這些研究制定防止熱損傷的必要措施。在熱脅迫下，植物會啟用程式性細胞死亡，這會導致葉片脫落、花朵不開、果實產量低甚至植物死亡。此外，植物的生殖組織對熱量特別敏感。溫度相差幾度會導致該季節沒有作物。這會對經濟造成巨大的負面影響。 據估計，1980 年和 1988 年的美國熱浪導致的總損失約為 550 億美元和 710 億美元。

熱脅迫對植物的影響

熱脅迫對植物細胞中不同的組分有某些影響，例如膜的穩定性、蛋白質、RNA 和細胞骨架結構。它還會改變化學反應的進行方式，例如代謝系統中的酶促反應。由於這些組分的變化，植物細胞的代謝過程變得不平衡。代謝物的混亂狀態會導致不需要的副產物，例如活性氧 (ROS)。

作為對周圍溫度變化的反應，植物會重新程式設計其轉錄組、蛋白質組、代謝組和脂質組。此操作基本上會導致某些轉錄物、代謝物和脂質的組成發生變化，這有助於植物重置新的代謝平衡，以便即使在非常高的溫度下，細胞也能存活和正常發揮功能。 此外，當溫度恢復正常時，植物細胞可以逆轉重新程式設計過程，並恢復適合當前溫度的原始代謝平衡。此外，植物還可以根據熱脅迫程式設計細胞死亡，例如導致葉片脫落。

植物中熱響應的型別

為了研究植物中的熱響應，已對植物進行了多種熱處理。Ron Mittler* 的文章“植物如何感受熱量”中提到了三種主要的熱處理：無預處理、逐步預處理和逐漸預處理。

在“無預處理”處理中，將植物置於一系列嚴重的熱脅迫下。例如，將通常在 21 ^oC 下生長的植物置於 42-45 ^oC 的環境中 0.5 到 1 小時。然後在處理後 5-7 天測量植物存活率，以確定熱脅迫的影響。 由於施加了這一系列嚴重的熱量，植物會很快死亡（指數衰減）。植物在這種處理後存活的能力被稱為基礎耐熱性，即植物在沒有任何預處理的情況下感知和適應極端熱量的能力。

“逐步預處理”使植物處於中等熱脅迫環境中。首先讓植物在 21 _oC 下生長，然後將其置於 36-38 _oC 的溫度下 1.5 小時。然後，它們在恢復到 21 _oC 的正常溫度 2 小時後，再將其置於 45 _oC 的高溫下。它們在這種條件下（預處理後）的存活能力被稱為獲得性耐熱性。

“逐漸預處理”是指溫度逐漸且穩定地升高，直到達到與 45 _oC 的極端熱量相同的溫度。這應該模擬自然界中觀察到的情況。在這種條件下的植物也表現出獲得性耐熱性。對於擬南芥來說，逐漸預處理將存活率提高了 10% 以上。它優於無預處理熱脅迫和逐步預處理溫度變化。

最後一種熱處理是“增溫”，它不被認為是熱脅迫處理之一。在增溫處理過程中，植物最初的溫度低於標準生長溫度 12 _oC，而不是 21 _oC。然後，它們暴露在略高於其正常生長溫度的溫度下，因此它們不是在 21 _oC 下生長，而是在 27 _oC 下生長。然而，這種與正常情況相比的溫度變化幅度很小，不被認為是熱脅迫，因為植物在增溫情況下實際上不會表達 HSR 標記。一般來說，增溫允許更長時間的適應和發育的重新程式設計，包括早花或落葉。

從這種實驗設定中得出的重要結論是，不同的加熱處理會引發不同的轉錄組反應。這表明可能存在獨立的熱感測器和訊號通路，啟用對溫度升高的特定反應。

植物感知熱量

當擬南芥（ *A. thaliana* ）遇到外界溫度升高時，其較大的表面積與體積比使得幾乎所有植物細胞中的大分子，例如蛋白質複合物、膜和核酸聚合物，能夠立即感知到熱量。正如宇宙中所有物質一樣，熱量的引入會提高大分子的動能。這最終導致大分子的可逆物理變化。某些大分子不僅能“感知”熱量，還能差異性地觸發獨特的訊號通路，該通路可特異性上調數百個熱激反應 (HSR) 基因 。

植物利用兩種基本途徑來介導熱脅迫：1. 特定感測器中的直接效應：充當感測器分子的特定大分子可能受到熱量的直接影響。這在溫度引起其四級和三級結構變化時被觀察到。2. 特定感測器中的間接效應：在這種途徑中，特定的大分子感測器由於熱量對細胞其他成分的影響而受到熱量的間接影響。例如，溫度引起的膜流動性變化可能會影響嵌入其中的膜蛋白。這是間接的，因為膜蛋白實際上受到熱量影響，但只有在質膜流動性發生變化時才發生改變。

質膜中的熱量感知

當溫度升高時，質膜的流動性會增加。科學家們發現，質膜流動性的增加會啟用鈣通道，從而導致鈣離子流入細胞。這是苔蘚植物 *Physcomitrella patens* 中主要的熱量感知事件 。 這是檢測熱量的機制。然而，植物細胞中的實際熱脅迫感測器仍然未知。擬南芥基因組編碼了超過 40 個鈣通道，其中許多已知位於質膜中。這些鈣通道的存在強烈表明鈣離子是負責感知熱量的物質。

除了啟用鈣通道，膜流動性的變化也可能由於溫度變化而觸發脂質訊號傳導。

熱脅迫引起的鈣離子內流如何調節植物中的多個訊號通路？

在擬南芥中，已知以下 4 種途徑會發生：

蛋白質激酶的機制

1. 鈣調蛋白 AtCaM3 訊號傳導熱脅迫，並且它本身參與啟用不同的轉錄因子，例如 WRKY39 和 HSF 。

2. 熱量訊號傳導可能觸發連鎖反應。已知鈣離子內流會啟用獨特的鈣依賴性蛋白激酶或 ROS 產生酶 NADPH 氧化酶。蛋白激酶是一種激酶酶，透過在其他蛋白質上化學新增磷酸基團來修飾它們。

3. AtCaM3 啟用鈣/鈣調蛋白結合蛋白激酶。這種蛋白激酶使 HSFA1a 磷酸化。

4. HSP90/FKBP 依賴性激酶也可以介導鈣結合到鈣調蛋白引起的 HSF 磷酸化 。

脂質訊號傳導

除了質膜中離子通道的啟用，熱量增加引起的膜流動性變化也可能觸發脂質訊號傳導。在熱脅迫期間，磷脂酶 D (PLD) 和磷脂醯肌醇 4-磷酸 5-激酶 (PIPK) 被啟用。脂質訊號分子，如磷脂酸、D-肌醇-1,4,5-三磷酸 (IP3) 和磷脂醯肌醇 4-磷酸 (PIP2)，開始在熱脅迫期間積累，並觸發鈣通道開放，導致鈣離子內流。值得注意的是，磷脂酶 C9 活性的降低與 IP3 濃度降低、sHSP 下調和耐熱性降低相關。

脂質訊號傳導對熱脅迫的響應與質膜通道之間的機制關係（無論是直接還是間接）尚不清楚。熱脅迫感知和訊號傳導響應事件的時序也仍然是一個待解決的問題。訊號通路很可能在質膜中負責感知熱脅迫的機制的下游起作用。

組蛋白佔據率的變化

組蛋白是幫助包裝 DNA 的蛋白質。在野生型植物中，溫度升高會導致某些組蛋白濃度顯著下降，例如 H2A.Z，它包含可能觸發轉錄組變化的核小體，從而啟動 HSR 基因。科學家還發現，H2A.Z 組蛋白濃度的下降也可能導致特定轉錄因子或其他調節蛋白表達的變化，從而啟動轉錄組響應。在篩選熱量感知受損的突變體後，發現 ARP6 基因可能負責介導對溫度變化的響應。ARP6 編碼 SWR1 亞基，該亞基是將 H2A.Z 插入核小體而不是 H2A 所必需的。研究表明，野生型植物的升溫會導致核小體中 H2A.Z 佔據率顯著下降，而升溫誘導基因的轉錄由此開始。由於組蛋白數量較少，因此允許更多這些升溫誘導基因的轉錄。某些 HSP 啟動子中 H2A.Z 佔據率的降低也會影響轉錄因子和其他調節蛋白的表達和 DNA 結合能力，最終誘導轉錄組響應。然而，尚不清楚組蛋白的佔據率是否是與獲得性耐熱性相關的熱量感知的原因。 ^[5] 。

未摺疊蛋白響應

熱脅迫可能會啟用內質網和胞質溶膠中的未摺疊蛋白響應 (UPR)，從而啟動熱脅迫響應 (HSR)。UPR 是蛋白質穩定性減弱。在內質網途徑中，未摺疊的蛋白質可以進入細胞核，從而影響某些基因的轉錄。這將導致內質網伴侶轉錄本的積累，從而改變細胞的代謝以適應熱量。 除了熱脅迫，UPR 也可以被導致 UPR 的特定化學物質或某些非生物因素的變化啟用。 由於在輕度熱條件下，很少有未摺疊的蛋白質和 HSR 伴侶存在，因此 UPR 被認為不如質膜熱量響應敏感。

ROS 訊號傳導

不同的代謝途徑可能依賴於對不必要的熱量具有不同響應性的酶。由此，人們推測熱脅迫可能會使一些代謝途徑解偶聯，並導致不需要的副產物的積累。活性氧 (ROS) 就是這種副產物的一個例子。研究表明，ROS 的積累很可能是由於質膜流動性的變化所致。 這一事件很可能是一個正反饋迴路，因為 ROS 的積累也會開啟質膜中的更多鈣通道，從而導致更多鈣離子流入細胞。 因此，似乎質膜熱量感知與 ROS 訊號傳導密切相關。大量積累的 ROS 可能會導致程式性細胞死亡。

結論

雖然科學家們已經提出了植物感知熱量的可能途徑，但我們仍然對具體機制和事件順序缺乏瞭解。來自特定感測器的訊號如何在訊號轉導網路中相互整合，也是一個重要的待解決問題。可能存在尚未發現但對熱脅迫響應至關重要的其他途徑。