Plant Com | 河南农业大学刘娜教授团队在MADS-box转录因子调控植物逆境响应领域发表重磅长文综述
DOI: 10.1016/j.xplc.2026.101778
2026年2月16日，河南农业大学的刘娜教授团队，在Plant Communications上发表了题为Roles of MADS-box transcription factors in plant responses to abiotic and biotic stresses的综述文章。该文全面梳理了MADS-box转录因子在植物应对多种非生物胁迫（如干旱、盐害、极端温度、营养缺乏、重金属及水淹）与生物胁迫（包括细菌、真菌和病毒侵染）中的分子调控机制。文章重点阐述了MADS-box转录因子作为信号整合中枢，如何在协调植物生长发育与环境适应之间发挥关键作用，并进一步探讨了该基因家族在作物抗逆遗传改良中的应用前景。
植物在其固着生长周期中，常面临干旱、盐碱、极端温度等非生物胁迫，以及病原微生物侵染等生物胁迫。为应对这些环境挑战，植物进化出复杂的调控网络，以精准感知并响应外界信号。转录因子作为该网络的核心元件，通过调控下游靶基因表达，将环境信号转化为相应的生理生化反应。MADS-box基因家族是植物中最大且最古老的转录因子家族之一，传统上以其在开花时间调控、果实成熟等发育过程中的关键作用而著称。然而，近年来的研究表明，该家族成员的功能远不止于调控发育过程，它们在植物逆境响应中同样发挥着不可忽视的重要作用。因此，系统梳理并总结MADS-box转录因子在抗逆调控中的功能机制，对于深入理解植物逆境适应策略及推动作物抗逆遗传改良具有重要意义。
1. MADS-box转录因子在非生物胁迫响应中的核心作用
MADS-box转录因子通过精细调控激素信号、代谢网络和关键抗逆基因，帮助植物在多变的非生物环境中求得生存。
（1）应对干旱胁迫：MADS-box蛋白主要通过调控气孔动态和脱落酸（ABA）信号通路来响应干旱。例如，在拟南芥中，AGL16负向调控干旱耐受性，它抑制气孔发育基因SDD1和ABA合成关键基因AAO3的表达。相反，SVP蛋白则通过上调AtBG1基因来促进ABA的积累，增强气孔关闭。在水稻中，OsMADS23作为正调控因子，其磷酸化激活后能促进ABA和脯氨酸的合成，显著提升抗旱性；而其旁系同源基因OsMADS26则扮演负调控角色（图1）。
（2）抵御盐胁迫：在盐胁迫下，MADS-box因子通过调控离子稳态、清除ROS及调节ABA信号发挥作用。拟南芥AGL16负向调控耐盐性，主要抑制HKT1;1的表达及ABA的合成。水稻OsMADS25通过激活OsGST4与OsP5CR增强抗氧化与渗透调节能力；OsMADS27则通过与OsABI5互作上调OsHKT1;1，促进Na+外排以维持离子平衡（图2）。
图2 不同植物物种中多种MADS-box转录因子增强耐盐性的调控功能
（3）适应温度变化：MADS-box因子是植物感知温度波动的“核心调节枢纽”。高温胁迫下，水稻OsMADS87调控胚乳发育和种子大小，影响热敏感性；拟南芥AGL67参与种子萌发的热抑制过程。低温胁迫下，水稻OsMADS25通过增强ROS清除能力来提高耐冷性，而OsMADS57则通过与OsTB1互作，协调分蘖发育与冷胁迫响应。拟南芥中的开花抑制因子FLC和整合因子SOC1则共同构成了协调开花时间与越冬抗寒能力的关键模块（图3）。
图3 与MADS-box基因相关的响应冷胁迫的调控网络
（4）响应营养和重金属胁迫：在氮、磷等营养元素缺乏时，MADS-box基因如拟南芥的ANR1、SOC1和水稻的多个OsMADS成员，通过调节根系构型来优化营养吸收（图4）。面对铝、镉等重金属毒害，大豆的GsMAS1通过激活铝外排和细胞壁稳定相关基因来增强铝耐受性，而一些MADS-box基因也被发现参与了植物对镉、镍等重金属的响应（图5）。
图4 植物面临养分缺乏时涉及MADS-box基因的调控动态
图5 MADS-box基因在重金属胁迫下的调控网络
2. MADS-box转录因子在生物胁迫响应中的整合调控
MADS-box转录因子同样是植物免疫防御网络的核心节点，它们通过整合水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和乙烯（ET）等防御激素信号，调控植物对多种病原体的抗性。
（1）抵抗细菌病害：拟南芥中的SVP通过抑制SOC1，进而解除对SA合成关键基因ICS1的抑制，促进SA积累，从而抵抗丁香假单胞菌的侵染。在水稻中，OsMADS26的功能则体现了抗旱与抗病之间的“权衡”（trade-off），其下调表达虽增强了对稻瘟菌和白叶枯病菌的易感性，但却提升了抗旱性。有趣的是，一些病原菌也进化出了针对MADS-box蛋白的策略，例如植原体效应蛋白SAP54能够劫持并降解植物开花相关的MADS-box蛋白，导致“花变叶”，从而利于介体昆虫取食和病原传播（图6）。
图6 MADS-box 转录因子在植物响应生物胁迫中的调控机制
（2）防御真菌和病毒侵染：在桃中，PpMADS2整合ABA和SA信号通路，调控胼胝质的沉积，形成物理屏障抵御匍枝根霉菌的入侵。在番茄中，果实成熟的关键调控因子RIN同时也能激活抗病基因，增强对灰霉病的抗性。在抗病毒防御中，水稻miR444通过靶向降解多个OsMADS基因的转录本，解除其对OsRDR1的转录抑制，进而激活依赖OsRDR1的RNA沉默通路，增强对水稻条纹病毒的抗性（图6）。
该文章系统论述了MADS-box转录因子家族不仅是植物生长发育的“总设计师”，更是植物适应复杂环境的“多面手”和“整合中枢”。它们在漫长的进化过程中，通过基因复制和功能分化，形成了复杂的调控网络，能够在多种非生物和生物胁迫信号之间进行权衡和整合，最终作出最有利于植物生存的决策。
文章最后提出了未来研究的重要方向：1）需要将模式植物中的研究成果加速转化到主要作物中，发掘优异的抗逆等位基因；2）利用多组学技术深入解析MADS-box蛋白在特定时空下的互作网络及其动态变化；3）阐明同源MADS-box基因在功能上的保守与分化，以及背后的翻译后修饰调控机制；4）借助人工智能和基因编辑等前沿技术，对MADS-box基因进行精准设计和改造，以期在不影响作物产量的前提下，实现作物多种抗逆性的协同改良，为保障全球粮食安全提供新的解决方案。
论文的通讯作者为河南农业大学生命科学学院的刘娜教授、郑文明教授、王旭副教授以及美国南卡罗来纳大学的傅正擎教授。该工作得到了王道文研究员的悉心指导，研究生刘子豪、田光翔、赵世佳等亦参与了论文的部分工作。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及河南省多个科技项目的支持。
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