植物激素在苔藓生长发育与逆境响应过程中的作用机制研究进展

杨瑞瑞，李小双，梁玉青，张道远*

(1 新疆抗逆植物基因资源保育与利用重点实验室，中国科学院新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐 830011；2 中国科学院大学，北京 100049)

植物激素是植物体内产生的一类信号分子，在很低浓度下(10-9～10-6mol/L)就能产生明显生理效应，可以在合成部位或者经维管系统运输到距合成部位相对较远的组织中起作用，通过调控基因表达来调控植物的生长发育以及应对环境胁迫[1-3]。植物激素往往会形成复杂的互作网络调控植物的各种生理活动，其在植物抵御非生物及生物胁迫(干旱、寒冷、高温、高盐、病菌侵害等)中发挥关键作用[4-6]。在传统的认知上，茉莉酸(jasmonic acid, JA)、乙烯(ethylene, ET)和水杨酸(salicylic acid, SA)被认为是植物防御相关激素，而生长素(auxin)、细胞分裂素(cytokinin, CK)、赤霉素(gibberellins, GAs)和油菜素甾醇(brassinosteroids, BRs)被认为是植物发育相关激素[7-8]，ABA被认为是调节植物非生物胁迫主要激素。但是越来越多的研究发现植物激素的功能并不是单一的，一种植物激素可直接或间接地参与多种生理功能，例如，JA、ET和SA不但参与植物防御，也参与植物生长发育，而GAs和Auxin除了影响植物生长发育，同时也参与到生物和非生物胁迫反应当中[7-8]。

苔藓植物是最早的登陆植物，包括藓纲、苔纲和角苔纲3类，在大约4.5亿年前由水生植物进化而来[9]。苔藓植物具有许多不同于维管植物的形态和生理特征，其结构简单、个体矮小，缺乏维管组织，无真正的根系系统，单倍体是主要的生活世代，对水分调控能力也十分有限。苔藓植物是水生到陆生植物进化过程中的关键节点，同时也是有力实验工具[10-12]，是研究植物激素进化的重要模式生物[13]。苔藓植物激素存在与维管植物相似的细胞内信息传递机制[14]， 但在其合成代谢和信号转导通路方面与维管植物并不完全相同，它们之间存在着一些差异性。

植物激素与苔藓植物的生长发育及环境胁迫密切相关。在小立碗藓(Physcomitrellapatens)中脱落酸不敏感3基因(ABA Insensitive 3，ABI3)通过调控生长素相关基因抑制小立碗藓营养生长，表明苔藓植物ABA与生长素相互作用可以调节植物生长发育[15]；小立碗藓在盐胁迫下脱落酸信号通路的相关基因(ABI3、ABI5、SAG)上调表达，从而通过延迟衰老以抵御盐胁迫[16]；生长素信号途径中的GH3(Gretchen Hagen 3)基因突变会提高小立碗藓对腐霉菌(Pythium)的抗性[17]；研究还发现小立碗藓乙烯信号通路中的AP2/EREBPs基因能够被金属胁迫诱导[18]。除了模式植物小立碗藓外，在黄丝瓜藓(Pohlianutans)中JAZ1作为一种抑制因子介导JA-ABA协同互作，促进盐胁迫下丝瓜藓的生长[19]。总的来说现有研究表明植物激素在苔藓的生长发育、非生物胁迫、生物胁迫过程中起到重要作用，但研究相对薄弱，并多集中于模式苔藓小立碗藓等少数种类[13]。本文梳理了苔藓植物激素在合成代谢与信号转导通路中关键基因组分与维管植物相比的异同，并系统综述了植物激素在苔藓生长发育、非生物与生物胁迫过程中所起到的作用以及调控机制，旨在对今后苔藓植物激素调控机制的研究提供一定的研究思路和理论参考。

1 苔藓植物激素合成代谢和信号转导通路中关键基因组分

植物激素研究多集中在维管植物中，且在实验层面进行了详细而系统的论证与推演，形成了较为完善的植物激素合成代谢与信号转导通路。随着越来越多苔藓植物基因组得以测序[20-21]，苔藓植物激素合成代谢与信号转导相应研究逐渐深入。已有研究表明苔藓植物中存在对植物体非常重要的8种激素或是其前体形式[13]，以小立碗藓为例通过生物信息学及实验研究表明苔藓植物中已经进化出了植物激素合成代谢及信号转导关键基因组分(表1)。

1.1 脱落酸(ABA)

维管植物中ABA是由玉米黄质环氧化酶(zeaxanthin epoxidase, ZEP)、新黄质合酶(ABA deficient 4, ABA4)、9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶(9-cis-epoxycarotenoiddioxygenases, NCED)、黄质醛脱氢酶(ABA deficient 2, ABA2)、ABA醛氧化酶3(abscisic aldehydeoxidases, AAO3)等一系列酶催化而生成的。ABA的代谢主要由CYP707A催化，产物为红花菜豆酸(phaseic acid，PA)、二氢红花菜豆酸(dihydrophaseic acid，DPA)和新红花菜豆酸(neophaseic acid，neoPA)等。ABA的主要存储形式为ABA-GE，是由UDP葡萄糖基转移酶UGT71C5/B6/B7/B8催化而成，同时糖基水解酶BG1/2又可以将ABA-GE转化为ABA[22]。ABA信号转导通路ABA受体PYR/PYL/RCAR、PP2C蛋白磷酸酶和SnRK2蛋白激酶组成了ABA信号核心组分，维管植物中各组分之间的作用机制都有较为深入的研究[23-24]。

苔藓植物ABA合成代谢与信号转导中关键基因组分是保守的，通过基因组Blast分析发现，在合成通路上，NCED、ABA1、ABA2等基因在地钱(Marchantiapolymorpha)和小立碗藓基因组上均存在[25]；在信号转导通路上，从苔藓植物中开始出现ABA受体PYR/PYL/RCAR、Group APP2Cs和4个亚类ⅢSnRK2s等ABA信号转导的核心基因成分(图1)，而藻类植物关键组分是不完整的，例如轮藻类软克里藻(Klebsormidiumflaccidum)等低等植物中不存在ABA受体PYR/PYL/RCARs[26]，暗示自苔藓植物开始，植物界建立了基本的ABA信号转导通路[27]。苔藓植物是水生向陆生植物进化的过渡类群，其ABA核心信号通路的建立对植物向陆地的迁移，特别是植物对旱生环境的适应具有重要意义[28]。苔藓植物ABA合成代谢和信号转导通路上的基因种类与维管植物相比是相对保守的，但是信号通路上的基因数量较维管植物偏少(图1)，这表明苔藓植物中还未进化出更多功能冗余的基因，调控关系较为简单[28]。如图1所示，ABA受体基因PYL在小立碗藓中仅存在5个，在蕨类植物卷柏(Selaginellatamariscina)和被子植物拟南芥(Arabidopsisthaliana)中分别是10和14个基因；蛋白磷酸酶基因PP2C-A在小立碗藓中只存在2个，而在卷柏和拟南芥中分别是5和9个基因，这种基因数量上的扩张可能与植物基因进化过程中表现出越来越精细的功能调控有关[29]。

图1 苔藓植物ABA信号通路关键基因数量进化趋势

1.2 茉莉酸(JA)

JA生物合成和信号转导通路在维管植物中已有大量的研究，相应的合成、转运、信号转导中涉及的酶等核心组分已经被鉴定出来，对于JA与其他植物激素信号通路之间互作关系的认识也正在逐步加深[30]。已有研究发现虽然苔藓植物具有编码JA合成及信号通路核心组分的同源基因[31]，但是有些苔藓并不能产生JA[32]，暗示这些苔藓植物可能并不是通过JA参与信号转导，而是可能通过JA合成通路中的其他代谢产物完成信号传导。例如，在小立碗藓基因组上能够找到JA合成通路中的脂氧合酶(lipoxygenase， LOX)、丙二烯氧化合酶(allene oxide synthase, AOS)、丙二烯氧化物环化酶(allene oxide cyclase, AOC)、古老黄酶(old yellow enzyme, OPRs)等关键酶基因的同源序列[25]，但小立碗藓却仅能合成JA的前体12-氧-植物二烯酸(12-oxo-phytodienoic acid, OPDA)，不能合成JA[33-34]。同时，有研究表明在小立碗藓中分别突变PpAOC1和PpAOC2两个基因后，突变体小立碗藓会出现育性降低、孢子体形态异常和孢子发生中断等现象，这表明小立碗藓中存在茉莉酸感知信号途径，并且JA信号途径调控小立碗藓的生长发育[34]。所以，苔藓植物中利用茉莉酸以外的其他氧化脂质如OPDA调控生长繁殖以及进行抵御环境胁迫可能是一种更普遍的机制。

1.3 赤霉素(GAs)

GAs生物合成和信号转导通路中大部分关键组分已经通过遗传筛选的方法从模式植物拟南芥和水稻中被鉴定出来[35]，其关键组分包括合成途径的内根-古巴焦磷酸合成酶(ent-copalyl diphosphate synthase，CPS)、内根-贝壳杉烯合成酶(ent-kaurene synthase，KS)、内根-贝壳杉烯氧化酶(ent-kaurene oxidase，KO)等[36]酶基因，以及信号通路的GA受体赤霉素不敏感矮秆基因1/2(GA insensitive dwarf 1/2，GID1/2)、DELLA、F-box蛋白SLEEPY1基因(SLY1)[35]。GA在拟南芥等维管植物中具有高度保守的信号通路 GA-GID1-DELLA功能模块[36]。与维管植物相比，苔藓植物GA在合成代谢以及信号转导通路中表现出一定的差异性。其中，在合成通路中，苔藓植物GAs合成相关的基因功能还未特化，缺少关键的贝壳杉烯氧化酶基因KAO。例如，小立碗藓中只有一个双功能二萜环化酶基因PpCPS/KS[36]，这可能会影响到小立碗藓GAs的合成，导致在小立碗藓中未检测到GAs，只发现了GA前体内根-贝壳杉烯(ent-kaurene)和内根-贝壳杉烯酸(ent-kaurenoic acid)[36-37]。在信号转导通路中，苔藓植物例如小立碗藓虽然存在GA受体基因GID1-like和DELLA-like，但是实验表明小立碗藓GID1-like蛋白在体外与GA 没有结合活性，同时酵母双杂实验也发现小立碗藓GID1蛋白在体外与小立碗藓DELLA蛋白未发生互作。此外，小立碗藓DELLA基因突变体没有显示出与维管植物类似的突变体生长缺陷表型。这些研究结果说明小立碗藓GID1和DELLAs的功能及作用机制可能不同于维管植物[36]。但是，苔藓植物GA合成代谢与信号转导中出现的这种不同是如何发生的，其内在的机制是如何作用的都不清楚，所以有关苔藓植物中GA合成代谢与信号转导通路尚需要进一步解析及确凿的实验验证。

1.4 油菜素甾醇(BRs)

BRs是一类重要的植物调控激素，目前研究表明BRs广泛存在于苔类地钱、藓类小立碗藓，以及维管植物卷柏、拟南芥等植物中[10]。在大多数非维管植物例如苔藓中发现具有生物活性的油菜素甾醇类型是甾酮(castasterone, CS)，但是缺失活性物质油菜素内酯(brassinolide)，同时发现非维管植物中CS的含量比维管植物要低几个数量级[10]。维管植物中 P450家族成员CYP85和CYP72基因涉及BRs的合成与代谢，系统发育分析表明在BRs合成过程中地钱、小立碗藓和卷柏中均存在与BRs合成相关的CYP85同源基因，但是非维管植物CYP85基因类型比维管植物更为原始简单；在BRs代谢过程中地钱、小立碗藓和卷柏中具有涉及BRs降解的CYP72基因家族同源序列。这些结果表明苔藓这种早期登陆植物可能合成并且降解BRs[10]。另外，还发现小立碗藓中存在BRs信号转导的关键基因(表1)[25，38]，如BRI1(brassinosteroid insensitive 1，油菜素类固醇不敏感1)、BAK1(BRI1-associated receptor kinase 1，BRI1相关受体激酶1)、BSKs(brassinosteroid signaling kinases，油菜素类固醇信号激酶)、BIN2 (brassinosteroid insensitive 2，油菜素类固醇不敏感2)和BZR1(brassinazole-resistant 1，芸薹素唑耐受因子1)等的酶基因。

1.5 乙烯(ET)

维管植物中乙烯生物合成途径已经得到了较为充分的研究。乙烯生物合成主要经过两步[39]，S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine，SAM)首先被ACC合成酶(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid synthases，ACS)分解成乙烯前体1-氨基环丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropanecarboxylic acid, ACC)，这一步是乙烯合成重要调控步骤；随后ACC被ACC氧化酶(1-aminocyclopropane-1-carboxylate oxidase, ACO)转化为乙烯。乙烯合成的关键两步在转录和翻译后水平都会受到调控。而苔藓植物中乙烯相关的研究较少，目前发现苔藓植物能够产生乙烯，存在与维管植物乙烯合成及信号转导关键基因的同源序列[38]。例如，在一些藻类和苔藓中发现了乙烯合成途径中的关键酶ACS的同源基因[40]。小立碗藓中发现了7种编码ETR-Like乙烯受体基因，其中发现至少有一种受体能够与乙烯结合[41-42]，这说明在苔藓等早期登陆植物中已经进化出乙烯合成及乙烯信号通路。

1.6 细胞分裂素(CK)

自然界中存在最为普遍的细胞分裂素是N6-取代腺嘌呤衍生物或芳香族细胞分裂素[43]。研究表明苔藓植物中存在细胞分裂素，例如发现小立碗藓中最主要的细胞分裂素是N6-异戊烯腺嘌呤(N6-isopentenyladenine，iP)[44]。研究表明苔藓植物是最早进化出异戊烯基转移酶(isopentenyl transferase,IPT)和细胞分裂素氧化酶/脱氢酶(cytokinin oxidase/dehydrogenase,CKX)基因的陆生植物[44]，其中小立碗藓存在7个IPT基因[45]和6个CKX基因[46]。苔藓植物中IPT和CKX基因的出现是细胞分裂素进化的重要事件，通过这两个基因调控细胞分裂素的生物合成和降解过程从而维持细胞分裂素的稳态[43]。同时，分析地钱与小立碗藓的基因组发现，其具有细胞分裂素关键的信号通路基因AHK(arabdopsis histidine kinase2，细胞分裂素受体组氨酸激酶2)、AHPs(arabdopsis histidine phosphoransfer proteins，组氨酸磷酸转移蛋白)、RRAs(A-type response regulators，A类响应调节因子)、RRBs(B-type response regulators，B类响应调节因子)、CRF(cytokinin responses factors，细胞分裂素响应因子)，表明在苔藓植物中具有细胞分裂素的信号转导途径[38]。

1.7 生长素(Auxin)和水杨酸(SA)

生长素起源于低等的藻类植物。研究发现在轮藻的基因组上存在生长素相关的同源基因ARFs(auxin response factors，生长素响应因子)、AUX/IAAs(auxin/indole-3-acetic acids proteins，生长素/吲哚乙酸蛋白)和PINs(PIN-formed genes，PIN-formed基因)，且进一步研究发现在轮藻中存在生长素[38]。与轮藻类似，在苔藓植物地钱和小立碗藓基因组生物信息分析中都可以找到几乎所有与生长素信号转导以及转运等过程相关的核心基因组分[38]。

水杨酸(SA)能够在小立碗藓中检测到，参与SA合成与信号转导通路的关键因子存在于小立碗藓中，其只有一个NPR1/NPR3/NPR4-like基因(病程相关基因非表达子, nonexpressor of pathogenesis-related genes)，这个基因可能是维管植物的NPR1、NPR3和NPR4的祖先[33]。

综上所述，主要的8种植物激素在苔藓植物体(以小立碗藓为例)内几乎都能找到所有关键的基因组分(表1)，并在植物进化上具有保守性；但同时在基因数量、基因种类、部分代谢途径及信号调控通路上存在一定的差异性[47-48]。此外，苔藓植物激素的研究多集中在基于基因组数据的生物信息学分析上，有关植物激素合成及信号转导通路中关键基因组分的作用机制研究尚比较薄弱，更缺乏有力的实验性证据。

表1 小立碗藓植物激素合成、代谢与信号转导通路关键基因组分

2 植物激素与苔藓植物生长繁殖

植物激素在植物体内的含量虽然很低，但几乎参与调节了植物生长发育过程中所有生理过程[3]。研究表明Auxin、GA、CK、ABA等植物激素在苔藓生长发育中起重要作用。

生长素Auxin在维管植物的整个生命周期中都是必需的，参与维管植物的胚轴和根尖分生组织形成、器官定位和启动、组织分化以及向光和向重力反应等。在苔藓植物中生长素功能与维管植物具有相似性，可促进绿丝体向轴丝体的转变、茎伸长、叶状茎的分化以及配子体的休眠[50-53]。过表达小立碗藓PpSHI1基因发现生长素报告子GmGH3pro:GUS表达量增加，表明PpSHI1基因的过表达可增加内源生长素含量，同时发现轴丝体/绿丝体的比率在一定程度上有所增加，加速了衰老；当敲除PpSHI1基因会造成小立碗藓叶状茎生长素生物合成速率下降，使得生长素水平降低，导致节间伸长减少，轴丝体/绿丝体比率降低，衰老延迟[54]。说明PpSHI基因正调控参与生长素介导的苔藓的生长分化，加快苔藓的生长周期。Eklund等研究表明生长素是地钱叶状体正常发育所必需的，在地钱中具有生长素合成的最小合成途径—IPyA途径，该合成途径主要活跃在叶状体的分生区。先前研究认为苔藓植物中大部分生长素来源于是色氨酸(Trp)非依赖型途径，但目前研究表明苔藓植物会依赖Trp通过IPyA途径产生生长素[50]。

GAs是一种影响苔藓植物生长发育的重要激素。小立碗藓中存在GAs前体物质内根-贝壳杉烯与内根-贝壳杉烯酸，具有调节苔藓原丝体分化的功能[55]；地钱可以产生内源性赤霉素类物质，促进配子体细胞的伸长[56]，表明苔藓植物可以通过GA前体或赤霉素类似物完成赤霉素信号转导。在维管植物中赤霉素可以促进种子萌发，但是研究发现在大泥炭藓(Sphagnumpalustre)、尖叶泥炭藓(Sphagnumcapilifolium)和锈色泥炭藓(Septoglomusfuscum)中赤霉素却会抑制其孢子的萌发，其存在的机理尚需进一步深入探究[57]。

CK与ABA两者可以通过互作调控苔藓细胞分化。有研究表明对苔藓2个近缘种葫芦藓(Funariahygrometrica)和小立碗藓施加细胞分裂素有助于诱导苔藓的绿丝体分化成配子体[58]；而后又发现ABA对葫芦藓配子体的分化具有抑制作用，这与细胞分裂素的作用相反，更进一步研究发现ABA抑制配子体分化的作用并不是通过竞争细胞分裂素的受体造成的[59]，但是CK与ABA具体的互作机制还需要深入探究。

在维管植物中独脚金内酯(strigolactones，SLs)是一种新型的植物激素，在株型建成、光形态建成、花青素积累及对干旱、低磷等环境胁迫的适应中发挥重要的作用。此外，独脚金内酯作为根际信号促进寄主植物与丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungus)的共生，有助于植物吸收水分和营养[60]。独角金内酯在苔藓生长发育过程中也可能发挥负调控的作用，例如，在小立碗藓中SL作为信号分子抑制细胞的分裂和轴丝体的伸长，类似于其对维管植物侧根的抑制作用，这说明苔藓植物独角金内酯信号通路在进化过程与维管植物之间具有保守性[61]。

3 苔藓植物激素与环境胁迫

3.1 苔藓植物激素与生物胁迫

植物激素SA、JA、ET在维管植物抵御病原体方面起着重要作用。此外，其他类型的植物激素如ABA、Auxin、CK、GAs和BRs等也是植物免疫的调节因子[62]。植物激素在复杂的植物抗病调控网络中起着调节作用，是进化的基础模型系统，它们进化出了应对生物胁迫的关键适应机制，适用于分析病原菌攻击后植物的防御反应[63]。如图2所示：以模式植物小立碗藓与拟南芥为例[63-64]，拟南芥中8种主要的植物激素与生物胁迫之间的作用都有研究，但是在苔藓植物中只有SA、Auxin、JA、ET、ABA等激素有少数的病原菌研究报道，而且在抗病中所发挥的作用以及调控机理的研究较少。拟南芥和小立碗藓两者都会通过第二信使Ca2+传递病原菌感染信号，Ca2+依赖性蛋白激酶MAPK通路被激活，MAPK级联反应参与多种防御反应信号传导，包括调控植物激素生物合成和信号传导、防御基因的激活、酚醛类物质的形成，以及木质素前体(小立碗藓体内)或木质素(拟南芥体内)合成、细胞壁的强化以及植物细胞超敏反应(hypersensitive response，HR)。在拟南芥中活性氧(ROS)与植物激素信号以及Ca2+信号整合在一起，通过长距离信号转导调节整个植物体抵御病原菌[64]，但是在小立碗藓中ROS、植物激素及病原菌胁迫之间的研究还未有报道。由此可见，苔藓植物激素与病原菌胁迫之间还有很多值得探索的领域。

3.1.1 苔藓植物Auxin与生物胁迫Auxin参与调控植物生长发育的各个过程，包括胚胎发育、器官发生和向性运动等[65]，同时也调控植物与环境相互作用的许多过程，在植物与病原菌互作过程中发挥的作用越来越受到关注[66]。研究显示Auxin与水稻和拟南芥等维管植物的抗病性密切相关，但是不同维管植物中生长素在应对生物胁迫中所发挥的作用不同[17,67-69]。

研究发现IAA在苔藓植物生物胁迫中起到正调控作用。Mittag等发现在小立碗藓基因组中存在2个GH3基因，将小立碗藓的2个GH3基因敲除获得双突变体小立碗藓后，让其感染卵菌(Pythiumdebaryanum)，发现双突变体游离IAA含量是未感染时的4～5倍，其病症较野生型弱，说明在浓度较高的生长素环境中卵菌的生长会受到抑制，使得GH3双突变体小立碗藓表现出对卵菌的抗性[17]。类似的研究发现，小立碗藓在感染软腐果胶杆菌(Pectobacteriumcarotovorum)后生长素的含量升高，激活了生长素信号途径[70]。另外，在炭疽病菌(Colletotrichumgloeosporioides)感染小立碗藓后也出现上述类似情况，生长素含量在受到病原菌侵染后上升，信号通路被激活[71]，说明苔藓植物是通过增加生长素含量达到抵抗病原菌的目的。

3.1.2 苔藓植物JA与生物胁迫JA及其衍生物与病原菌胁迫也密切相关。维管植物在受到病原体攻击后，茉莉酸-异亮氨酸(jasmonic acid-isoleucine，JA-Ile)会迅速积累，促进JA受体COI1(COR-insen-sitive1)和抑制蛋白JAZ(jasmonate ZIM-domain)之间的相互作用，导致JAZs蛋白泛素化，并随后通过蛋白酶体降解，JAZs的降解减轻了对MYC等下游转录因子的抑制，使JA调控的基因得以表达，从而响应病原菌的侵害[72]。在维管植物中JA的前体OPDA作为一个信号分子诱导防御相关基因表达[73]，在苔藓中OPDA也可能发挥类似信号分子的作用。研究显示在受到腐霉菌、灰霉菌等病原菌攻击后小立碗藓内源OPDA含量会升高[33,74]，同时检测到小立碗藓配子体中OPDA合成相关基因，包括脂氧合酶(LOX)和丙二烯氧化物合酶(AOS)基因表达量增加，并且JA合成通路中的代谢产物游离亚麻酸浓度升高，这表明在受到病原菌攻击后茉莉酸合成通路受到诱导[33]。

OPDA是一种活性很强的氧化脂质，对多种微生物病原体具有抗菌活性[75]，它的含量增加有助于减少苔藓组织中病原菌的数量[31]。Fesenko等发现用MeJA处理小立碗藓会诱导其肽库发生显著变化，产生一些具有抗菌活性肽，这表明茉莉酸信号通路调控免疫应答过程中蛋白质释放[76]。大灰藓(Hypnumplumaeforme)中二萜环化酶(HpDTC1)基因在受到生物胁迫时上调表达，JA前体OPDA也可以增强HpDTC1的表达和二萜植保素(momilactone)的积累，但JA不能诱导HpDTC1的表达和二萜植保素的积累，这意味着大灰藓可能是通过OPDA而非JA调控HpDTC1的表达和二萜植保素生物合成，这些结果证明在大灰藓中可能存在一个依赖JA信号通路进化上相对保守但又区别于维管植物的化学防御系统[77]。

3.1.3 苔藓植物SA与生物胁迫系统获得性抗性(systemic acquired resistance，SAR)是植物在长期对原菌侵染过程中逐步形成的一种防卫机制。SA在该机制中扮演着中心角色，它通过调控下游的NPR以及转录因子WRKYs、TGAs(TGACG motif-binding factors)等基因进而激活植物的SAR反应[78]。在拟南芥研究中发现NPR3和NPR4是SA受体，而NPR1是SAR的关键调控因子，NPR基因能够调控维管植物中长距离信号的传导，为整个植物的继发感染提供广谱和持久的抗性。NPR3和NPR4是免疫调节中的负调控因子，二者作为底物受体将NPR1招募到E3泛素连接酶上，导致NPR1被蛋白酶体降解，无法激活下游的转录因子，如WRKYs和TGAs以及PR(pathogenesis-related)等基因的表达[79]。

SA在苔藓植物病程响应过程中发挥着积极的作用。有研究在小立碗藓中发现了SAR反应的关键调控因子NPR的同源基因，当小立碗藓感染坏死型灰霉病菌(Botrytiscinerea)后，SA水平会增加；同时，如果用SA处理小立碗藓会增加防御基因苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonialyase，PAL)基因的转录积累，说明小立碗藓可能存在SA信号转导通路，在受到病原菌入侵后SA信号通路积极响应[33]。此外，柳叶藓(Amblystegiumserpens)在接种畸雌腐霉(Pythiumirregulare)后会激活类似SAR的反应，从而提高对灰霉病菌的抵抗力，但是柳叶藓体内产生的SAR反应是否与SA等激素相关还需进一步的研究阐明[80]。

3.1.4 苔藓植物ABA与生物胁迫ABA在维管植物不同生物胁迫过程中表现出的功能不同：例如，对于坏死性病原真菌，在拟南芥中ABA含量的增加能够产生有效抵抗性；但是对于细菌性病原菌，ABA含量的增加反而会增强对病原菌的敏感性，而ABA合成信号基因突变体显示出对细菌性病原菌的抗性[81-86]。在苔藓植物中也有关于ABA对病原菌影响的少数研究，目前为止人们对ABA在抵御生物胁迫中所起的作用依旧知之甚少。Cuming等研究表明ABA参与了苔藓对病原菌的防御[87]。Ponce de León研究显示小立碗藓受灰霉病侵染的植物体内ABA含量略有增加，但不能排除这种含量的增加可能是由病原菌产生引起的[33]。对小立碗藓外源施加ABA，能够诱导防御蛋白的合成，如RPM1样R蛋白、细胞内病程相关蛋白、脂氧合酶(LOX)、N-羟基肉桂酰/苯甲酰转移酶(参与植保素的产生)等，表明ABA可能正调控参与了苔藓对病原菌的防御[14]。

3.2 苔藓植物激素与非生物胁迫

植物激素在植物应对和适应不利环境条件方面起着关键作用，精细的激素信号网络和它们之间的协同调控使其成为调节抵御非生物胁迫反应的理想候选者[4]。苔藓在地球上分布广泛，在极端环境也多有分布，比如极地三洋藓(Sanioniauncinata)[88]，以及沙漠苔藓齿肋赤藓(Syntrichiacaninervis)[89]。苔藓能够在极端条件如干旱、低温、紫外辐射等环境中生存，说明苔藓存在适应非生物胁迫的机制[41]。近年来逐渐有研究关注到植物激素在苔藓非生物胁迫中所起到的作用(表2，图3)。目前苔藓植物激素非生物胁迫研究主要集中在ABA、CK、JA/OPDA等方面。其中，ABA的研究相对广泛，涉及到干、盐、冷、热等环境胁迫，例如ABA通过调控DREB蛋白(dehydration responsive element binding protein)或miR536调控ABI3适应干旱胁迫[90]；ABA还会通过调控SARK(senescence-associated receptor-like kinases)、PUB12/13(U-box E3 ligases12/13)应对盐胁迫[16,91]。苔藓植物细胞分裂素通过CKX调控细胞分裂素的浓度响应干盐胁迫[14]；茉莉酸通过信号通路中的JAZ抑制蛋白调节下游与盐胁迫相关的MYC2等的基因表达[19]。但是，迄今对于苔藓植物激素响应非生物胁迫的研究还不够深入，仅限于ABA、CK、JA等少数几种植物激素，并且研究大多局限于模式苔藓小立碗藓(表2)；而SA、ET、GA、BR、Auxin等激素是否参与非生物胁迫的研究尚缺乏报道。基于文献梳理，我们绘制了苔藓植物激素与非生物胁迫关系图(图3)。

蓝色箭头表示盐胁迫过程；黄色箭头表示干燥胁迫过程；红色箭头表示温度胁迫过程；黑色虚线箭头表示还未见研究报道。 表示正向调控， 表示负调控

表2 苔藓植物激素与非生物胁迫响应

3.2.1 苔藓植物激素与脱水耐受性植物脱水耐受性(简称“耐干性”)是指植物细胞内含水量降低90%以上但不会使植物发生不可逆损伤的能力[95-97]。苔藓植物具有体积小，径向生长，逐细胞水分运输，可以附着在岩石、木材和其他物体表面生长的进化特性，苔藓植物中大多数种类具有脱水耐受能力，这使它们比其他物种更具有环境适应优势，可以在缺水的地方定居[98]。耐干在苔藓植物中是非常普遍的现象，目前实验验证有200多种苔藓具有耐干性，根据其耐干能力可分为5个等级，其中齿肋赤藓和银叶真藓(Bryumargenteum)是耐干性最强的A类苔藓，能够耐受-162 Mpa的水势，基于其强大的耐干特性已经成为苔藓耐干研究的模式藓[99-103]，但目前关于植物激素参与2个耐干模式藓的研究还未见报道。

ABA被认为在植物脱水耐受性中具有重要作用。在干燥过程中ABA是维管植物调控气孔的开关，同时ABA也能促进种子的休眠[104]。ABA在苔藓中也发现了类似的生物学功能，ABA有助于增强苔藓配子体的耐干性[104-105]。Werner等发现葫芦藓原丝体能够在缓慢干燥过程中存活，同时发现ABA含量增加了6倍；而快速干燥会导致原丝体死亡，但是如果在原丝体中添加适当浓度的ABA，会诱导耐干相关蛋白的合成来介导苔藓原丝体耐干性[106]。而对干燥-复水处理后ABI3基因缺失突变体与野生型小立碗藓的sncRNA对比研究分析发现了22个新的miRNAs和6个siRNAs的基因组位点，包括TAS3a到TAS3e和TAS6；同时干燥-复水后小立碗藓降解组数据分析表明ABI3基因可能受到植物特异性miR536的调控，而其他ABA相关基因则受到其它的一些miRNAs和ta-siRNAs的调控[90]。 Li等研究了齿肋赤藓的10个ScDREB基因，结果表明其中6个基因ScDREB1、ScDREB2、ScDREB4、ScDREB6、ScDREB7和ScDREB8都参与ABA依赖的信号通路与耐干过程，在ABA与干燥诱导过程中上调表达[107]，因此ScDREB基因可能通过ABA信号通路正调控齿肋赤藓的耐干过程。可见，不论是苔藓植物还是维管植物，ABA信号通路都是通过正调控响应环境脱水，其信号的调控过程受到miRNA、转录因子等一系列因子的调节，是一个复杂的调控网络。

3.2.2 苔藓植物激素与盐胁迫苔藓植物激素ABA、JA、CK等响应盐胁迫。例如衰老相关受体样激酶(SARK)基因家族成员在拟南芥、大豆和水稻中被认为是叶片衰老的积极调节因子，同时广泛参与到环境应激反应中，而来自于小立碗藓的SARK基因表现出对盐和ABA的响应。在小立碗藓中过表达SARK基因能使其抗盐性增强；同时检测到该基因过表达之后ABA信号通路相关的基因(PpABI3、PpABI5、PpPP2C和PpLEA)表达受到显著的诱导，表明PpSARK可能通过ABA相关途径积极参与调节苔藓的耐盐性[16]。相似的结果在Kong等研究中也有发现PUB12/13 (U-box E3泛素连接酶)基因在拟南芥中参与ABA信号通路，通过26s蛋白酶体途径降解ABA信号通路中的关键蛋白ABI1(PP2C)，从而发挥调控作用[91]。这些研究表明ABA在小立碗藓等苔藓植物抗盐过程中起到积极的作用。

同时，有研究表明黄瓜丝藓中JA信号通路能响应盐胁迫。黄瓜丝藓具有保守的ZIM和JAZ结构域的核定位蛋白基因PnJAZ1，它能与MYC2蛋白互作，当施加外源OPDA会造成PnJAZ1蛋白降解；过表达PnJAZ1的黄瓜丝藓在早期发育表现出对盐胁迫的耐受性增强，对ABA敏感性降低，这可能是由于过表达PnJAZ1抑制了相关ABA信号途径基因的表达。这表明黄瓜丝藓PnJAZ1基因在盐胁迫下通过负调控介导JA-ABA协同互作，促进植物生长[19]。此外，这也说明JA和ABA可形成互作调控网络，共同调节响应盐胁迫[108]。采用高通量技术研究黄瓜丝藓高盐胁迫下转录组，发现JA和ABA途径相关基因大多数在盐胁迫后差异表达；外源施加MeJA和ABA能提高黄瓜丝藓对盐胁迫耐受力，同时检测到抗氧化物和类黄酮生物合成相关酶的基因表达上调。这些结果表明黄瓜丝藓在盐胁迫下激活ABA与JA植物激素两个信号通路，协同触发两个主要的抗氧化防御系统(抗氧化酶和黄酮类化合物)，以此清除活性氧类物质，保护细胞，应对盐胁迫[109]。

另外，CK在苔藓植物中也表现出提高抗盐性的能力。小立碗藓CKXs通过降解控制CK浓度，从而影响植物体的生长发育。在小立碗藓中通过系统发育分析，发现6个可能的CKXs，它们形成了一个单系分支；其中PpCKX1基因定位于液泡，过表达PpCKX1小立碗藓表现出较强的耐盐性[43]。

3.2.3 苔藓植物激素与温度胁迫为了应对温度胁迫产生的有害影响，植物进化出了由植物激素触发和介导的生理生化相关过程。ABA是陆生植物响应环境适应的主要胁迫激素，环境胁迫会激发ABA调控机制[87]。研究表明从极地环境生长的拟金发藓(Polytrichumformosum)中克隆到一个PaFKBP12基因(肽基脯氨酸异构酶，FK506-binding protein12)，发现该基因受到热和ABA诱导表达。在热胁迫条件下拟南芥PaFKBP12过表达株系(PaFKBP12-OE)比野生型表现出更好的生长表型和存活率；同时ABA处理下PaFKBP12-OE株系也表现出相似的表型，表明PaFKBP12基因可能通过ABA信号通路提高植物的耐热性[93]。在冷研究方面，小立碗藓ABA不敏感株系与野生型小立碗藓原丝体细胞在低温驯化条件下都获得了一定的抗冻性，但是ABA不敏感株系植株的抗冻性不如野生型强，表明ABA能够诱导提高小立碗藓的抗冻性，冷驯化过程需要依赖ABA的信号诱导[94]；之前也有类似的研究报道，Nagao等观察到ABA可以诱导原丝体积累抗冻相关的可溶性糖[110-111]；Arif等研究发现ABA和冷处理小立碗藓后，两种处理都诱导产生了很多相似的代谢产物，表明ABA可能会影响到抗冻过程中苔藓代谢水平的变化[92]。以上研究结果表明ABA在拟金发藓、小立碗藓等苔藓植物温度胁迫过程中发挥着积极的调控作用。

4 展 望

苔藓植物是由水生向陆地过渡的早期登陆的高等植物类群，具有非常独特的系统演化地位[112]。苔藓植物是生态系统中的重要组成部分，现有约23 000种，广泛分布在世界各地，从极地到荒漠，从高山到森林各种生境中均有分布，他们具有非常独特的生理生态适应机制[113]。

植物在生长发育过程中会受到不同程度的环境胁迫，植物在应对环境胁迫过程中进化出了很多精细且复杂的网络调控机制。对维管植物的激素在生长发育和环境胁迫中的调控机制研究较多，而且调控通路也已较为清楚，但植物激素在苔藓生长发育以及环境胁迫中的作用研究较少，机制不清，还有待进一步深入探索。目前苔藓植物激素研究的局限性主要表现以下几个方面：首先，大部分关于苔藓植物激素环境胁迫相关的研究只集中在ABA等少数几种激素上，并且大部分研究对象只局限于小立碗藓，很多其他种类的苔藓植物激素的研究仍是空白；第二，目前苔藓植物激素的研究只是简单的少数激素通路上基因功能的验证，整个苔藓植物激素合成代谢及信号转导通路中的大量基因的功能以及基因之间的作用机制尚不清楚；第三，由于苔藓植物特殊的进化地位，它们在植物激素的调控方式与维管植物相比具有一定的保守性，但是在基因种类数量、代谢途径和信号通路上也存在着一定的特殊性，这些差异性背后潜在的进化机制及其意义并未进行深入的揭示；第四，目前苔藓植物激素的研究大多都是追踪维管植物现有研究结果，进行局部验证性的试验，缺乏探索性、创新性、系统性的研究。

未来，建议一方面拓展苔藓植物研究对象的广度和代表性，尤其是生长在极端环境中的苔藓(如极端耐干苔藓、极地苔藓等)，深入解析其环境适应过程中植物激素的响应变化；另一方面，依托先进的多组学测序技术并联合现代分子生物学实验手段，创新性研究植物激素作用机制，综合推演分子调控网络，从全局、系统角度深入揭示植物激素对苔藓生长发育与逆境响应过程中的作用及机制。同时，作为水生植物到陆生植物的过渡类群，苔藓植物是研究植物激素进化的重要模式生物[13]，系统性比较研究苔藓植物激素的产生、变化、作用方式异同，有助于加深理解自然界植物适应性进化历程及机制，对阐释苔藓特殊进化地位具有重要意义。