Recent Advances in the Roles of HSFs and HSPs in Heat Stress Response in Woody Plants

⚡ 摘要

HSFs和HSPs在木本植物热应激响应中的作用研究进展

作者 Fengxia Tian; Xiaoli Hu; Tao Yao; Xiaohan Yang; Jin‐Gui Chen; Mengzhu Lu; Jin Zhang 期刊 Frontiers in Plant Science 发表日期 2021 ISSN 1664-462X DOI 10.3389/fpls.2021.704905 类型 原创研究 (Original Research)

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A continuous increase in ambient temperature caused by global warming has been considered a worldwide threat. As sessile organisms, plants have evolved sophisticated heat shock response (HSR) to respond to elevated temperatures and other abiotic stresses, thereby minimizing damage and ensuring the protection of cellular homeostasis. In particular, for perennial trees, HSR is crucial for their long life cycle and development. HSR is a cell stress response that increases the number of chaperones including heat shock proteins (HSPs) to counter the negative effects on proteins caused by heat and other stresses. There are a large number of HSPs in plants, and their expression is directly regulated by a series of heat shock transcription factors (HSFs). Therefore, understanding the detailed molecular mechanisms of woody plants in response to extreme temperature is critical for exploring how woody species will be affected by climate changes. In this review article, we summarize the latest findings of the role of HSFs and HSPs in the HSR of woody species and discuss their regulatory networks and cross talk in HSR. In addition, strategies and programs for future research studies on the functions of HSFs and HSPs in the HSR of woody species are also proposed.

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全球变暖导致的持续环境温度升高已被视为全球性威胁。作为固着生物,植物进化出了复杂的热激反应(HSR)来应对高温和其他非生物胁迫,从而最大限度地减少损伤并确保细胞稳态的保护。特别是对于多年生树木而言,HSR对其生命周期和发育至关重要。HSR是一种细胞应激反应,通过增加包括热激蛋白(HSPs)在内的分子伴侣数量来对抗高温和其他胁迫对蛋白质造成的负面影响。植物中存在大量的HSPs,其表达直接受一系列热激转录因子(HSFs)的调控。因此,了解木本植物响应极端温度的详细分子机制对于探索木本物种如何受到气候变化的影响至关重要。

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Background:

A continuous increase in ambient temperature caused by global warming has been considered a worldwide threat. As sessile organisms, plants have evolved sophisticated heat shock response (HSR) to respond to elevated temperatures and other abiotic stresses, thereby minimizing damage and ensuring the protection of cellular homeostasis. In particular, for perennial trees, HSR is crucial for their long life cycle and development. HSR is a cell stress response that increases the number of chaperones including heat shock proteins (HSPs) to counter the negative effects on proteins caused by heat and other stresses. There are a large number of HSPs in plants, and their expression is directly regulated by a series of heat shock transcription factors (HSFs). Therefore, understanding the detailed molecular mechanisms of woody plants in response to extreme temperature is critical for exploring how woody species will be affected by climate changes.

Methods:

N/A - Review article

Results:

Heat shock proteins are found in all living organisms and are classified into at least six different types based on their molecular weight: sHSPs, HSP40s, HSP60s, HSP70s, HSP90s, and HSP100s. Massive production of HSPs in plants is a major characteristic response for the acquisition of thermotolerance. Small heat stress protein is a class of alpha-crystallin domain (ACD) chaperons with a molecular mass of 15–30 kDa. According to sequence homology and subcellular localization, sHSPs are classified into 11 different classes. Class I–VI sHSPs are localized in the nucleus or cytoplasm, and the rest five classes of sHSPs are localized in mitochondria, chloroplasts, peroxisomes, or ER. Most studies have focused on the class I cytoplasmic sHSP and have divulged that sHSPs are involved in regulating thermotolerance in woody plants, such as RcHSP17.8 in Rosa chinensis, ThHSP18.3 in Tamarix hispida, PtHSP17.8 in Populus trichocarpa, CsHSP17.2 in Camellia sinensis, and MsHSP16.9 in Malus sieversii. Among these genes, RcHSP17.8 confers resistance to various stresses in E. coli, yeast, and Arabidopsis. Overexpression of RcHSP17.8 in transgenic tobacco seedlings exhibits significant resistance to high temperatures and osmotic stresses, manifested by low electrolyte leakage and higher proline content under stress conditions. Heterologous expression of ThHSP18.3 protects yeast cells from salt, drought, heavy metals, and extreme temperatures. Overexpression of PtHSP17.8 in Arabidopsis increases survival rate and root length under heat and salt stresses. The CsHSP17.2 in C. sinensis acts as a molecular chaperone to mediate heat tolerance by maintaining maximum photochemical efficiency and protein synthesis, enhancing the scavenging of reactive oxygen species (ROS), and inducing the expression of heat-responsive (HR) genes. Overexpression of M. sieversii MsHSP16.9 in Arabidopsis improves the tolerance of a plant to heat by alleviating the damages of ROS and regulating the expression levels of stress-related genes. Moreover, cytoplasmic class II and III sHSPs have also been reported to be involved in the HSR in woody species. For example, SpHSP17.3, a cytoplasmic class II sHSP gene from Sorbus pohuashanensis, responds to high temperature, salt, and drought stresses. Overexpression of a Prunus mume cytoplasmic class III sHSP gene (PmHSP17.9) improves the thermotolerance of transgenic plants.

Data Summary:

Heat shock proteins are classified into at least six different types based on molecular weight. Small heat stress proteins have a molecular mass of 15–30 kDa and are classified into 11 different classes. Among the examples, RcHSP17.8 confers resistance to various stresses in E. coli, yeast, and Arabidopsis. Overexpression of PtHSP17.8 increases survival rate and root length under heat and salt stresses. Overexpression of CsHSP17.2 maintains maximum photochemical efficiency and enhances ROS scavenging. Overexpression of MsHSP16.9 alleviates ROS damage and regulates stress-related gene expression.

Conclusions:

In this review article, we summarize the latest findings of the role of HSFs and HSPs in the HSR of woody species and discuss their regulatory networks and cross talk in HSR. Unraveling this underlying interconnected mechanism will help to understand the complex regulatory networks of the fitness and adaptive advantage of higher plants. Strategies and programs for future research studies on the functions of HSFs and HSPs in the HSR of woody species are also proposed.

Practical Significance:

Perennial woody plants are greatly significant components of the global ecosystem and play a key role in limiting the emissions of carbon dioxide (CO2) and other greenhouse gases. In addition, woody plants are the main biomass resources for biofuels. Understanding the detailed molecular mechanisms of woody plants in response to extreme temperature is critical for exploring how woody species will be affected by climate changes, which can inform breeding and management strategies to enhance heat tolerance in economically and ecologically important woody species.

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背景:

全球变暖导致的持续环境温度升高已被视为全球性威胁。作为固着生物,植物进化出了复杂的热激反应(HSR)来应对高温和其他非生物胁迫,从而最大限度地减少损伤并确保细胞稳态的保护。特别是对于多年生树木而言,HSR对其生命周期和发育至关重要。HSR是一种细胞应激反应,通过增加包括热激蛋白(HSPs)在内的分子伴侣数量来对抗高温和其他胁迫对蛋白质造成的负面影响。植物中存在大量的HSPs,其表达直接受一系列热激转录因子(HSFs)的调控。因此,了解木本植物响应极端温度的详细分子机制对于探索木本物种如何受到气候变化的影响至关重要。

方法:

不适用——综述文章

结果:

热激蛋白存在于所有生物体中,根据其分子量可分为至少六种不同类型:sHSPs、HSP40s、HSP60s、HSP70s、HSP90s和HSP100s。植物中HSPs的大量产生是获得耐热性的主要特征性响应。小热激蛋白是一类分子量为15-30 kDa的α-晶状体结构域(ACD)分子伴侣。根据序列同源性和亚细胞定位,sHSPs可分为11个不同的类别。I-VI类sHSPs定位于细胞核或细胞质,其余五类sHSPs定位于线粒体、叶绿体、过氧化物酶体或内质网。大多数研究集中在细胞质I类sHSP上,并揭示了sHSPs参与调控木本植物的耐热性,如月季中的RcHSP17.8、柽柳中的ThHSP18.3、毛果杨中的PtHSP17.8、茶树中的CsHSP17.2和新疆野苹果中的MsHSP16.9。在这些基因中,RcHSP17.8赋予大肠杆菌、酵母和拟南芥对多种胁迫的抗性。RcHSP17.8在转基因烟草幼苗中的过表达表现出对高温和渗透胁迫的显著抗性,表现为胁迫条件下较低的电解质渗漏和较高的脯氨酸含量。ThHSP18.3的异源表达保护酵母细胞免受盐、干旱、重金属和极端温度的侵害。PtHSP17.8在拟南芥中的过表达提高了在热胁迫和盐胁迫下的存活率和根长。茶树中的CsHSP17.2作为分子伴侣,通过维持最大光化学效率和蛋白质合成、增强活性氧(ROS)的清除以及诱导热响应(HR)基因的表达来介导耐热性。新疆野苹果MsHSP16.9在拟南芥中的过表达通过减轻ROS损伤和调控胁迫相关基因的表达水平来提高植物的耐热性。此外,细胞质II类和III类sHSPs也被报道参与木本物种的HSR。例如,花楸中的SpHSP17.3是一种细胞质II类sHSP基因,响应高温、盐和干旱胁迫。梅树细胞质III类sHSP基因(PmHSP17.9)的过表达提高了转基因植物的耐热性。

数据总结:

热激蛋白根据分子量可分为至少六种不同类型。小热激蛋白的分子量为15-30 kDa,可分为11个不同类别。在所列实例中,RcHSP17.8赋予大肠杆菌、酵母和拟南芥对多种胁迫的抗性。PtHSP17.8的过表达提高了在热胁迫和盐胁迫下的存活率和根长。CsHSP17.2的过表达维持最大光化学效率并增强ROS清除能力。MsHSP16.9的过表达减轻ROS损伤并调控胁迫相关基因的表达。

结论:

在本综述文章中,我们总结了HSFs和HSPs在木本物种HSR中作用的最新发现,并讨论了它们在HSR中的调控网络和交叉对话。揭示这一潜在的相互关联机制将有助于理解高等植物适应性和适应优势的复杂调控网络。还提出了未来研究木本物种HSR中HSFs和HSPs功能的策略和方案。

实际意义:

多年生木本植物是全球生态系统的重要组成部分,在限制二氧化碳(CO2)和其他温室气体排放方面发挥着关键作用。此外,木本植物是生物燃料的主要生物质资源。了解木本植物响应极端温度的详细分子机制对于探索木本物种如何受到气候变化的影响至关重要,这可以为育种和管理策略提供信息,以增强经济和生态上重要的木本物种的耐热性。

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# 木本植物热激转录因子和热激蛋白在热胁迫响应中作用的最新研究进展

冯天霞 1,2† , 胡晓丽 3† , 姚涛 3 , 杨晓涵 3 , 陈金贵 3 , 卢梦竹 2 , 张进 2*

1 南阳师范学院生命科学与农业工程学院,南阳,中国;2 浙江农林大学林业与生物技术学院,亚热带森林培育国家重点实验室,杭州,中国;3 橡树岭国家实验室生物科学部,美国田纳西州橡树岭

**摘要:** 全球变暖导致的持续环境温度升高已被视为全球性威胁。作为固着生物,植物进化出了精密的热激反应(HSR)来应对高温及其他非生物胁迫,从而最大限度地减少损伤并确保细胞稳态的保护。对于多年生树木而言,HSR在其漫长的生命周期和发育过程中尤为重要。HSR是一种细胞胁迫响应,通过增加包括热激蛋白(HSPs)在内的分子伴侣数量来对抗高温及其他胁迫对蛋白质造成的不利影响。植物中存在大量的HSPs,其表达直接受一系列热激转录因子(HSFs)的调控。因此,了解木本植物响应极端温度的详细分子机制,对于探索木本物种如何受气候变化影响至关重要。本文综述了HSFs和HSPs在木本植物HSR中作用的最新研究进展,并讨论了它们在HSR中的调控网络和交叉对话。此外,还提出了未来研究木本植物HSFs和HSPs在HSR中功能的策略和方案。

**关键词:** 热胁迫,木本植物,信号网络,分子响应,热激转录因子,热激蛋白

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## 引言

热胁迫是最具危害性的非生物胁迫之一,通过直接影响植物代谢对植物生命构成威胁(Rennenberg等,2006)。为了在长期热浪中成功存活,植物进化出了一系列适应机制来应对不断升高的环境温度(Bäurle,2016)。在这些机制中,热激反应(HSR)是一种快速响应机制,可保护蛋白质组免受高温及其他胁迫的损害(Mittler等,2012)。人们普遍认为,一类分子伴侣——热激蛋白(HSPs)——在植物暴露于极端高温时,在热激转录因子(HSFs)的驱动下被迅速诱导表达(Hu等,2009)。在HSR调控网络中,HSFs是有效防御系统的核心组分(Xue等,2014),而HSPs则直接负责蛋白质的折叠、组装、转运和降解(Molinier等,2006)。

多年生木本植物是全球生态系统的重要组成部分,在限制二氧化碳(CO₂)及其他温室气体排放方面发挥着关键作用。此外,木本植物是生物燃料的主要生物质资源。由于其多年生和长生命周期,木本植物在其一生中经历比草本植物更为严重和极端的非生物胁迫。木本植物可能进化出了更为复杂的胁迫响应机制(Anderegg等,2012)。广泛存在的保守HSR在草本植物中已被广泛研究,但林木方面的类似研究仍然有限(Mittler等,2012)。本文综述了HSFs和HSPs及其在木本植物HSR中的调控网络的最新研究进展。揭示这一潜在的互作机制将有助于理解高等植物适应性和适应优势的复杂调控网络。

## 热激蛋白:木本植物HSR中的主要角色

热激蛋白存在于所有生物体中,根据分子量至少可分为六种不同类型:sHSPs(小热激蛋白)、HSP40s、HSP60s、HSP70s、HSP90s和HSP100s(Zhang等,2013,2015a;Zandalinas等,2018)。HSPs在植物中的大量产生是获得耐热性的主要特征性响应。

### 小热激蛋白

小热激蛋白是一类分子量为15–30 kDa、含有α-晶体结构域(ACD)的分子伴侣。根据序列同源性和亚细胞定位,sHSPs被分为11个不同的类别。I–VI类sHSPs定位于细胞核或细胞质,其余五类sHSPs定位于线粒体、叶绿体、过氧化物酶体或内质网(Waters等,2008)。植物sHSPs的多样性反映了对各种生物和非生物胁迫的分子适应性(Hilton等,2012)。

迄今为止,大多数研究集中在I类细胞质sHSP上,并揭示了sHSPs参与调控木本植物的耐热性(表1),如月季(*Rosa chinensis*)中的RcHSP17.8(Jiang等,2009,2020)、柽柳(*Tamarix hispida*)中的ThHSP18.3(Gao等,2012)、毛果杨(*Populus trichocarpa*)中的PtHSP17.8(Li等,2016)、茶树(*Camellia sinensis*)中的CsHSP17.2(Wang等,2017a)以及新疆野苹果(*Malus sieversii*)中的MsHSP16.9(Yang等,2017)。其中,RcHSP17.8赋予大肠杆菌(*E. coli*)、酵母和拟南芥多种胁迫抗性(Jiang等,2009)。此外,RcHSP17.8在转基因烟草幼苗中的过表达表现出对高温和渗透胁迫的显著抗性,表现为胁迫条件下较低的电解质渗漏和较高的脯氨酸含量(Jiang等,2020)。ThHSP18.3的异源表达保护酵母细胞免受盐、干旱、重金属和极端温度的侵害(Gao等,2012)。PtHSP17.8在拟南芥中的过表达提高了高温和盐胁迫下的存活率和根长(Li等,2016)。茶树CsHSP17.2作为分子伴侣,通过维持最大光化学效率来介导耐热性,增强活性氧(ROS)清除能力,并诱导热响应(HR)基因的表达(Wang等,2017a)。新疆野苹果MsHSP16.9在拟南芥中的过表达通过减轻ROS损伤和调节胁迫相关基因的表达水平来提高植物对热的耐受性(Yang等,2017)。

此外,已有研究报道细胞质II类和III类sHSPs参与木本植物的HSR。例如,花楸树(*Sorbus pohuashanensis*)的细胞质II类sHSP基因SpHSP17.3响应高温、盐和干旱胁迫,并对引种驯化适应性有一定作用(Zhang等,2020)。梅花(*Prunus mume*)细胞质III类sHSP基因(PmHSP17.9)的过表达通过增强超氧化物歧化酶(SOD)活性提高转基因拟南芥的耐热性(Wan等,2016)。核桃(*Juglans regia*)sHSP基因JrsHSP17.3在叶片中的瞬时过表达通过清除ROS积累和积累渗透调节物质来增强对冷、热和盐胁迫的耐受性(Zhai等,2016)。此外,茶树叶绿体小HSPs CsHSP17.7、CsHSP18.1和CsHSP21.8(分别为细胞质I类、II类和IV类)的表达可被高温和冷胁迫高度诱导。这些小CsHSPs的过表达赋予转基因毕赤酵母(*Pichia pastoris*)和拟南芥耐热和耐寒能力(Wang等,2017b)。这些研究表明,sHSPs在木本植物适应高温及其他非生物胁迫中发挥重要作用,这可能与木本物种的长期适应性进化有关。

相比之下,细胞器定位的sHSPs在草本植物中研究较多。例如,棉花中线粒体定位的GhHSP24.7通过以温度依赖方式调节ROS的产生来正向调控种子萌发(Ma等,2019)。匍匐翦股颖中叶绿体定位的AsHSP26.8a通过脱落酸(ABA)依赖和ABA非依赖的信号通路以及其他胁迫信号通路在非生物胁迫中发挥负向作用(Sun等,2020)。在拟南芥中,内质网(ER)定位的sHSP sHSP22参与ABA和生长素的信号交叉对话(Li等,2018)。然而,木本物种中细胞器定位sHSP的功能研究尚未见报道。未来应更多关注这些基因,以揭示木本植物中不同细胞器水平对高温及其他非生物胁迫的响应机制。

### 其他HSPs

与sHSP基因相比,其他HSP基因家族成员(如HSP40、HSP60、HSP70、HSP90和HSP100)在木本物种中的研究尚不充分。尽管已在多个木本物种中进行了这些基因的全基因组鉴定,但缺乏通过基因工程验证单个基因功能的结果。例如,Zhang等(2013,2015a)对杨树HSF及其他HSP基因(如sHSP、HSP60、HSP70)的基因组织和表达进行了全面分析。

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**表1 | 参与木本植物热胁迫的HSP和HSF基因汇总**

| 基因家族 | 基因符号 | 鉴定物种 | 研究物种 | 描述 | |---------|---------|---------|---------|------|