图/表详细信息

图片操作
显示大图下载下载为PPT文件

植物抗冻蛋白研究进展

董小云, 魏家萍, 崔俊美, 武泽峰, 郑国强, 李辉, 王莹, 田海燕, 刘自刚

植物学报 2023, 58 (6): 966-981. DOI: 10.11983/CBB22248

摘要（646）

HTML （44）

PDF（pc）（2668KB）（993）

温度是决定植物地理分布的主要环境因子之一, 分布于高纬度、高海拔地区的寒地植物, 在其生活史周期内通常会遭遇一段时期的零度以下低温。当环境温度降至冰点以下, 植物体内水分子趋向于形成冰晶体, 不断增大的冰晶对植物组织结构造成致命损伤。为适应冷冻环境, 寒地植物病程相关蛋白(PR)及相关的WRKY转录因子进化成为能与冰面特异吸附结合、高效抑制冰晶形成和生长的抗冻蛋白(AFPs)。目前, 已从冬黑麦(Secale cereale)等近百种植物中分离鉴定了AFPs。与昆虫AFPs相比, 植物AFPs具有极高的重结晶抑制活性, 可有效防止形成体内大冰晶。低温和病原菌均可诱导寒地植物合成AFP。有趣的是, 仅冷诱导合成的AFPs有水解酶/抗冻活性双重分子功能。然而, 越来越多的证据表明, PR-AFP仅具有水解酶/抗冻活性的其中一种, 其转化由翻译后肽差异折叠控制/调节。AFP因具有独特的分子功能与广阔的应用前景而逐渐成为植物学领域的研究热点。该文对近年来相关领域取得的研究进展进行系统综述。

View image in article

图3 低温下植物抗冻蛋白(AFPs)和致病相关蛋白(PRs)的分子调控模型(Griffith and Yaish, 2004; Guo et al., 2018)
(A) 低温胁迫诱导COR、AFP和CSP等基因表达, 新合成的PR-AFP蛋白和PR蛋白通过内质网、高尔基体和囊泡分泌运输, 穿过质膜并聚集在细胞壁外空间, 形成寡聚体复合物, 抑制低温下病原菌生长; 这些蛋白质包括几丁质酶-AFPs (CHT-AFP)、葡聚糖酶-AFPs (GLU-AFP)和类甜蛋白-AFPs (TLP-AFP); 当环境温度降至冰点以下, PR-AFPs蛋白可特异吸附到冰晶表面, 抑制冰晶生长和重结晶; (B) PR蛋白(包括几丁质酶(CHT)、葡聚糖酶(GLU)和类甜蛋白(TLP))被合成并分泌到质外体中, 常温下用水杨酸(SA)、脱落酸(ABA)或雪腐病原菌处理植物, 仅诱导合成PR蛋白, 可抑制真菌病原体生长。

正文中引用本图/表的段落

植物细胞通过冷信号通路感知并应答环境温度, 环境冷信号被细胞质膜受体感知, 并转化为生物化学信号进入细胞内。不同植物感受冷信号的受体不同, 在单子叶植物水稻中COLD1可能是冷信号受体, COLD1编码G蛋白信号调控因子, 该因子定位于质膜和内质网, 可与G蛋白α亚基互作并激活质膜Ca2+通道。在双子叶植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中, 低温导致质膜状态发生变化, 引起G蛋白活化或直接活化质膜Ca2+通道蛋白CNGC; 质膜通道蛋白活化后Ca2+从细胞壁内流进入细胞, 作为第二信使通过CRPK1激酶和MAP3K-MKK4/5级联途径, 分别磷酸化激活14-3- 3s和MPK3/6, 活化的14-3-3s和MPK3/6穿过核膜从胞质进入核内, 分别参与CBF (C-repeat binding factors)和ICE1的泛素化降解(Yu et al., 2001)。ICE1- CBFs-COR通路处于冷信号转导网络的中心位置。CBF是一个转录因子, 可结合低温胁迫响应基因COR (cold-regulated)启动子顺式作用元件, 激活COR基因表达(Shi et al., 2015; 刘静妍等, 2017; Gao et al., 2018; Guo et al., 2018)。合成的PR-AFPs和PR通过内质网运输到高尔基体形成囊泡, 包裹蛋白的囊泡与质膜融合, 并将PR-AFPs或PR蛋白分泌释放到胞外壁表面(Pihakaski-Maunsbach et al., 1996)。当环境降温和/或受到病原菌侵染(Yu and Griffith, 1999; Hiilovaara-Teijo et al., 1999), PR-AFPs或PR蛋白可特异吸附到冰晶和病原菌上, 防止冰晶生长和病原菌侵染(图3A)。除环境冷信号诱导植物AFPs表达外, 常温下乙烯、茉莉酸和干旱可诱导合成PR-AFPs (Dave and Mitra, 1998), 而水杨酸、脱落酸和雪腐病原菌仅诱导合成PR (Hiilovaara-Teijo et al., 1999; 卢存福等, 2000; Yu and Griffith, 2001; Yu et al., 2001) (图3B)。

TH: 热滞活性; RI: 重结晶抑制活性 ...

Psychrophilic lifestyles: mechanisms of adaptation and biotechnological tools

2019

... AFPs-冰晶结合力的调节是AFPs抗冻机制的关键, 也是理解AFPs结构与功能的重点.早期研究表明, 氢键是AFPs与冰晶结合的作用力, AFPI亲水性残基Thr和Asp在二级螺旋上呈规律性间隔, Thr羟基与Asp羧基间的距离为4.5?, 这与冰晶平面上氧原子的间距正好匹配, 两者之间形成氢键, 从而使AFPs稳定结合冰面(DeVries, 1983).同时, AFPI存在螺旋轴亲水基团和疏水基团的偶极子, AFPI偶极子与冰晶周围水分子的偶极子相互作用, 两亲性的α-螺旋经亲水侧链定位, 提供与晶格相互作用的氢键, 而疏水侧链则阻止冰晶的生长.然而氢键数量和作用强度不足以保证AFPs-冰晶不可逆结合的稳定性(Collins and Margesin, 2019).Thr残基上的羟基可凸入冰晶晶格内部, 并占据晶格中氧原子的位置, 因而可以毫无障碍地与邻近晶格中的氧原子同时形成3个氢键, 并将 AFP有效地固定在晶格的顶层.糖侧链在结合冰晶中也发挥重要作用(Giubertoni et al., 2019). ...

A low temperature induced apoplastic protein isolated from Arachis hypogaea

1998

... 植物细胞通过冷信号通路感知并应答环境温度, 环境冷信号被细胞质膜受体感知, 并转化为生物化学信号进入细胞内.不同植物感受冷信号的受体不同, 在单子叶植物水稻中COLD1可能是冷信号受体, COLD1编码G蛋白信号调控因子, 该因子定位于质膜和内质网, 可与G蛋白α亚基互作并激活质膜Ca2+通道.在双子叶植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中, 低温导致质膜状态发生变化, 引起G蛋白活化或直接活化质膜Ca2+通道蛋白CNGC; 质膜通道蛋白活化后Ca2+从细胞壁内流进入细胞, 作为第二信使通过CRPK1激酶和MAP3K-MKK4/5级联途径, 分别磷酸化激活14-3- 3s和MPK3/6, 活化的14-3-3s和MPK3/6穿过核膜从胞质进入核内, 分别参与CBF (C-repeat binding factors)和ICE1的泛素化降解(Yu et al., 2001).ICE1- CBFs-COR通路处于冷信号转导网络的中心位置.CBF是一个转录因子, 可结合低温胁迫响应基因COR (cold-regulated)启动子顺式作用元件, 激活COR基因表达(Shi et al., 2015; 刘静妍等, 2017; Gao et al., 2018; Guo et al., 2018).合成的PR-AFPs和PR通过内质网运输到高尔基体形成囊泡, 包裹蛋白的囊泡与质膜融合, 并将PR-AFPs或PR蛋白分泌释放到胞外壁表面(Pihakaski-Maunsbach et al., 1996).当环境降温和/或受到病原菌侵染(Yu and Griffith, 1999; Hiilovaara-Teijo et al., 1999), PR-AFPs或PR蛋白可特异吸附到冰晶和病原菌上, 防止冰晶生长和病原菌侵染(图3A).除环境冷信号诱导植物AFPs表达外, 常温下乙烯、茉莉酸和干旱可诱导合成PR-AFPs (Dave and Mitra, 1998), 而水杨酸、脱落酸和雪腐病原菌仅诱导合成PR (Hiilovaara-Teijo et al., 1999; 卢存福等, 2000; Yu and Griffith, 2001; Yu et al., 2001) (图3B). ...

Ice-binding proteins: a remarkable diversity of structures for stopping and starting ice growth

2014

... 生长的冰晶将接近的溶质从冰面附近推开, 使水分子不断进入到晶格中, 导致冰晶体增大.而AFPs与冰晶具有特殊的亲和力, 能非常稳定地结合在冰晶表面.冰晶表面以直平面的形式向前伸展生长, AFPs结合冰面后产生一个小于正常冰晶半径的曲率半径, 这种从直平面到曲面的改变导致与水接触的冰表面积和表面张力增大, 从而使更多的能量被释放; 冰晶表面积的增大使体系的平衡状态发生改变, 从而使整个体系的冰点降低, 产生热滞效应(Davies, 2014).AFP分子存在晶格亲和面(ice-binding face, IBF)和疏水面(non-ice-binding face, NIBF), IBF可促进晶格形成并与之吸附结合, 而暴露在水相的NIBF则扰乱水分子形成类晶格排列, 从而阻止冰晶生长(Liu et al., 2016).AFP表现出既可激发冰核形成又抑制冰晶体生长的独特功能(Eickhoff et al., 2019). ...

Antifreeze peptides and glycopeptides in cold-water fishes

1983

Antifreeze glycopeptides and peptides: interactions with ice and water

1986

... 植物AFPs亲和吸附在冰晶表面, 可降低细胞溶液的冰点, 而其熔点几乎不变, 这种性质称为热滞活性(TH) (DeVries, 1986).当环境温度低于冰点时, 溶液中开始形成细小晶核, AFPs能够阻止冰晶融合与生长, 防止形成大冰晶, 并修饰冰晶形态, 这种性质即为重结晶抑制活性(RI) (Knight and Duman, 1986).目前, 已发现60多种植物在低温环境下积累抗冻活性物质, 我们对不同植物中抗冻蛋白的性质、来源及同源蛋白进行了总结(表1). ...

(A) Cold stress induces COR, AFP and CSP gene expression; newly synthesized, dual-function PR-AFP proteins and PRs are secreted via the endoplasmic reticulum, Golgi bodies and vesicles that merge with the plasmalemma and accumulate on the outer cell wall surface; the AFPs, including chitinase-AFPs (CHT-AFP), glucanase-AFPs (GLU-AFP) and thaumatin-like AFPs (TLP-AFP), form oligomeric complexes that inhibit the growth of pathogens under low temperature; Below the freezing degree, the proteins are adsorbed onto the surfaces of ice and inhibit its growth and recrystallization; (B) PR proteins, including chitinases (CHT), glucanases (GLU), and thaumatin-like proteins (TLP), were synthesized and secreted into the apoplast, when plants are treated with salicylic acid (SA), abscisic acid (ABA) or snow mold at normal temperatures to inhibit the growth of fungal pathogens. ...

Ice recrystallization inhibition activity varies with ice-binding protein type and does not correlate with thermal hysteresis

2021

... 当环境温度降到冰点以下时, 植物细胞溶液中先形成细小晶核, 晶核相互融合长大, 冰晶体增大会对植物组织和细胞产生严重的物理损伤(Griffith et al., 1997; Hoshino et al., 1999).植物AFPs具有极强的重结晶抑制活性, 在极低浓度(100 μg?mL-1)下即可有效抑制冰晶重结晶(Knight et al., 1988), 形成的晶粒体积小且较均匀(Rahman et al., 2019), 有效防止形成大冰晶.胡萝卜(Daucus carota)、冬小麦(Triticum aestivum)及沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)等植物的抗冻蛋白在极低浓度下即具有很强的RI活性(Gruneberg et al., 2021).昆虫等动物的AFPs为高TH活性和低RI活性; 而植物AFPs具有很高的RI活性(Bahari et al., 2015; Ye et al., 2020), 这对保护植物尤为重要.植物AFPs热滞值通常为0.1-0.5°C, 而寒地植物或越冬植物遭遇的环境低温常远低于其冰点温度, 依赖AFPs降低溶液冰点难以阻止成冰.当环境温度低于冰点时, 植物体内形成细小晶核和冰晶体, 而AFPs可抑制小冰晶融合与生长, 因此大冰晶形成被阻断. ...

Cold signaling in plants: insights into mechanisms and regulation

2018

TH: 热滞活性; RI: 重结晶抑制活性 ...

Computationally efficient approach for the identification of ice-binding surfaces and how they bind ice

2020

... AFPs的冰晶结合位点所形成的表面与冰晶表面形成互补, 相互作用力主要是疏水作用和范德华力, 氢键起次要作用(Naullage et al., 2020).不同类型的AFPs与不同形状的冰晶表面结合, 与任何一个冰晶表面结合后都将阻止冰晶生长.AFPs与冰晶表面结合后, 其疏水面氨基酸残基扰乱水分子排列, 阻止水分子进入晶格, 进而抑制冰晶生长(Liu et al., 2016). ...

The effects of antifreeze proteins on chilled and frozen meat

1994

... AFPs可与冰晶表面特异亲和吸附, 降低细胞溶液的冰点, 在冷冻和解冻过程中抑制冰晶重结晶(Yeh and Feeney, 1996).因其具有独特的生物学功能, 在医学、食品工业及农业等领域得到广泛应用(Eskandari et al., 2020).此外, AFPs作为冷冻保护剂(CPA), 与化学CPA相比, 具有安全无毒、微量高效和防冻效率高等特性, 应用于冷冻食品加工行业极具优势, 尤其在冰激凌和酸奶等乳制品的加工和冷冻储存过程中可以有效保持其品质(Payne et al., 1994), 提高冷冻食品的质量.此外, PR-AFPs具有抗冻-抑菌双重功能, 在食品保存中不仅可降低储存温度, 还能抑制细菌生长.PR-AFPs作为食品抗冻添加剂具有很高的应用价值.AFPs在医学上主要应用于器官移植、细胞和组织冷冻保存等.例如, 添加AFPs可增强精子在冷冻和解冻过程中的活力(Zandiyeh et al., 2018). ...

Immunogold localization of glucanase-like antifreeze protein in cold acclimated winter rye

1996

Changes in activities of antioxidant enzymes and their relationship to genetic and paclobutrazol-induced chilling tolerance of maize seedlings

1997

... 温度是决定植物地理分布的主要环境因子之一(Yan et al., 2006).在高纬度寒地植物或温带多年生越冬植物的生活史周期中, 低温是其频繁遭遇的非生物逆境.根据引起危害的温度范围, 低温伤害分为冷害(0-15°C)和冻害(<0°C).在零度以上低温环境中, 虽然植物不会面临体内结冰及冰晶对细胞和分子结构的机械损伤等严重问题, 但是对于水稻(Oryza sativa)和玉米(Zea mays)等起源于热带和亚热带地区的植物而言, 10°C以下低温就足以引起细胞代谢紊乱和生理损伤, 过氧化代谢加剧, 活性氧等自由基过量产生与积累.过氧化氢(H₂O₂)和超氧阴离子(O₂-. )等活性氧具有很强的氧化活性, 过量积累会攻击膜蛋白和还原性膜脂(王红等, 1994; Pinhero et al., 1997), 引起膜变脆固化,柔韧性和流动性降低, 易出现裂缝和洞隙, 导致膜蛋白变性, 膜选择透性降低, 大量细胞内溶物外渗, 细胞骨架重组(Thomashow, 1999), 还使光合作用降低, 造成严重生理变化(Pinhero et al., 1997; Aroca et al., 2005; Gill and Tuteja, 2010; Hussain et al., 2020).当环境温度降到零度以下时, 植物体内水分子开始凝聚结冰.一般情况下, 由于细胞内溶液凝固点通常低于胞外溶液, 随着低温的持续, 晶核先在胞外空间形成并不断生长增大, 一方面造成胞外溶液水势降低, 胞内外水势差驱动胞内水分大量外流, 原生质过度脱水, 使蛋白质等生物大分子变性, 胞内生理状态恶化.另一方面, 不断生长的胞外大冰晶直接对细胞产生机械作用, 破坏细胞质膜和胞内亚细胞结构, 最终导致细胞破裂死亡. ...

TH: 热滞活性; RI: 重结晶抑制活性 ...

Antifreeze proteins in winter rye leaves form oligomeric complexes

1999

Winter rye antifreeze activity increases in response to cold and drought, but not abscisic acid

2001

... 在严寒环境中, 植物合成多种类型AFPs应对冷胁迫.例如, 低温环境下冬黑麦叶片质外体提取液具有抗冻活性, 已鉴定出6种抗冻蛋白, 包括2种葡聚糖酶(β-1,3-或β-1,4-葡聚糖酶)、2种几丁质酶和2种类甜蛋白(Hon et al., 1995).这些低温诱导表达的AFPs与具有病原菌防御功能的病程相关蛋白(PR)类似.为明确这类AFPs是否与病原菌诱导的PR同源, 研究者分别利用低温处理和雪腐病原菌接种冬黑麦, 发现低温和病原菌均可诱导基因表达, 诱导合成的蛋白主要包括葡聚糖酶、几丁质酶、类甜蛋白(Hon et al., 1995; Huang and Duman, 2002)和多聚半乳糖醛酸酶(Worrall et al., 1998; Meyer et al., 1999).多肽序列比对显示,常温下病原菌诱导的PR蛋白与AFPs高度同源, 氨基酸序列也基本一致.值得注意的是, 对诱导蛋白进行酶活性和抗冻活性测试, 发现病原菌诱导的PR蛋白只有抑菌相关的水解酶活性, 而无抗冻活性; 病原菌诱导的冬黑麦叶片中积累的PR蛋白与低温诱导的AFP氨基酸序列极为相似, 但其缺乏抗冻活性(Hiilovaara-Teijo et al., 1999); 类似地, 用外源水杨酸或脱落酸处理冬黑麦叶片, 其积累的PR蛋白也不具有抗冻活性(Hiilovaara-Teijo et al., 1999; Yu and Griffith, 2001; Yu et al., 2001).而低温诱导合成的AFPs既有抗菌活性, 也表现出抗冻活性, 具有抑冰-抗病双重分子功能(PR-AFP) (Griffith et al., 1992; Tyshenko et al., 1997). ...

本文的其它图/表