覃 磊，郭 磊，張小波，郭 瀅，楊程惠子，夏石頭*

(1.植物激素與生長發(fā)育湖南省重點實驗室，南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 湖南 長沙410128)

1 ROS的產(chǎn)生的部位及其時空特異性

在受脅迫或正常情況下，植物細(xì)胞中的葉綠體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、過氧化氫酶體、質(zhì)膜和質(zhì)外體等部位都會產(chǎn)生有ROS。在正常的植物體內(nèi)，ROS在Ca2+的誘導(dǎo)下產(chǎn)生[6]。質(zhì)外體中H2O2又能通過一種未知的膜蛋白使得胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+濃度升高，而ACAs(auto-inhibited Ca2+ATPase)、CAX(Ca2+/H+ exchanger antiporter)會將胞質(zhì)內(nèi)Ca2+轉(zhuǎn)運到質(zhì)外體，以保持細(xì)胞質(zhì)中低生理濃度的Ca2+[7]。在線粒體中經(jīng)過呼吸鏈和酶促反應(yīng)產(chǎn)生的H2O2會被轉(zhuǎn)移到過氧化物酶體中，而后轉(zhuǎn)運到胞質(zhì)和細(xì)胞核中；葉綠體產(chǎn)生的H2O2也會進(jìn)入到胞質(zhì)和細(xì)胞核中[8,9]。此外，在植物免疫引起的超敏反應(yīng)(hypersensitive response，HR)，臭氧脅迫等情況下，會誘導(dǎo)過氧化物酶體產(chǎn)生大量的ROS[10,11]。

ROS在植物中起著雙重作用，既是生長、發(fā)育和防御途徑的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，又是需氧代謝的有毒副產(chǎn)物[12]。ROS參與許多植物的氧化還原過程，是一個復(fù)雜的、有時冗余但同時高度協(xié)調(diào)和靈活的氧化還原信號網(wǎng)絡(luò)[13,14]。重要的是，ROS形成一個局部氧化環(huán)境，促進(jìn)其他途徑的信號傳導(dǎo)，如鈣動員、巰基二硫鍵交換、蛋白質(zhì)相互作用和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合[15]。細(xì)胞外ROS，如擴(kuò)散的H2O2，既能迅速將胞內(nèi)信號傳輸?shù)郊?xì)胞核，也能放大從葉綠體和線粒體到細(xì)胞核的信號[16]。

2 ROS信號胞間傳導(dǎo)與長距離通訊

ROS與植物應(yīng)對生物或者非生物因素脅迫的信號產(chǎn)生和調(diào)節(jié)有著密切的作用[17]，植物的ROS與Ca2+波是植物快速反應(yīng)信號體系的重要組成部分[18-20]，除RBOH(respiratory burst oxidase homologue，RBOH)外，ROS也是系統(tǒng)信號傳遞的中介，如在黃嘌呤脫氫酶的作用中扮演著這樣一個角色[21]。另外，ROS在NO和脫落酸(abscisic acid，ABA)所介導(dǎo)的病原菌和非生物脅迫引起的應(yīng)答反應(yīng)中也起到了重要的作用[22,23]，且單線氧可能是整個ROS信號途徑的一個誘發(fā)劑[20]。在最近的研究中表明，在水稻中通過CRISPR/Cas9技術(shù)敲除RBOHH可以減少水稻根系ROS的積累從而誘導(dǎo)乙烯對水稻根系通氣組織的形成[24]。乙烯在植物免疫上的作用也與ROS有著千絲萬縷的聯(lián)系，通過對水稻稻瘟病機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)：乙烯在抗病信號中可能是通過對ROS產(chǎn)生的調(diào)控從而起到調(diào)節(jié)作用的[25]。并且在擬南芥中研究發(fā)現(xiàn)聲波可以引發(fā)細(xì)胞內(nèi)Ca2+快速積累，從而進(jìn)一步也引發(fā)ROS的產(chǎn)生[26]。ROS系統(tǒng)性的信號機(jī)制以及它能增強(qiáng)植物應(yīng)對生物和非生物脅迫的潛在抗性越來越被人們所重視。

Gilroy和Morris 小組采用實驗與數(shù)學(xué)建模相結(jié)合，通過在野生型和TPC1(two pore channel 1)過表達(dá)植株上的Ca2+成像試驗和電生理學(xué)試驗建立了一個在鹽脅迫下與ROS相關(guān)的Ca2+信號波模型[17]。Evans等人在2016年首次提出，ROS的產(chǎn)生是由一個Ca2+依賴型RBOH介導(dǎo)的，這就要求激活TPC1引起液泡釋放Ca2+，因為ROS在細(xì)胞壁中的擴(kuò)散速度比細(xì)胞質(zhì)中Ca2+的擴(kuò)散速度要快，Evans等人提出ROS通過激活相鄰細(xì)胞質(zhì)膜上的具有ROS敏感性的Ca2+通道，從而將液泡與細(xì)胞間隙橋連架通，并構(gòu)建了這個Ca2+源的數(shù)學(xué)模型，很好的解釋了所觀察到的Ca2+快速波[19]。首先，一個新的通路將ROS在根部區(qū)域的擴(kuò)散波直接映像在Ca2+波傳遞中；其次，在ROS的積累嚴(yán)重的影響了Ca2+傳遞波的振幅和傳送速率；最重要的是，RBOHD基因敲除強(qiáng)烈的抑制了Ca2+傳遞波，進(jìn)一步證明RBOHD產(chǎn)生ROS，從而促進(jìn)了Ca2+波從一個細(xì)胞傳遞到另一個細(xì)胞，且僅在需要降低細(xì)胞漿中Ca2+濃度時，才抑制TPC1從而防止了大量液泡貯藏Ca2+轉(zhuǎn)運到細(xì)胞漿中[27,28]。

3 ROS對植物抗性的調(diào)控

3.1 ROS對SAR的調(diào)控

現(xiàn)在已經(jīng)證實活性氧是植物亞細(xì)胞和細(xì)胞間通訊的必要組成部分，它們的一些信號功能需要ROS代謝系統(tǒng)[29]。近年來，研究者們廣泛研究了植物系統(tǒng)獲得性抗性(systematic acquired resistance，SAR)途徑中響應(yīng)ROS的不同信號通路之間的聯(lián)系[30,31]，特別是韌皮部移動信號并鑒定了幾種生物活性分子，包括水楊酸甲酯、一種3-磷酸甘油(glyceraldehyde 3-phosphate，G3P)衍生物，一種脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白(lipid-transfer protein1，DIR1)、壬二酸(azelaic acid，AZA)、脫氫松香醛、茉莉酸(jasmonic acid，JA)和哌啶酸等[32-34]。當(dāng)局部組織施用水楊酸甲酯、G3P、AZA或脫氫松香醛時，會激活SAR途徑[35]，并且在整個信號路徑中快速積累JA[36]。最近的研究表明，這些分子的合成可能是活性氧來調(diào)節(jié)的。因此在擬南芥缺陷型突變體rbohd或rbohf中可以觀察到較低濃度AZA和G3P，但外施G3P可誘導(dǎo)SAR途徑發(fā)生[37]。這些結(jié)果表明，在SAR途徑中ROS也是被激活的。ROS也在氣孔的免疫中發(fā)揮功能。在病原相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMP)介導(dǎo)的反應(yīng)中，flg22(flagellin 22)和elf18(18-amino-acid peptide from elongation factor Tu)響應(yīng)細(xì)菌鞭毛蛋白和延伸因子Tu(EF Tu)引起免疫反應(yīng)。但在保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)的RBOHD基因敲除突變體atrbohd的氣孔對flg22和elf18沒有響應(yīng)，而atrbohf對它們的反應(yīng)和野生型相似[37,38]。

3.2 ROS與NO互作對SAR的調(diào)控

而關(guān)于ROS信號途徑與NO相互依賴的研究更加明確揭示了SAR途徑中ROS波的產(chǎn)生。在一種NO缺陷型的noa1/nia1雙突體中，SAR免疫途徑完全缺乏且ROS積累水平極低；外施H2O2重新激活了免疫反應(yīng)[39]。也有研究表明，在應(yīng)對病原體入侵的過程中，RBOHD能夠被一種NO依賴產(chǎn)生的寡聚半乳糖醛酸所正向調(diào)節(jié)[40]。雖然這些發(fā)現(xiàn)暗示，ROS可能在SAR通路中處于NO的下游，但在RBOHD和RBOHF缺乏型突變體在受到病原體攻擊時并不能積累NO[37,41]，表明ROS和NO可能具有反饋調(diào)節(jié)作用。而NO能與谷胱甘肽通過S-亞硝基反應(yīng)形成S-亞硝基谷胱甘肽(GSNO)[42,43]，可能在SAR途徑中的ROS與NO的互作中起到一個NO庫的作用。這樣ROS，NO和GSNO一起起到了一個主開關(guān)的作用以調(diào)節(jié)各種途徑，包括SAR途徑中和氣孔響應(yīng)途徑[23,37,42]。AtRBOHF的缺失導(dǎo)致了ABA誘發(fā)的氣孔關(guān)閉產(chǎn)生的部分損害。在atrbohdatrbohf雙突變體中，氣孔關(guān)閉進(jìn)一步減少，ROS的產(chǎn)生被廢除，而外源性ROS支援了氣孔的反應(yīng)。ROS在CO2誘導(dǎo)的氣孔調(diào)節(jié)中的作用最近才被發(fā)現(xiàn)，在atrbohdatrbohf雙突變體中CO2誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉不復(fù)存在[44]。

3.3 ROS與Ca2+波互作對SAR的調(diào)控

在SAR途徑中的ROS波和Ca2+波可能是通過一些物質(zhì)如TPC1、Ca2+調(diào)節(jié)激酶(CPK，Calcium-dependent protein kinases/CBL-CIPKs，cal-cineurin B-like proteins，CBL；CBL interacting protein kinases，CIPK)及RBOHD相互聯(lián)系并相互調(diào)節(jié)[45,46]，最近發(fā)現(xiàn)的GLRs(glutamate receptor-like gene)則可能是系統(tǒng)電信號的一個介質(zhì)[47-49]。并且，沒有RBOHD的突變體中[16]，其電信號也會變?nèi)酰@可能是ROS信號和電信號的一個重要連接點(可能是由GLRs和RBOHD介導(dǎo)的)。GLRs可能受ROS-NO-RBOH的相互作用調(diào)節(jié)從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)Ca2+信號或者電信號。近年來的研究表明，在植物維管束鞘細(xì)胞中Ca2+通道、葉綠體ROS、光合電子傳輸和非光化學(xué)猝滅(NPQ)在遠(yuǎn)程電信號中起著重要的作用[50]，在ROS、APX(ascorbate peroxidase)、NPQ表達(dá)中，電信號也被發(fā)現(xiàn)出波狀的系統(tǒng)變化，而類似NPQ波動的變化也會引起ROS和APX基因表達(dá)的波動差異[51，52]。

3.4 ROS、NO與Ca2+波互作對SAR的調(diào)控

通過不同波之間的相互作用我們可以得到出一個通用模型(圖1)。如圖1所示，局部刺激可直接影響Ca2+通量，或通過機(jī)械傳感器轉(zhuǎn)換成Ca2+波。Ca2+波通過與RBOH蛋白直接結(jié)合激活ROS波產(chǎn)生，或通過Ca2+衍生的CDPK / CBL-CIPK信號系統(tǒng)的RBOH磷酸化引發(fā)ROS的生成，這反過來將進(jìn)一步激活或抑制Ca2+通道如TPC1和/或細(xì)胞膜通道。ROS波可與ROS誘導(dǎo)激活的GLRs或其他離子通道結(jié)合，從而降低膜電位，并調(diào)節(jié)電信號如通過Ca2+信號來進(jìn)一步激活RBOHs。Ca2+波還可通過GLRs和TPC1在鈣誘導(dǎo)的鈣釋放過程中與電波結(jié)合。因此，這3種波可以相互放大和調(diào)節(jié)，并將系統(tǒng)信號傳遞到全身組織。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，這里描述的不同波涉及到細(xì)胞間激活狀態(tài)的傳遞，而不一定是從一個細(xì)胞傳輸?shù)搅硪粋€細(xì)胞的一種特殊的系統(tǒng)化合物。ROS波受胞間傳輸?shù)腞BOH激活狀態(tài)的調(diào)節(jié)(如通過GLRs或TPC1調(diào)節(jié))，電信號同樣是通過離子傳輸激活態(tài)的傳遞而介導(dǎo)產(chǎn)生的。

圖1 在SAR中不同波信號調(diào)節(jié)快速系統(tǒng)信號的相互作用[51]Fig.1 Integration of the different waves that mediate rapid systemic signaling during SAR[51]

如圖1所述，這些過程中的每一個步驟都可能涉及到一個復(fù)雜的細(xì)胞調(diào)節(jié)器的相互作用，它們對彼此的狀態(tài)進(jìn)行微調(diào)。在信號通路上的每一個細(xì)胞，都由一組特定的蛋白質(zhì)/酶響應(yīng)信號并傳遞到它前面的細(xì)胞，并產(chǎn)生一個信號傳遞到該細(xì)胞中。發(fā)射的信號不一定總是相同的，觸發(fā)波系統(tǒng)的一個元件可以反饋或啟動其他信號。當(dāng)然，一旦沿著通路中的不同細(xì)胞內(nèi)建立一個新的激活狀態(tài)，每個細(xì)胞都可以合成一種特定的化合物或激素(比如JA或者ABA)[18,36]，或激活特定的基因或代謝程序，使它們更能抵抗環(huán)境脅迫(比如絲氨酸和甘氨酸的積累)[18]。因此，這種自動傳播的波信號更像是一條相互碰撞的多米諾骨牌，直到“坍塌”狀態(tài)(而不是一個特定的化合物，從細(xì)胞轉(zhuǎn)移到細(xì)胞，直到達(dá)到系統(tǒng)性組織)到達(dá)全身組織。不同的信號與時間和強(qiáng)度的結(jié)合有可能傳達(dá)信號的特殊性，或者是另外一個未知的化合物或信號引起系統(tǒng)組織的應(yīng)激反應(yīng)[18,53]。

4 結(jié)語與展望

ROS 是植物正常生長發(fā)育過程中重要的信號分子,參與植物和細(xì)胞內(nèi)的分子、生化和生理反應(yīng)，在植物的防衛(wèi)反應(yīng)和細(xì)胞程序性死亡過程中發(fā)揮積極重要作用。在ROS信號網(wǎng)絡(luò)中，越來越多的證據(jù)表明，ROS作為信號分子除了介導(dǎo)植物對環(huán)境脅迫的響應(yīng)外，對植物的正常生長發(fā)育很多方面也都起著重要作用，如花粉管頂尖的生長、葉片和花瓣中與衰老相關(guān)基因的調(diào)節(jié)等。ROS對各種環(huán)境刺激響應(yīng)的復(fù)雜性至少可部分歸因于RBOH在不同環(huán)境條件下(組織類型和發(fā)育階段)產(chǎn)生ROS的不同機(jī)制及其調(diào)節(jié)機(jī)制。植物已進(jìn)化出不同的機(jī)制以調(diào)控ROS產(chǎn)生時間和激活部位以及與其他信號之間的時空協(xié)調(diào)。在植物中協(xié)調(diào)這些復(fù)雜的空間和時間響應(yīng)的一個關(guān)鍵機(jī)制是細(xì)胞-細(xì)胞間通信事件的級聯(lián)關(guān)系，這導(dǎo)致在植物的不同組織中迅速傳播的ROS波的形成，并從而促發(fā)其他關(guān)聯(lián)波的產(chǎn)生。這些研究揭示了快速系統(tǒng)信號對植物中SAR和SAA的意義。然而，如何將ROS波與不同的特異性信號偶聯(lián)在一起，這是一個亟待的問題。另外對于ROS時空特異性的產(chǎn)生，有必要采取跨學(xué)科的方式獲得靈敏度更高的指示劑，并通過其體內(nèi)成像的方式進(jìn)一步揭示ROS信號系統(tǒng)的規(guī)律。而與不同類型的植物激素發(fā)生關(guān)聯(lián)的ROS，會引發(fā)植物體內(nèi)生理生化和基因表達(dá)的各種變化以產(chǎn)生相應(yīng)性狀和獲得適應(yīng)性。但是，這些過程中ROS與其它信號分子如NO、Ca2+和激素等互動而建立的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、各自的具體角色以及ROS與植物激素信號相互作用的生理和進(jìn)化意義等還有待進(jìn)一步深入研究。