2021年9月24日，（IF=53.24）刊物在線發(fā)表了來自中國科大學(xué)分子動(dòng)物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/北京動(dòng)物逆境生物學(xué)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(jié)了最新關(guān)于動(dòng)物對非生物脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制研究進(jìn)展，表明動(dòng)物對非生物脅迫響應(yīng)是多層次和多個(gè)過程，其中包括訊號感應(yīng)及傳導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄調(diào)控、翻譯和翻譯后蛋白質(zhì)修飾等。最后文章還展望了未來還可能借助這種機(jī)制通過遺傳、化學(xué)和微生物方式提升作物生產(chǎn)力和農(nóng)業(yè)可持續(xù)性。
值得注意的是，該課題組還在Cell刊物發(fā)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(shù)為1451次。詳盡請參考我們公眾號報(bào)導(dǎo)的全文翻譯：。該課題組近幾年仍然連續(xù)在兩大權(quán)威頂級刊物上發(fā)表關(guān)于動(dòng)物非生物脅迫的分子機(jī)制的綜述文章，說明了該課題在動(dòng)物非生物脅迫機(jī)制研究領(lǐng)域仍然處在世界領(lǐng)先水平。
在自然界中，動(dòng)物不斷遭到不利的非生物環(huán)境條件的挑戰(zhàn)，比如旱災(zāi)、高溫、寒冷、營養(yǎng)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?qū)Ω氐慕柚?，并對小麥生產(chǎn)力形成了負(fù)面影響。為此，了解動(dòng)物怎樣感知脅迫訊號并適應(yīng)不利的環(huán)境條件對于全球糧食安全至關(guān)重要。
為了承受環(huán)境脅迫，動(dòng)物進(jìn)化出互相關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)途徑，使它們能否及時(shí)響應(yīng)和適應(yīng)環(huán)境。非生物脅迫條件影響動(dòng)物生理學(xué)的許多方面并導(dǎo)致細(xì)胞過程的廣泛變化。其中一些變化是非適應(yīng)性反應(yīng)，僅反映脅迫源引起的損害，比如熱或冷應(yīng)激造成的膜流動(dòng)性和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的有害變化，以及有毒離子造成的酶動(dòng)力學(xué)和分子互相作用的破壞。但是，許多變化是適應(yīng)性反應(yīng)，可造成動(dòng)物的褐變降低，因而是水稻改良的潛在目標(biāo)。
圖1.動(dòng)物可以在各類細(xì)胞區(qū)室中感知非生物脅迫，以啟動(dòng)多個(gè)水平的響應(yīng)
在該綜述中總結(jié)了目前對非生物脅迫的不同分子反應(yīng)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(diǎn)。同時(shí)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(yīng)脅迫
環(huán)境脅迫可直接導(dǎo)致動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)生物分子的化學(xué)或物理變化，進(jìn)而引起細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)。并且很難證明生物分子能直接感知壓力，因而大多數(shù)假設(shè)的壓力傳感都是使用間接方式辨識的。諸如，破壞體會(huì)器的功能預(yù)計(jì)會(huì)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(shè)計(jì)了遺傳篩選來辨識造成這種表型的突變。非常是細(xì)胞內(nèi)游離Ca2+含量快速顯示響應(yīng)外部壓力的剌激特異性模式，這促使才能在抒發(fā)基于水母發(fā)光蛋白的Ca2+指標(biāo)的轉(zhuǎn)基因動(dòng)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(zāi)和酸度就會(huì)在動(dòng)物細(xì)胞中誘導(dǎo)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(huì)器（見右圖）。OSCA1坐落質(zhì)膜中，其功能障礙引起保衛(wèi)細(xì)胞和根細(xì)胞中Ca2+流入降低、葉片蒸騰作用缺位和高滲脅迫下動(dòng)物的根生長降低。小麥（馬鈴薯）和擬南芥中OSCA1家族蛋白的結(jié)構(gòu)剖析為它們怎樣充當(dāng)體會(huì)器提出一種可能的機(jī)制；增加的高滲條件下細(xì)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(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞。低滲透壓也會(huì)改變細(xì)胞膜張力。在擬南芥中，MSL8是花粉中低滲應(yīng)激誘導(dǎo)的膜張力的體會(huì)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(jìn)而保護(hù)細(xì)胞免受內(nèi)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(dòng)物還遭到Na+誘導(dǎo)的離子脅迫。在擬南芥中對Na+誘導(dǎo)的Ca2+尖峰缺陷的動(dòng)物進(jìn)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(zhuǎn)移酶，可在質(zhì)膜中將帶負(fù)電荷的葡糖醛酸(GlcA)絡(luò)合物添加到肌醇乙酸神經(jīng)丙酯(IPC))，形成的糖基肌醇乙酸神經(jīng)丙酯(GIPC)鞘脂可以結(jié)合Na+陽離子，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞膜的去極化。MOCA1依賴性GIPC感知環(huán)境Na+含量的變化并通過仍未鑒別的Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白形成鹽依賴性細(xì)胞內(nèi)Ca2+尖峰。兩個(gè)候選的Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是和。
不僅引起質(zhì)膜的變化外，高濁度都會(huì)通過多種途徑破壞細(xì)胞壁組織。在擬南芥中，LRX-RALF-FER模塊與感知高濁度誘導(dǎo)的細(xì)胞壁破壞有關(guān)（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(jié)合，進(jìn)而抑制FER蛋白的內(nèi)化。在鹽脅迫下，LRX3/4/5蛋白可以直接感知細(xì)胞壁中鹽誘導(dǎo)的變化，但是RALF肽與LRX解離以將細(xì)胞壁訊號轉(zhuǎn)導(dǎo)至FER蛋白，以抑制FER蛋白介導(dǎo)的動(dòng)物生長途徑，啟動(dòng)鹽脅迫反應(yīng)。
圖2.鹽和旱災(zāi)脅迫傳感器和訊號機(jī)制
感應(yīng)氣溫變化
熱脅迫和冷脅迫都可以改變細(xì)胞磷脂膜的流動(dòng)性。冷脅迫的幾個(gè)假設(shè)的傳感已被提出，如膜定位CNGC離子通道、、和通道。鑒于還介導(dǎo)NaCl誘導(dǎo)的Ca2+流入，動(dòng)物對冷脅迫和高酸度的反應(yīng)是否共享一個(gè)調(diào)節(jié)網(wǎng)路是一個(gè)有趣的懸而未決的問題。
不僅觸發(fā)細(xì)胞質(zhì)游離鈣含量的瞬時(shí)下降外，氣溫應(yīng)激都會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的變化，這意味著可能在所有細(xì)胞區(qū)室中都覺得到室溫應(yīng)激。比如，在擬南芥中，冷脅迫通過CBF轉(zhuǎn)錄因子的積累誘導(dǎo)CBF與PIF3互相作用，以減緩phyB的降解。冷穩(wěn)定phyB通過控制冷響應(yīng)基因和生長相關(guān)基因的抒發(fā)來推動(dòng)冷藏耐受性。據(jù)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(dòng)物對溫暖和嚴(yán)寒氣溫的反應(yīng)。
據(jù)悉，在擬南芥中，氣溫下降也可以通過轉(zhuǎn)錄阻遏物ELF3的相變來感知，ELF3控制著許多參與生長和發(fā)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(fā)的激活。
盡管細(xì)胞膜流動(dòng)性、蛋白質(zhì)氫鍵和RNA二級結(jié)構(gòu)會(huì)遭到冷或熱應(yīng)激的影響，但只有熱脅迫常常會(huì)造成蛋白質(zhì)變性，但是由此形成的錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)被個(gè)別熱暈厥蛋白(HSP)感知。在動(dòng)物的正常體溫下，這種HSP結(jié)合并制止熱應(yīng)激轉(zhuǎn)錄因子(HSF)激活熱響應(yīng)基因的抒發(fā)并降低各類HSP編碼基因的轉(zhuǎn)錄。但是，在下降的氣溫下，錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)會(huì)積累并與HSP結(jié)合，進(jìn)而釋放HSF以激活熱應(yīng)激反應(yīng)（見右圖）。據(jù)悉，組蛋白變體H2A.Z賦于純化的核小體奇特的DNA解包特點(diǎn)，也已被證明對擬南芥的氣溫變化有反應(yīng)。這種結(jié)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(jìn)而造成HSP編碼基因和其他熱響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄降低。
總的來說，這種研究表明，動(dòng)物除了可以在細(xì)胞表面（包括細(xì)胞壁和質(zhì)膜）感知非生物脅迫，還可以在細(xì)胞內(nèi)區(qū)室（如細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核）中感知非生物脅迫。此功能可能容許對細(xì)胞內(nèi)條件進(jìn)行更直接的響應(yīng)，并可能賦于訂制隔室特定響應(yīng)的能力。
2.訊號轉(zhuǎn)導(dǎo)
對不利環(huán)境條件的感知會(huì)觸發(fā)特定于壓力的訊號轉(zhuǎn)導(dǎo)。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(zhì)的翻譯后修飾(PTM)。該文關(guān)注ROS訊號傳導(dǎo)、鈣訊號傳導(dǎo)和蛋白質(zhì)乙酸化，這是動(dòng)物響應(yīng)許多非生物脅迫的訊號轉(zhuǎn)導(dǎo)的三個(gè)主要特點(diǎn)。
Ca2+訊號傳導(dǎo)
脅迫下Ca2+會(huì)通過質(zhì)膜和細(xì)胞器膜流入細(xì)胞質(zhì)，造成細(xì)胞質(zhì)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(zhì)Ca2+訊號（見上圖2），致使Na+從根表皮細(xì)胞輸出到底泥環(huán)境，從木制部薄壁細(xì)胞到木制部血管，長距離運(yùn)輸?shù)饺~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(zhì)。不僅被調(diào)節(jié)蛋白感知之外，Ca2+訊號還可以被轉(zhuǎn)導(dǎo)到鈣調(diào)蛋白結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活因子、和，它們與CBF基因的啟動(dòng)子結(jié)合并激活它們的抒發(fā)以介導(dǎo)冷應(yīng)激反應(yīng)（見右圖3).
蛋白質(zhì)乙酸化
蛋白質(zhì)乙酸化是動(dòng)物對多種非生物脅迫一種常見的和關(guān)鍵的訊號轉(zhuǎn)導(dǎo)。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(yīng)激訊號通路的核心參與者。它們調(diào)節(jié)各類下游蛋白質(zhì)，包括轉(zhuǎn)錄因子，質(zhì)膜陰離子通道SLAC1控制氣孔關(guān)掉和質(zhì)膜NADPH氧化酶RbohF形成細(xì)胞外胺基化氫。不僅SnRKs，應(yīng)激訊號轉(zhuǎn)導(dǎo)一般涉及RLKs和由MAPK、MAP2K和MAP3K組成的激酶級聯(lián)反應(yīng)（如圖3）。
ROS訊號
動(dòng)物對各類非生物脅迫做出反應(yīng)的一個(gè)主要特點(diǎn)是形成ROS，包括超氧陰離子、H2O2、羥基自由基和單線態(tài)氧。雖然滲透脅迫下ROS的積累可以獨(dú)立于脅迫誘導(dǎo)的ABA積累發(fā)生，但H2O2的形成也許受ABA訊號通過SnRK2介導(dǎo)的NADPH氧化酶RbohD和RbohF激活的調(diào)節(jié)。在擬南芥中，細(xì)胞外H2O2可能被含有亮谷氨酸的重復(fù)受體激酶HPCA1（在整個(gè)動(dòng)物中）和GHR1（非常是在保衛(wèi)細(xì)胞中）感知以通過激活Ca2+通道形成Ca2+訊號。
系統(tǒng)性訊號
眾所周知，非生物脅迫條件，比如高光和滲透脅迫，會(huì)觸發(fā)動(dòng)物中的系統(tǒng)性脅迫訊號，進(jìn)而造成未曝露的遠(yuǎn)端組織中的脅迫反應(yīng)，進(jìn)而造成系統(tǒng)性獲得性馴養(yǎng)。蒴果訊號同時(shí)涉及ROS和Ca2+長距離傳輸。據(jù)悉，小肽還可以介導(dǎo)四肢應(yīng)激訊號。
3.轉(zhuǎn)錄調(diào)控
不僅通過誘導(dǎo)快速調(diào)整來保護(hù)動(dòng)物免受非生物脅迫外，脅迫誘導(dǎo)的訊號轉(zhuǎn)導(dǎo)還誘導(dǎo)全基因組轉(zhuǎn)錄重編程，進(jìn)而誘導(dǎo)其他保護(hù)機(jī)制，如滲透調(diào)節(jié)、解毒、修復(fù)應(yīng)激造成的損傷和放大或減緩應(yīng)激訊號。應(yīng)激特異性轉(zhuǎn)錄模式通過轉(zhuǎn)錄因子聯(lián)接到上游訊號傳導(dǎo)。不僅脅迫特定的模式，常見的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)可以被許多不同的脅迫誘導(dǎo)，如嚴(yán)寒、高滲和高濁度壓力。通常來說，這種常見的應(yīng)激反應(yīng)基因編碼與MAPK級聯(lián)、鈣訊號、ROS、細(xì)胞自噬和蛋白質(zhì)降解相關(guān)的蛋白質(zhì)，并坐落不同的細(xì)胞區(qū)室。
ABA依賴性與ABA非依賴性反應(yīng)
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(zhuǎn)錄調(diào)控，但許多脅迫響應(yīng)基因是由ABA非依賴性機(jī)制誘導(dǎo)的（見圖4a）。許多ABA調(diào)控的基因在其啟動(dòng)子區(qū)域包含ABA響應(yīng)順式器件(ABRE)/TC，而獨(dú)立于ABA的冷響應(yīng)和旱災(zāi)響應(yīng)基因一般包含旱災(zāi)響應(yīng)順式器件(DRE)。
初期與晚期反應(yīng)
一些基因，非常是這些編碼轉(zhuǎn)錄因子，顯示對脅迫快速初期反應(yīng)，而有更多的基因是在應(yīng)激反應(yīng)后改變，但是由這種初期響應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子驅(qū)動(dòng)的（圖4a中）。在旱災(zāi)、寒冷或高鹽脅迫下的擬南芥中，大多數(shù)晚反應(yīng)基因編碼具有保護(hù)活性的蛋白質(zhì)，比如活血酶和滲透保護(hù)劑生物合成。不僅加強(qiáng)應(yīng)激反應(yīng)外，轉(zhuǎn)錄控制還可以造成負(fù)反饋調(diào)節(jié)。比如，在旱災(zāi)響應(yīng)過程中，ABA誘導(dǎo)PP2C的轉(zhuǎn)錄基因并抑制它的一些受體基因以衰減ABA訊號轉(zhuǎn)導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄。
轉(zhuǎn)錄本調(diào)控
包括剪接、加帽、聚腺苷酸化和降解在內(nèi)的RNA加工步驟對于動(dòng)物褐變很重要。早已發(fā)覺RNA加工機(jī)器的幾個(gè)組件的功能障礙會(huì)嚴(yán)重破壞非生物脅迫抗性，而不會(huì)對無脅迫條件下的動(dòng)物功能形成嚴(yán)重后果。
脅迫導(dǎo)致可變剪接
動(dòng)物在響應(yīng)于冷和鹽脅迫會(huì)降低動(dòng)物的可變剪接，正常剪接的中斷會(huì)造成功能性蛋白質(zhì)的形成發(fā)生變化，進(jìn)而改變動(dòng)物對非生物脅迫或ABA的敏感性。如鹽脅迫會(huì)在擬南芥和玉米中的幾個(gè)組氨酸/精谷氨酸(SR)剪接因子基因中誘導(dǎo)選擇性剪接，因而放大剪接調(diào)節(jié)在應(yīng)激反應(yīng)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(fā)生在旱災(zāi)、熱和鹽脅迫下。在高梁中，非生物脅迫處理會(huì)導(dǎo)致大量基因轉(zhuǎn)錄本中poly(A)位點(diǎn)選擇的變化，進(jìn)而造成從功能性轉(zhuǎn)錄物和翻譯產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)榉枪δ苄赞D(zhuǎn)錄物。
脅迫造成的變化
為應(yīng)對脅迫條件，動(dòng)物會(huì)調(diào)整各類miRNA的水平。諸如，氧化應(yīng)激轉(zhuǎn)錄抑制擬南芥，因?yàn)槠淠繕?biāo)mRNACSD1和CSD2的積累造成氧化應(yīng)激耐受，這兩個(gè)基因編碼密切相關(guān)的Cu/Zn超氧化物歧化酶，可活血超氧化物自由基。
4.翻譯調(diào)控
報(bào)導(dǎo)的翻譯水平的應(yīng)激反應(yīng)包括5'內(nèi)質(zhì)網(wǎng)體暫停、翻譯起始的阻斷和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)體的變化。在擬南芥中，熱應(yīng)激造成5'內(nèi)質(zhì)網(wǎng)體暫停，引致mRNA降解，優(yōu)先影響編碼HSC/HSP70分子伴侶靶標(biāo)的轉(zhuǎn)錄本（圖5A）。據(jù)悉，在熱應(yīng)激期間，翻譯起始被阻斷，編碼內(nèi)質(zhì)網(wǎng)體蛋白(RPs)的mRNA優(yōu)先存儲和保護(hù)在應(yīng)激顆粒中；在恢復(fù)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(fù)翻譯。
5.翻譯后調(diào)控應(yīng)激誘導(dǎo)的訊號蛋白翻譯后修飾
非生物脅迫會(huì)顯著改變各種類型的PTM的水平，這種PTM控制蛋白質(zhì)的定位、積累和/或活性，因而在應(yīng)激反應(yīng)的調(diào)節(jié)中發(fā)揮核心作用。PTMs（包括乙酸化）對預(yù)先存在的訊號蛋白（比如傳感和受體等）的調(diào)節(jié)以容許其迅速反應(yīng)，但在應(yīng)激誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄后從頭合成的蛋白質(zhì)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(fā)降低及其與N-香茅酰轉(zhuǎn)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(dǎo)的抑制中釋放下來，使其才能調(diào)節(jié)冷耐受性（圖3）。
應(yīng)激誘導(dǎo)的其他蛋白質(zhì)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(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和許多酶，包括參與ROS生物發(fā)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(diào)控應(yīng)激反應(yīng)和應(yīng)激耐受基因受表觀遺傳標(biāo)記調(diào)控
早已在許多動(dòng)物物種中研究表明，表觀遺傳標(biāo)記可以響應(yīng)于各類非生物脅迫。表觀遺傳變化與參與動(dòng)物應(yīng)激反應(yīng)的基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控相關(guān)聯(lián)。諸如，DNA烷基化缺陷的擬南芥突變體顯示啟動(dòng)子DNA低烷基化，因而Na+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因HKT1的抒發(fā)下降為此細(xì)胞膜流動(dòng)性，降低了耐鹽性。
脅迫誘導(dǎo)的動(dòng)物表觀遺傳模式改變也可能是表觀遺傳調(diào)節(jié)因子的變化導(dǎo)致的。諸如，茄子果實(shí)在冷凍過程中會(huì)喪失鮮味，由于冷凍會(huì)抑制DNA脫氨基酶基因DML2的轉(zhuǎn)錄；由此引起負(fù)責(zé)辣味揮發(fā)物生物合成的基因啟動(dòng)子處DNA烷基化水平的降低造成其抒發(fā)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(dǎo)的表觀遺傳修飾可以造成跨代應(yīng)激記憶是很有吸引力的。但是，在脅迫恢復(fù)過程中，存在去除脅迫造成的表觀遺傳變化的機(jī)制。在擬南芥中，染色質(zhì)重構(gòu)蛋白DDM1和DNA解旋酶MOM1通過不同的機(jī)制介導(dǎo)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(yīng)激誘導(dǎo)的表觀遺傳沉默的釋放不能傳遞給后代，除非動(dòng)物同時(shí)缺少M(fèi)OM1和DDM1，這表明這種蛋白質(zhì)具有冗余功能以避免應(yīng)激誘導(dǎo)的表觀遺傳狀態(tài)的跨代遺傳（圖5c）。假如后代沒有持續(xù)遭到脅迫，鹽脅迫導(dǎo)致的DNA烷基化變化會(huì)漸漸消失，這種變化會(huì)部份傳遞給下一代。為此，動(dòng)物中脅迫誘導(dǎo)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(shù)目性狀基因座方式和全基因組關(guān)聯(lián)研究，越來越多的小麥物種中發(fā)覺了非生物脅迫反應(yīng)和天然等位基因變異的重要調(diào)節(jié)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(huán)境適應(yīng)能力和更高生產(chǎn)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(dòng)物耐鹽性的主要數(shù)目性狀位點(diǎn)，并促使標(biāo)記輔助育種才能在腌漬底泥中提升稻米產(chǎn)值。.在美洲作物亞種Oryza中，TT1被確定為耐熱性的主要數(shù)目性狀位點(diǎn)，在當(dāng)?shù)剡m應(yīng)中起重要作用。
抗逆動(dòng)物的基因工程
通過下調(diào)或上調(diào)參與脅迫反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子的抒發(fā)或活性，可以對抗逆動(dòng)物進(jìn)行基因工程改建。雖然可以操縱分子反應(yīng)的任何級別的調(diào)節(jié)劑細(xì)胞膜流動(dòng)性，但大多數(shù)成功是通過蛋白激酶和其他訊號成份、轉(zhuǎn)錄因子、代謝酶和離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白實(shí)現(xiàn)的。
過抒發(fā)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(gè)過程中的作用．基于-Cas的基因編輯是一種強(qiáng)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(diǎn)序列插入和替換來形成隨機(jī)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(shù)使轉(zhuǎn)錄或翻譯調(diào)節(jié)序列的高效插入重要的應(yīng)激反應(yīng)的基因形成與降低或降低的抒發(fā)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(dòng)物應(yīng)激反應(yīng)的調(diào)節(jié)本質(zhì)上與其他重要的生物過程相協(xié)調(diào)，尤其是與生長相關(guān)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(dǎo)型啟動(dòng)子控制下抒發(fā)脅迫耐受基因可以減少這種生長和產(chǎn)值損失。比如，在玉米中，在旱災(zāi)誘導(dǎo)型啟動(dòng)子的控制下過抒發(fā)轉(zhuǎn)錄因子基因增強(qiáng)了對脫水和高鹽脅迫的耐受性，而不會(huì)出現(xiàn)組成形過抒發(fā)觀察到的生長遲滯和低潮粒產(chǎn)值。實(shí)現(xiàn)脅迫響應(yīng)和動(dòng)物生長之間的最佳平衡對于在田間條件下增強(qiáng)產(chǎn)值穩(wěn)定性的工程小麥至關(guān)重要。
保護(hù)動(dòng)物免受非生物脅迫的物理干預(yù)
脅迫抗性也可以通過用影響動(dòng)物脅迫反應(yīng)網(wǎng)路分子組分活性的小分子化合物處理來調(diào)節(jié)。諸如，類似ABA的活性的物理小分子，包括與ABA受體結(jié)合、誘導(dǎo)氣孔關(guān)掉和激活應(yīng)激反應(yīng)基因的抒發(fā)。在動(dòng)物中使用基因工程脅迫誘導(dǎo)型ABA受體可以進(jìn)一步提升ABA模擬物的功效，因而實(shí)現(xiàn)更高水平的抗旱性。
推論和未來展望
我們對動(dòng)物分子對非生物脅迫的反應(yīng)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(diào)控以及生長調(diào)控方面。可能有許多脅迫體會(huì)器仍未確定，而大多數(shù)已報(bào)導(dǎo)的脅迫體會(huì)器只能被覺得是假定的體會(huì)器，由于它們的生理功能和生化傳感器機(jī)制尚不清楚。據(jù)悉，我們對壓力訊號的了解是零碎的。大多數(shù)已知的訊號通路仍未聯(lián)接到脅迫體會(huì)器；對訊號通路之間的雜訊知之極少。分子遺傳學(xué)技巧和各類組學(xué)方式為我們目前的知識作出了巨大貢獻(xiàn)。但是，遺傳冗余和致死率，以及剖析生物大數(shù)據(jù)的能力有限，對充分揭示動(dòng)物應(yīng)激反應(yīng)途徑和調(diào)控網(wǎng)路的嘗試構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)?；蚪M編輯工具和人工智能將有助于解決那些問題。據(jù)悉，須要單細(xì)胞組學(xué)和其他細(xì)胞特異性和組織特異性方式以及原位和實(shí)時(shí)成像剖析方式來了解對非生物脅迫的動(dòng)態(tài)分子反應(yīng)的時(shí)空復(fù)雜性。
據(jù)悉，根系微生物群中的許多有益底泥微生物才能提高動(dòng)物對旱災(zāi)和其他非生物脅迫的抵抗力，但其潛在的分子機(jī)制大多未知。結(jié)合遺傳、化學(xué)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(chǎn)力的動(dòng)物提供解決方案（圖6）。破譯有益微生物保護(hù)作用背后的分子機(jī)制可能會(huì)造成新的策略來提升遺傳、化學(xué)和微生物方式的功效。
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