抗寒基因研究是植物分子生物学领域的重要方向，尤其在气候变化背景下，探究植物抗寒分子机制对作物改良和生态保护具有重要意义，近年来，随着基因组学、转录组学及基因编辑技术的快速发展，抗寒基因研究取得了显著进展，从基因挖掘、功能解析到分子育种应用均实现了突破。
抗寒基因的挖掘主要依赖于高通量测序技术和比较基因组学，研究者通过分析低温胁迫下植物的转录组数据，已鉴定出大量差异表达基因，在模式植物拟南芥中，CBF（C-repeat binding factor）信号通路是核心抗寒调控网络，其中CBF1、CBF2和CBF3基因家族成员受低温诱导后，可激活下游COR（cold-regulated）基因的表达，从而提高细胞膜稳定性、积累渗透调节物质，在水稻、小麦等作物中，DREB/CBF同源基因（如OsDREB1、TaDREB3）的发现为作物抗寒改良提供了候选基因资源，表观遗传调控相关基因（如组蛋白修饰酶、DNA甲基化酶）也被证实参与抗寒响应，例如拟南芥中HDA19基因通过抑制生长促进基因的表达，间接增强抗寒性。
功能解析方面，基因编辑技术（CRISPR/Cas9）的应用加速了抗寒基因的验证，研究表明，过表达COR基因（如COR15A、COR47）可显著提高植物的冰冻存活率，而敲除CBF基因则导致抗寒性下降，转录因子（如MYB、NAC、WRKY）通过调控下游靶基因表达参与抗寒调控网络，小麦TaMYB13基因通过激活脯氨酸合成酶基因，增加细胞内脯氨酸含量以缓解低温胁迫，膜系统相关基因（如脂肪酸去饱和酶基因FAD）的功能解析揭示了细胞膜流动性调控在抗寒中的关键作用，过表达拟南芥FAD8基因可增加不饱和脂肪酸比例，维持低温下膜结构的稳定性。
抗寒基因的分子育种应用已取得阶段性成果，通过转基因技术，将抗寒基因导入作物品种中，如将玉米ZmDREB2A基因转入水稻，使转基因水稻在4℃低温下存活率提高30%以上，基因编辑技术则实现了精准改良，例如敲除水稻OsERF3基因的负调控区域，增强了其抗寒性且不影响产量，基于分子标记辅助选择（MAS）的育种策略，将多个抗寒基因（如DREB、CBF及COR基因）聚合到同一品种中，显著提升了作物的综合抗寒能力。
抗寒基因的调控网络研究也取得了重要进展，研究表明，植物通过感知低温信号（如钙离子信号、活性氧信号），激活MAPK级联反应，最终调控转录因子表达，进而启动抗寒响应，拟南芥中CRLK1基因编码的钙调素依赖性蛋白激酶，通过磷酸化CBF转录因子增强其稳定性，从而强化抗寒信号传导，非编码RNA（如miRNA、lncRNA）在抗寒调控中发挥重要作用，例如miR393通过靶向生长素受体基因TIR1，抑制生长素信号通路，间接促进抗寒基因表达。
尽管抗寒基因研究取得了诸多进展，但仍面临挑战，抗寒性状多为数量性状，受多基因控制，且存在基因型与环境互作；抗寒基因的遗传转化效率较低，且部分转基因植株存在生长-抗寒性权衡问题，未来研究需结合多组学技术（基因组、转录组、蛋白组、代谢组）系统解析抗寒调控网络，利用合成生物学技术设计高效抗寒模块，并通过基因编辑技术实现抗寒性状的精准改良，野生植物中蕴藏的丰富抗寒基因资源有待进一步挖掘，为作物抗寒育种提供新的基因储备。
相关问答FAQs
Q1：抗寒基因研究中，CBF信号通路与其他调控途径（如ABA信号）如何协同作用？
A：CBF信号通路与ABA信号途径在植物抗寒调控中既存在交叉又相互协同，低温胁迫下，CBF通路通过激活COR基因表达直接增强抗寒性，而ABA信号则通过诱导 stomata 关闭、减少水分流失及激活抗氧化系统间接提高抗寒能力，研究表明，CBF转录因子可调控ABA合成关键基因（如NCED）的表达，而ABA信号也能通过PYR/PYL/RCAR受体蛋白激活SnRK2激酶，进而磷酸化CBF转录因子，增强其稳定性，拟南芥中，cbf1突变体在ABA处理下抗寒性下降，表明两者协同作用，交叉调控还通过共享下游靶基因（如COR15A）实现，形成复杂的抗寒调控网络。
Q2：基因编辑技术在抗寒基因改良中面临哪些主要挑战？
A：基因编辑技术在抗寒基因改良中面临三大挑战：一是脱靶效应，CRISPR/Cas9系统可能切割非目标位点，导致基因组不稳定；二是遗传转化效率低下，尤其对于禾本科作物（如玉米、小麦），其组织培养和再生体系仍不完善；三是性状与生长的权衡，部分抗寒基因（如CBF过表达）可能抑制植物生长，影响产量，为解决这些问题，研究者通过开发高保真Cas9变体（如eSpCas9）降低脱靶风险，利用农杆菌介导或基因枪法优化转化体系，并通过编辑基因调控区域（如启动子、增强子）实现精细表达调控，避免过度抑制生长，结合多基因编辑技术同时调控多个抗寒相关基因,有望实现抗寒性与产量的协同改良。
