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生物技术通报 | VvHSP18.2过表达调节葡萄盐碱抗性的功能分析
发布时间：
2026-02-23
来源：
生物技术通报
徐玉娇，孙玉帅，刘道奇，张丽，张志昌，姚玉新
DOI:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2025-0692
葡萄（Vitis vinifera L.）作为我国五大水果之一，在水果产业中占有重要地位，是我国重要的经济树种之一。但在生长过程中常常遭受各种生物胁迫和非生物胁迫危害。其中，碱性盐胁迫是葡萄生产面临的主要问题之一，成为制约我国葡萄产业可持续发展的重要因素。盐碱胁迫下，葡萄生长缓慢，植株矮小，叶绿素合成受阻，叶绿体降解加速，通过叶片气孔限制与非气孔限制影响植物光合；其次，胞内离子失衡，影响葡萄的产量和品质。盐碱胁迫不仅影响葡萄生长，导致葡萄产量降低，还影响浆果发育，降低糖度和风味物质含量，影响葡萄酒的品质；开展葡萄耐盐碱性研究对指导葡萄盐碱地栽培和耐盐碱种质创制至关重要。
热激蛋白（HSP）是原核和真核生物受到非生物胁迫时合成的一类应激蛋白，其作为分子伴侣负责细胞内蛋白质折叠、组装、易位和降解，维持新生多肽的天然构象或将变性蛋白质重组为天然构象。根据质量大小和序列同源性，HSP分为5个家族；HSP100（约100 kD）、HSP90（83‒90 kD）、HSP70（66‒78 kD）、HSP60（约60 kD）和 sHSPs（14‒42 kD）。sHSP蛋白具有一条小的多肽链（16‒42 kD），包括保守的C端结构域和差异性较大的N端，C端大约含有90个氨基酸，又称α-晶体蛋白域（ACD），是小分子热激蛋白发挥分子伴侣作用的关键。
HSP在植物生长发育和逆境胁迫中发挥重要作用。许多研究表明，热激蛋白HSP18.2在植物生物和非生物胁迫抗性上均发挥重要作用，但目前尚未有该类基因调控碱性盐抗性的报道。
近日，《生物技术通报》在线发表了题为《VvHSP18.2过表达调节葡萄盐碱抗性的功能分析》的文章。本研究旨在分析葡萄VvHSP18.2启动子区逆境响应元件，阐明其非生物胁迫响应特性，重点鉴定其调节碱性盐抗性的功能，并揭示其可能的作用机制。研究结果不仅为探索葡萄耐碱性盐新机制奠定了理论基础，也为葡萄耐碱性盐种质创制提供了靶基因。
本文主要包括以下几部分内容：
1 材料与方法
1.1 材料
1.2 方法
2 结果
2.1 VvHSP18.2系统进化及表达分析
2.2 过表达VvHSP18.2提高葡萄根系NaHCO3胁迫抗性
2.3 过表达VvHSP18.2提高拟南芥NaHCO3抗性
2.4 过表达VvHSP18.2不能提高拟南芥NaCl胁迫抗性
3 讨论
4 结论
本研究旨在分析评价葡萄热激蛋白基因VvHSP18.2的非生物胁迫响应特性及其抗逆功能。研究发现，VvHSP18.2受多种非生物胁迫（包括NaHCO3、NaCl、PEG6000及AlCl3）快速诱导表达；在葡萄根系和拟南芥中过表达该基因可显著增强植株对NaHCO3的耐受能力，但对NaCl抗性未有显著影响。
在其他植物上也发现HSP快速响应非生物胁迫。HSP响应多种非生物胁迫的原因可能在于启动子区域含有多种激素应答及非生物胁迫响应相关元件。许多研究也暗示了包括VvHSP18.2在内的HSP可能调控多种非生物胁迫抗性。
本研究利用转基因葡萄根系和拟南芥阐明了VvHSP18.2能提高NaHCO3胁迫抗性，并提高了抗氧化酶活性，降低了活性氧水平；暗示该基因可能通过维持胁迫下氧化还原平衡来提高植物抗性。HSPs作为分子伴侣能协助蛋白质的正确折叠与运输，维持蛋白质构象与功能稳定，进而提高胁迫下抗氧化酶活性，维持氧化还原平衡。例如，在盐碱胁迫下，大豆中的GmHSP70通过阻止抗氧化酶的降解来提高抗氧化酶活性，从而提高植株的抗氧化能力并增强植株的盐碱抗性。Hsp17.6CII可通过提高CAT活性并抑制CAT在盐碱胁迫下的聚集，增强植物对盐碱胁迫的抗性。异源过表达JrsHSP17.3可提高拟南芥的抗氧化酶活性，抑制H2O2积累，从而增强其耐盐性。异源过表达GhHSP70-26则通过提高抗氧化酶活性与脯氨酸含量，增强活性氧清除能力，进而提高植物的抗旱性。BvHSP18.2通过增强抗氧化酶活性，提高植株的抗氧化能力，从而缓解镉胁迫引起的氧化损伤，并协助维持细胞内离子稳态，显著提高拟南芥对重金属镉的耐受能力。HvHSP16.9通过增强膜蛋白稳定性并提高活性氧清除能力，从而提高植物的耐盐性。此外，部分HSPs还能通过保护细胞器（如线粒体）从源头上减少超氧阴离子的产生。MsHSP23通过保护线粒体功能，提高其活性氧清除能力，减轻氧化损伤与电解质渗漏，从而显著提高植物对盐与重金属砷胁迫的耐受性。以上研究暗示了氧化还原调节可能是HSP家族行使抗逆功能的共同途径。
现有研究表明，HSP能调控各种非生物胁迫抗性，其主要机制包括：减少植物细胞的脂质过氧化以维持其完整性、提高抗氧化酶活性以增强抗氧化能力、维持组织含水量、保护光合系统及促进种子萌发等。例如，与野生型相比，过表达GmHsp90的拟南芥在高温、盐和干旱胁迫下表现出更高的发芽率、较低的叶绿素流失与脂质过氧化水平，并能维持正常生长发育，表明GmHsp90具有减轻植物非生物胁迫损伤，提高植株抗逆性的功能。类似地，过表达HSP70被证实可提高植物对高温、干旱及盐胁迫的耐受性。水稻中过表达sHSP17.7能显著增强幼苗的耐旱能力。RcHSP17.8通过降低电导率与失水率，显著提升植株的耐盐性。ER-sHSP的转基因番茄植株则通过形成较粗的根系，维持较高的相对含水量，从而减轻盐胁迫对光合系统的损伤。然而，部分Hsps也可增强植物对盐胁迫的敏感性。例如，辣椒中过表达CaHSP22.0能提高活性氧水平并抑制抗氧化酶活性，导致植物对高温和盐胁迫更敏感。过表达AsHsp17同样降低了匍匐曲草对盐胁迫的耐受性。本文阐明VvHSP18.2提高NaHCO3抗性，但对NaCl抗性无显著影响，表明个HSP成员间具有功能相似性，但也具有功能特异性。
本研究明确了VvHSP18.2调控NaHCO3胁迫抗性的功能，为解析碱性盐抗性机制和耐盐碱种质创制提供了靶基因。但是本研究尚未能充分揭示VvHSP18.2调控碱性盐的机制及途径；考虑到HSP常以分子伴侣的形式发挥功能，下一步将筛选VvHSP18.2互作蛋白，深入挖掘其调控途径。
VvHSP18.2具有组织表达特异性，在葡萄根中的表达水平显著高于叶和种子，低于愈伤组织和果实。VvHSP18.2能快速响应NaHCO3、NaCl、AlCl3和PEG6000胁迫，其中，对PEG6000的响应最迅速，对NaHCO3的响应幅度最大。过表达VvHSP18.2通过提高植物抗氧化酶活性来调控活性氧代谢平衡，从而增强葡萄根系和拟南芥的NaHCO3胁迫抗性，但不能提高拟南芥的NaCl胁迫抗性。
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