冷胁迫是限制作物栽培边界、重塑物种分布格局并制约产量提升的关键瓶颈，直接威胁植物存活与生长。该综述以冷胁迫为核心研究对象，系统解析了冷胁迫对植物的影响。不同于表层描述性研究，该综述深入分析了植物耐冷性的分子机制，系统剖析了冷信号感知、传递及下游响应组分协同互作所构成的完整分子通路，全面呈现了该领域的前沿研究进展，并阐明了以往较为抽象的分子机制。通过筛选冷胁迫应答的关键候选基因，本研究解析了作物耐冷性的分子调控密码并刻画了相应调控网络，为耐冷作物分子育种提供了宝贵遗传资源与坚实理论支撑，并明确了耐冷高产作物培育方向。本研究紧密响应国家粮食安全需求，贯通实验室分子探索与田间实际应用。相关研究成果可提升农业生产的抗逆性，对巩固国家粮食安全屏障与推动农业高质量发展具有重要战略意义。
1 Introduction
论文首先从植物所处自然生态环境出发，指出植物作为固着生物，无法像动物一样迅速规避突发环境变化，因此在长期进化过程中形成了应对生物胁迫与非生物胁迫的高效适应系统。文中强调，低温属于重要非生物胁迫之一，可干扰光合作用、呼吸作用和水分代谢等核心生理过程，最终导致生长受抑、减产甚至死亡。围绕冷适应，作者重点提出冷驯化（CA）是植物获得耐冷性的关键策略。冷驯化过程中，植物通过细胞膜流动性重塑、渗透调节物质积累、抗氧化酶活性提升、保护性代谢物动态变化以及基因表达重编程等途径增强低温耐受能力。对于多数喜温植物而言，低温会降低膜流动性，从而削弱水分和矿质养分的吸收与转运，因此冷驯化本质上是一个跨越生理、代谢与转录调控层面的综合适应过程。
2 Effects of cold stress on plant growth, development, and physiological regulation
本节系统概述了冷胁迫对植物形态建成、生长发育和生理代谢的多层次影响。短期冷害通常引发急性生理症状，如叶片迅速萎蔫和组织软化，其根本原因与细胞膜流动性下降、离子稳态破坏以及水分运输受阻密切相关。长期低温则表现出明显的发育时期特异性：营养生长期中，茎端分生组织活性降低、叶片扩展受限、根系吸收能力减弱；生殖生长期中，则常出现花粉败育、胚珠异常发育和授粉障碍，进而导致花器不育、结实率下降和果实品质劣化。作者还指出，低温可导致生物膜固化，阻碍根系吸水并引发“生理性干旱”。
在细胞器层面，叶绿体是冷胁迫高度敏感的靶位。低温增加类囊体膜黏滞性，限制质体醌（PQ）扩散，损害光合电子传递，并诱导光系统I（PSI）和光系统II（PSII）功能失调，最终造成光氧化损伤。与此同时，冷胁迫打破活性氧（ROS）稳态，促使叶绿体和线粒体中过量ROS积累，继而引发膜脂过氧化和蛋白羰基化。为缓冲这类氧化损伤，植物会启动超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）等抗氧化防御系统。此外，低温还可诱导细胞骨架微管与微丝解聚，破坏细胞形态维持和胞内运输；RNA二级结构稳定性的变化则可能通过影响mRNA翻译效率参与冷信号转导。整体而言，冷胁迫对植物造成的是跨膜系统、氧化还原调控、细胞骨架和遗传信息表达层面的复合性损害。
3 Molecular and physiological mechanisms of plants in response to cold stress
本节从生理保护与分子调控两个层面梳理植物冷响应机制。首先，在生理保护方面，低温可诱导抗冻蛋白（AFPs）合成，这类蛋白具有较高的重结晶抑制活性，能够抑制组织内大冰晶形成，并兼具水解功能与抗冻功能。作者同时提醒，冻害后快速升温会导致胞间冰晶迅速融化，细胞来不及回吸水分，蒸腾失水反而加剧，从而造成比初始结冰更严重的继发伤害，说明耐冻性与融冻适应需要协同调控。
其次，脯氨酸和可溶性糖是低温渗透调节的核心代谢物。脯氨酸一方面通过其两性离子结构与蛋白表面极性基团互作，提升蛋白溶解性并抑制聚集；另一方面通过形成亲水胶体网络结合自由水，降低胞内液冰点并减轻失水。可溶性糖则来源于淀粉降解增强，其积累可降低细胞渗透势、减少水分外流，并在膜表面形成水化层以避免冰晶与脂双层直接接触；同时还可充当分子伴侣，维持蛋白构象与酶活性。花青素积累在一定程度上也有助于增强耐冷性。
在氧化还原稳态方面，综述列举了多个调控ROS清除的关键基因。例如OsPOX1可促进H
2O
2分解，抑制其表达会导致丙二醛（MDA）与H
2O
2积累及冷敏感表型增强，而过表达则提升膜稳定性与耐冷性。OsNCED4和OsNCED5通过调节脱落酸（ABA）生物合成与ROS稳态提高水稻耐冷性。异源表达VaSUS2除促进糖积累外，也提高抗氧化酶活性，表现出更强ROS清除能力。文中还讨论了一氧化氮（NO）代谢在玉米冷适应中的作用，指出ZmPgb1.1通过NO双加氧酶活性将NO转化为NO
3-，缓解NO对油菜素内酯（BR）合成与信号的抑制，从而促进细胞伸长和分裂。
在冷感知与早期信号转导方面，作者指出植物冷调控网络高度复杂，但质膜仍被视为首要应激界面。低温改变膜脂组成、膜蛋白活性与构象，进而影响膜流动性与完整性，并触发信号级联。玉米中KASII、ACP2、Ms33和SAD2等甘油酯代谢相关基因通过调控膜脂不饱和脂肪酸比例，帮助维持低温下膜形态稳定。冷诱导Ca
2+内流是核心早期信号之一，环核苷酸门控通道（CNGCs）及水稻特异的COLD1/OSM1复合体均参与该过程。CNGC20正向调控拟南芥耐冻性；水稻中COLD1与G蛋白α亚基RGA1互作，激活质膜Ca
2+通道并造成胞质Ca
2+骤增，这一途径与粳稻和籼稻间耐冷差异直接相关。
Ca
2+信号解码依赖钙依赖型蛋白激酶（CPKs）、CBL-CIPK复合体及丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联等模块。文中重点介绍了玉米冷响应因子COOL1：该基因为bHLH转录因子，是高纬度适应的重要自然变异位点，过表达削弱耐冷性，而敲除则显著增强幼苗耐冷性。多组学分析表明，COOL1通过直接抑制主调控因子DREB1/CBF及海藻糖生物合成基因TPS的转录而负调控耐冷。由于cool1功能缺失并不明显损害主要产量性状，因此COOL1被视为玉米耐冷分子育种的重要靶点。
此外，论文还总结了光信号与冷信号的互作。PhyB作为红光受体兼具温度感知属性，可通过PIF3-CBF模块激活冷调节（COR）基因网络，提高耐冻性。低温条件下PhyB活性增强并抑制PIF4功能，从而协调光形态建成与冷适应。番茄中的SlPIF4可直接激活SlCBF，并调控ABA、茉莉酸（JA）和赤霉素（GA）相关通路，还与SlGAI4形成前馈调控回路。蓝光受体CRY2在蓝光条件下对冷驯化也至关重要，提示光质与低温之间存在紧密耦联。与此同时，NTL8-VIN3-FLC通路则体现了低温通过染色质调控和春化机制控制开花时间的另一类模式。作者还讨论了番茄果实发育、苹果休眠解除与采后冷害等园艺性状中的低温调控现象，说明冷响应不仅影响存活，还深刻决定经济性状表现。
4 Cold signal regulatory network of plants
本节聚焦经典冷信号转录调控网络，尤其是DREB1/CBF模块。DREB1属于APETALA2/乙烯响应因子（AP2/ERF）超家族，广泛存在于高等植物中。在冷胁迫下，DREB1识别靶基因启动子中的保守CCGAC元件，激活RD29A、COR15A、ERF54、KIN1等冷响应基因表达，进而诱导抗冻蛋白和渗透调节相关酶的积累。作者指出，DREB1家族具有较强功能冗余性，但其表达要求严格的时空特异调控。利用CRISPR/Cas9构建的cbfs三突变体表现出显著冻敏感性，直接证明了该模块在冷响应中的核心地位。
在DREB1上游，ICE1和ICE2作为bHLH类转录因子直接激活DREB1A和DREB1C表达，是经典ICE1-CBF-COR通路的关键正调控因子。ice1和ice2功能缺失均导致冷敏感表型，而过表达则增强耐冻性。该模块在水稻、玉米、小麦和大麦等作物中均表现出较强保守性。与此同时，激素网络深度嵌入DREB1调控过程：BR可通过BZR1结合E-box/BRRE元件增强CBF1表达；ABA可激活CRT元件并促进冷响应；GA则通过DELLA蛋白积累强化CBF介导的冷驯化；JA通常作为ICE-CBF上游正调控因子，而乙烯（ET）则可抑制CBF/DREB1通路，体现激素调控的多样性与复杂性。文中还提到γ-氨基丁酸（GABA）可作为长距离信号，通过调节CBF通路、抗氧化系统和气孔开度提升嫁接黄瓜耐冷性。
在蛋白质翻译后修饰层面，磷酸化、泛素化和SUMO化共同塑造冷信号精细调控框架。MAPK6可磷酸化转录抑制因子MYB15，降低其对CBF3启动子的结合能力；ICE1与MYB15互作并抑制后者DNA结合活性，从而促进CBFs表达。PUB25和PUB26通过不同类型多聚泛素链动态调节ICE1与MYB15稳定性。CRPK1在低温下活化后可促使14-3-3蛋白入核并介导DREB1C/DREB1A降解，从而负向调控耐冻性；相反，CRLK1/CRLK2可通过MEKK1促进CBF和COR表达。SnRK2.6/OST1则通过稳定BTF3与CBF蛋白增强耐冻性。
HOS1是ICE1的重要E3泛素连接酶，可介导ICE1泛素化并通过26S蛋白酶体途径降解，从而抑制CBF3表达并降低耐冻性；与之相对，SIZ1介导的SUMO化可提高ICE1稳定性并拮抗HOS1作用。二者之间的动态平衡构成ICE1稳态调控核心。此外，作者还总结了多条CBF非依赖途径，包括GI、HsfA1d、ESK1、SFR6、AtCSP3、HOS9、AtSF1以及苹果中的MdMYB88/MdMYB124-MdCSP3通路等。这些途径分别涉及开花调控、核糖体生物发生、脯氨酸积累、转录输出执行、RNA伴侣功能、同源异型盒转录因子调控及叶绿体相关剪接过程，说明植物冷响应并非单一路径所能概括，而是由CBF依赖与非依赖网络共同构成。
5 Enhancing cold tolerance in crops via genetic engineering
该部分转向应用层面，系统讨论如何利用基因工程和分子设计育种提升作物耐冷性。作者首先概述了当前常用基因编辑技术，包括锌指核酸酶（ZFNs）、转录激活因子样效应物核酸酶（TALENs）、CRISPR/Cas9、CRISPR/Cpf1（Cas12a）、mitoTALEN、引导编辑（prime editing）以及RLR等，比较了其靶向原理、操作复杂度和应用潜力。其中，CRISPR/Cas系统因设计简便、精确高效而成为主流；Cas12a在T富集PAM识别、小分子化和潜在同源重组促进方面具有优势，但存在温度敏感性。引导编辑和碱基编辑则为高精度、小范围序列替换提供了重要平台。
在分子设计育种方面，文章列举了多个候选耐冷基因与编辑实例。水稻中COLD6-OSM1复合体与2’,3’-cAMP信号、OsSRO1c-OsDREB2B模块、OsNAC050敲除、OsPIN5b/GS3/OsMYB30多基因聚合编辑等均展示出提高耐冷性并兼顾产量性状的潜力；马铃薯中编辑ScF3’H可改变黄酮代谢流向并增强耐冻性。Prime editing已被用于玉米ZmALS1和ZmALS2位点精准替换，也可在水稻和番茄CWINs启动子中精确插入顺式元件，提升碳分配效率。作者据此强调，未来冷胁迫育种不应局限于单基因改良，而应结合多基因聚合和复杂性状协同优化。
5.3 Multi-trait pyramiding: optimizing the balance between resistance and productivity
作者进一步指出，现代育种目标已由单一抗逆性提升转向产量、品质及多重抗逆的综合平衡。分子标记辅助选择（MAS）、回交育种和基因聚合策略已用于整合抗病与抗逆基因。文章以水稻多基因抗病导入和大豆品种Huaxia 3的固有耐冷性为例，说明多性状协同选择是提高田间稳定性的现实路径。
5.4 Wild relatives and epigenetic regulation
野生种质和表观遗传变异被视为冷适应等位变异的重要来源。文中提到，拟南芥AtHDA6通过去乙酰化稳定AtSK2，强化莽草酸途径和抗氧化能力；水稻中ACT1启动子低甲基化表观等位变异则通过MET1b下调与Dof1募集实现稳定表达，并与纬度分布及自然冷适应显著相关，体现了环境诱导、可遗传表观调控在耐冷形成中的价值。
5.5 Accelerated breeding platforms
作者最后介绍了快速世代推进（RGA）和智能育种平台。通过延长光周期、精准控温和高通量表型分析，可显著缩短育种周期，并与分子标记、基因组选择（GS）、基因编辑及环境监测等技术深度融合，推动耐冷种质创制走向自动化与智能化。
6 Combined stress and cross-adaptation
本节强调植物在自然环境中常同时遭遇低温、干旱、盐胁迫和病害等多重胁迫，其复合效应通常强于单一胁迫。冷旱复合胁迫通过降低根系导水率、加剧渗透失衡与光合抑制造成更严重损伤；冷盐复合胁迫则可能涉及SOS途径与ICE1-CBF级联在MAPK等节点上的交叉调控。低温与病原胁迫之间同样存在双向作用，例如ICE1可整合低温与水杨酸（SA）信号促进免疫相关PR基因表达，而番茄SlCBF1缺失却可通过SA/JA平衡变化增强灰霉病抗性。作者据此提出，交叉适应涉及H
2O
2、Ca
2+和MAPK级联等信号汇聚，以及代谢积累和表观遗传修饰等过程，未来育种应围绕多胁迫共性节点开展系统设计。
7 Discussion and prospect
在展望部分，论文认为未来耐冷育种应优先开展经验证候选基因的精准编辑，并发展多位点、多模块的复合编辑策略，以避免单基因操作导致的效应不足或多效性副作用。同时，应建立物种特异的高效转化体系，加速从实验室验证到田间应用的转化。人工智能（AI）和机器学习可用于整合基因组、转录组、表观组和代谢组数据，挖掘新的耐冷基因并重建调控网络，也可结合环境参数建立耐冷表型预测模型，为编辑靶点设计和田间表现评估提供支持。文章还指出，当前主要瓶颈包括脱靶风险、多基因协同编辑技术难度以及非模式作物高质量低温组学数据匮乏。
此外，作者强调冷胁迫感知和信号转导基础机制仍有许多未解问题，例如Ca
2+内流时空动态、初级冷受体身份以及其与高温感受系统的关系。更重要的是，实验室条件下获得的耐冷性状在复杂田间环境中的稳定性仍不足，多重胁迫互作与性状权衡问题尚待深入解析。为此，论文提出需整合基因组学、计算生物学和合成生物学等跨学科技术，通过高通量测序、基因分型测序（GBS）、AI预测、结构导向编辑和合成启动子设计等策略，构建可控、可预测、可转化的耐冷改良体系。整体而言，该综述建立了从冷感知、信号转导、转录调控到分子育种转化的完整知识框架，对推进气候韧性作物培育具有重要理论与应用意义。
