全 文 ：第25卷 第9期
2013年9月
Vol. 25, No. 9
Sep., 2013
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2013)09-0839-04
高温的另类益处
刘军钟
(中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所，上海 200032)
收稿日期：2013-07-25
基金项目：国家重点基础研究发展计划(“973”项目)
(2011CB100700)；国家自然科学基金项目(91117018，
30730064)
通信作者：E-mail: junzhongLiu409@gmail.com
全球气候变暖极大地改变了植物的生长和发
育等行为，对农作物生产造成了严重的威胁。在生
长季节，温度每升高 1℃，水稻产量就下降 10%[1]。
另外，对小麦、大米、玉米、大豆、大麦和高粱等
六种主要农作物来说，气温每上升 1ºF，它们的产
量就要减少 3%~5%[2]。因此，研究高温影响植物生
长发育的机制，意义非常重大，但目前对于高温的
研究大多集中在植物对极端高温 (40~42℃ )瞬间胁
迫的反应上，植物体感受环境温度上升的分子机制
尚不明确。
共抑制 (co-suppression)是转基因沉默现象的
一种。早在 1990年，Napoli等 [3]向紫花矮牵牛中
转入编码查尔酮合酶的基因 CHS，旨在加深花的颜
色，但出乎意料的是，有 42%的转基因植株花的
紫色没有加深，反而变白了或者变成了紫色白色相
间；进一步研究发现，转入的 CHS基因和内源的
CHS基因的表达一起被抑制了，他们把这种转入的
基因与内源基因共同沉默的现象定义为共抑制。随
后的研究表明，共抑制是由转录后基因沉默 (post
transcriptional gene silencing, PTGS)引起的，转入正
义链序列 (sense)、反义链序列 (antisense)和反向重
复序列 (inverted repeats)以及病毒侵染都会引发
PTGS，分别被命名为 S-PTGS、 AS-PTGS、IR-PTGS
和 V-PTGS[4]。不同类型的 PTGS途径均包含以下四
个过程：双链 RNA (dsRNA)的形成、dsRNA被核
酸内切酶 DICER-like剪切为 21~26 nt大小的 siRNA
(small interfering RNAs)、siRNA结合 RISC (RNA介
导的沉默复合体 )和目标 mRNA的剪切。除了转基
因和病毒侵染引起的 siRNA，植物体内还存在着许
编者按：温度是影响植物生长发育的最重要的环境因子之一，其细
微变化会影响作物的产量。目前，全球气候变暖是最受关注的问
题，它对农作物的生产造成了严重的威胁。因此，研究高温影响植
物生长发育的机制，意义非常重大。转基因技术是研究基因功能和
获得高产优质品种的一种重要手段，但是转基因沉默使得转基因在
受体植物中往往不能稳定表达，有时甚至完全不表达，对转基因技
术的推广造成了很大的限制。因此，研究植物转基因沉默的机理以
及解决方法刻不容缓。最近，中国科学院上海生命科学研究院植
物生理生态研究所何祖华课题组发现，环境温度从22ºC升高到30ºC
可以完全抑制不同转基因引起的基因沉默，而且拟南芥内源小分
子RNA——ta-siRNAs(trans-acting siRNA)也随着温度的升高明显降低。有意思的是，温度引起的转录后基
因沉默(PTGS)解除在接下来的22ºC种植后代中也能观察到，即表现出后代记忆的效应。对其机制的研究表
明，高温可能通过促进SUPPRESSOR OF GENE SILENCING 3(SGS3)蛋白的降解进而抑制双链RNA形成，
从而解除PTGS并抑制ta-siRNA产生；提高SGS3蛋白水平可以抑制高温对PTGS的解除并减弱后代记忆。这
些发现揭示了温度与siRNA合成以及表观遗传之间的关系，对植物温度感应以及作物转基因改良等有重要
的指导意义。
∙ 发现的历程 ∙
生命科学 第25卷840
多内源小 RNA。根据它们的来源和作用方式不同，
可以基本分为miRNA、ta-siRNA (trans-acting siRNAs)、
nat-siRNA (natural antisense transcript-derived siRNAs)、
ra-siRNAs (repeat-associated siRNAs) 和 hc-siRNA
(heterochromatic siRNAs)。这些内源小 RNA在维持
基因组稳定、调节植物的生长发育和应对逆境胁迫
等方面起着重要作用 [5]。
目前已有报道小 RNA 参与植物对温度感应
的调节。Szittya等 [6]研究发现，高温 (27℃ )削弱
病毒对烟草的感染，增强病毒诱导的基因沉默
(VIGS)，而低温 (15℃ )解除 VIGS，增加烟草的感
病性。此外，低温 (15℃ )也能解除 S-PTGS、AS-
PTGS和 IR-PTGS，但不影响 miRNA的产生，不
过具体的机制尚不明确，推测 siRNA的合成需要温
度依赖性的核酸内切酶的参与，而 miRNA产生所
需的核酸内切酶对温度不敏感。然而，迄今为止，
高温与小 RNA之间的关系仅见于 VIGS的研究。
高温是否能解除 S-PTGS、AS-PTGS和 IR-PTGS，
高温是否能影响内源 small RNA的产生，其具体机
制是什么，这些问题都没有得到具体的研究。
1　意外的惊喜
2000年，何祖华研究员利用拟南芥的油菜素
内酯受体 BRI1和水稻的抗病受体 XA21合成了新
的嵌合受体 NRGs，在转基因水稻细胞中证明油菜
素内酯 (BR)信号的接收可以诱导水稻的抗病反应 [7]。
为了观察拟南芥中是否有类似的反应，我们把相同
的转基因构建转入到拟南芥野生型 Col-0中，发现
约 30%的 T1 line的表型与 BRI1突变体类似，植株
矮小、叶片颜色变深 [8]。最初我们怀疑这些矮化
株系是由显性负效应 (dominant negative effect)导致
的，即 NRG1蛋白自身无功能，但能与内源的
BRI1蛋白形成聚合物，抑制或阻断内源的 BRI1的
作用，而显性负效应一般不会导致 mRNA含量和
蛋白质累积量的降低。但我们发现在矮化的植株中，
内源 BRI1和外源转基因的 mRNA和蛋白质表达水
平都明显降低，这就排除了植株矮化是由显性负效
应导致的猜测。T2代中超过 70%的 NRG1植株呈
现极矮化，类似于严重的 bri1突变体，剩下 30%
植株部分为半矮化突变体，极少部分呈现野生型表
型，不符合孟德尔分离定律。NRG1植株中的内源
BRI1和外源转基因的 mRNA表达水平都明显降低，
这些现象非常符合共抑制的定义。为了证明 NRG1
植株的矮化是由共抑制引起的，我们设计探针，成
功地检测到了 21 nt的 siRNA片段。此外，我们用
S-PTGS相关基因的几个突变体与矮化的 NRG1植
株杂交，发现 RNA-DEPENDENT RNA POLYMERASE
6 (RDR6)、SUPPRESSOR OF GENE SILENCING 3
(SGS3)和 ARGONAUTE1 (AGO1)缺失后，NRG1植
株的矮化表型消失了。这些结果都表明，NRG1植
株的矮化是由内源基因 BRI1和外源基因 NRG1的
共抑制导致的，是一种 S-PTGS。
为了检测高温对 S-PTGS的影响，我们把稳定
的 NRG1矮化株系放在 30℃下种植，发现高温下
NRG1植株不再矮化，而是表现出与野生型 Col-0
相似的叶柄伸长、叶片趋于直立生长等表型。温度
可能会调控一些激素介导的发育过程，但我们发现
无论是 BR受体的突变体 bri1-9，还是 BR合成途
径的突变体 det2，它们在经过高温处理后都不会由
矮小变为正常，说明这一过程与 BR途径无关。进
一步在分子水平上对该表型进行检测，我们发现高
温下内源 BRI1和外源 NRG1的 mRNA和蛋白质表
达水平都得到恢复，而引起共抑制的小 RNAs则消
失了，表明温度升高确实能够抑制 S-PTGS。温度
梯度实验结果表明，26℃即能恢复部分 NRG1植株
的矮化，30℃能恢复全部 NRG1植株的矮化。高温
处理时间梯度实验表明，30℃高温处理 13 d即可完
全恢复 NRG1植株的矮化。除了高温胁迫，我们猜
想是否其他的逆境胁迫也可以引起 PTGS的抑制。
我们选用了干旱、NaCl和 ABA分别处理，结果显
示这些处理都不能抑制共抑制。这些结果说明，温
度对 PTGS的抑制是一种专化性的逆境反应机制，
即温度感受系统特异性地与 PTGS的表观遗传机制
互作。为了探明 30℃引起的 S-PTGS的解除是一个
普遍的现象而不是 BRI1基因所特有的，我们研究
了 L1[9]和 GxA[10]这两个已有充分研究的转基因
S-PTGS材料。用 30℃处理 4周后，我们发现 L1
中 GUS的 PTGS被完全解除，并且 GxA中 GFP的
PTGS也被解除了。因此，温度对 S-PTGS的影响
可以被认为是一个普遍的效应。
2　山穷水复疑无路，柳暗花明又一村
隔代记忆 (transgenerational memory)指母代在
外界因素影响下产生的一些适应性反应，可以在后
代中体现出来，即使后代没有受到同样的环境影响。
这种现象也是经典的遗传学中基因型决定表型的一
个反例。目前植物中已有报导光的影响、生物和非
生物的胁迫会产生隔代记忆 [11]。如果 NRG1植株一
刘军钟：高温的另类益处第9期 841
直在 22℃生长，会非常稳定地呈现矮化的表型。但
当我们把 30℃得到的 NRG1的后代播种到 22℃后，
意外地发现大约 92%的植株都表现出野生型的表
型，只有极少量的个体变矮化。我们把 30℃的
NRG1称为第一代，之后 22℃的子代称为第二代。
从第二代里选取 3株野生型表型的 NRG1植株，把
它们的后代继续在 22℃播种，发现第三代中大概有
40%~50%的植株为野生型表型。第四代中，野生
型表型的植株所占比例下降到 10%之内，有一些
株系里已经没有野生型表型的植株 (图 1)。总的来
说，温度引起的 S-PTGS的抑制效应可以至少影响
到之后的三代。高温对 NRG1 PTGS的解除表现出
隔代记忆效应，在 L1中也是如此。我们分别检测
了 NRG1 22℃、30℃和之后几代野生型表型的植株
中外源基因NRG1和内源BRI1的DNA甲基化变化，
发现高温改变了它们的 DNA甲基化状态，但这种
改变与隔代记忆效应没有相关性。因此，发生共抑
制的基因本身的 DNA甲基化的改变可能与隔代记
忆无关，但不排除基因组上其他位点的 DNA甲基
化影响隔代记忆。此外，组蛋白修饰和小 RNA是
否会影响隔代记忆，也需要进一步的研究。
不同类型的 PTGS中，dsRNA的来源和形成
过程并不相同。S-PTGS和部分病毒引起的 V-PTGS
需要 RDR6和 SGS3参与 dsRNA的形成，而 IR-
PTGS和部分病毒引起的 V-PTGS中 dsRNA的形成
不需要 RDR6的参与 [4]。为了研究高温解除共抑制
的分子机制，我们构建了 BRI1的 IR-PTGS株系并
用高温处理，结果发现高温不能抑制 BRI1的 IR-
PTGS；同时，我们用已被报导的八氢番茄红素脱
氢酶 (phytoene desaturase, PDS)基因的 IR-PTGS株
系 [12]进行高温处理实验，结果也类似。这些结果
表明，高温可能通过抑制 dsRNA的合成来抑制
PTGS。植物体内很多内源的小 RNA(miRNA、ta-
siRNA和 hc-siRNA等 )的产生也需要 dsRNA的合
成，其中 ta-siRNA需要 RDR6和 SGS3参与合成
dsRNA，而 miRNA和 hc-siRNA中 dsRNA的合成
需要其他因子。我们通过芯片和小 RNA深度测序
全面检测了各种内源小 RNA，发现 miRNA在高温
下部分上调、部分下调，hc-siRNA在高温下也是如
此。令我们欣喜的是，大部分的 ta-siRNA在高温
下表达量都下调，伴随着它们的前体累积和它们作
用的靶标 mRNA含量累积。这些结果表明，高温
确实是通过抑制 RDR6-SGS3参与的 dsRNA的合成
来抑制 PTGS 的。RDR6是一个 RNA 依赖性的
RNA聚合酶，能够被招募到不正常的 RNA上，以
正义链为模板合成反义链，随后正义链和反义链聚
合形成 dsRNA[13]。由于直接检测 dsRNA的含量难
以实现，我们分别检测了 BRI1 在 22℃和 30℃下正
义链转录本和反义链转录本的含量。令人意外的是，
高温下 BRI1的正义链转录本和反义链转录本都累
积了，这表明高温可能影响正义链和反义链聚合形
成 dsRNA这一步骤。在 AS-PTGS株系中，外源转
图1 高温对S-PTGS的解除具有隔代记忆效应
生命科学 第25卷842
入的反义序列能被 RNA聚合酶 II直接转录形成反
义链转录本，随后同内源相应基因的正义链转录本
互补配对，形成 dsRNA。如果高温能够解除 AS-
PTGS，那么高温确实是通过抑制正义链和反义链
聚合形成 dsRNA这一过程来解除共抑制的。与我
们预期的结果一致，不论是我们自己构建的 BRI1
的 AS-PTGS株系还是别人已经发表的 GSH1的
AS-PTGS株系 [14]，它们的 PTGS均能被高温抑制。
高温下反义链转录本仍能正常合成且累积量增
加，表明高温对共抑制的解除与 RDR6无关，可能
与 AGO1或 SGS3蛋白有关。实验结果表明，高温
没有改变 RDR6的 mRNA水平、蛋白质累积量和
RNA聚合酶活性。AGO1的 mRNA水平和蛋白质
累积量在高温下也没有变化，但高温下 SGS3的蛋
白质累积量显著降低。在野生型 Col-0中过表达
SGS3能维持 ta-siRNA在高温下正常产生和行使功
能。在 L1中过表达 SGS3能阻止高温对 GUS PTGS
的解除。有意思的是，在 NRG1中过表达 SGS3能
在一定程度上降低隔代记忆效应。
3 蓦然回首，求索依旧
从最初的研究材料的获得，到发现高温解除突
变体的共抑制现象，再到隔代记忆现象的发现，最
后终于探究清楚其内在的机制，这个课题的完成是
几任研究者们共同努力奋斗的结果。这一漫长的研
究过程，无一不凝聚着几任研究者们的心血。科研
需要我们投入大量的时间和精力，而持之以恒和坚
持不懈的态度在科研工作中尤为重要。为了阐明高
温解除共抑制的分子机制，我们遵循严密的逻辑并
通过实验验证，用推理和排除法不断地缩小目标，
直到最终找到高温作用的靶标。为了保证实验结果
的准确，我们尽量争取用两个及以上的不同体系去验
证得出的结论。在这项研究中，我们揭示了温度与
siRNA合成以及表观遗传之间的关系，对植物温度感
应以及作物转基因改良等有重要的指导意义。
虽然我们的研究揭示了高温可能通过调节
SGS3蛋白的累积量来解除 PTGS以及抑制内源 ta-
siRNA的产生，但是由于 SGS3蛋白本身不含有与
温度相关的结构域，我们推测调节 SGS3蛋白含量
的未知因子可能是高温的感受器，介导 SGS3蛋白
含量的降低从而解除共抑制，并影响某些内源
siRNA的产生。寻找植物感受温度变化的感受器仍
然任重而道远。此外，隔代记忆的内在机制也需要
我们进一步深入研究。期待有朝一日，我们能够利
用感受温度的受体改变农作物感知温度的方式，打
破作物引种的限制，甚至培育出能够抵御气候变化
的农作物。
致 谢：特别感谢何祖华老师和李建明老师对我的悉
心指导；感谢戚益军老师的宝贵建议；感谢钟思慧
师姐、袁月星师兄和李群老师等共同作者的共同努
力；感谢余祥师兄在分析测序数据上的极大帮助；
感谢实验室成员对本课题的鼎力支持。
[参　考　文　献]
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