李忠光， 龍維彪， 楊仕忠， 陳才波， 孫玉瑩，王加琪， 向汝華， 李小二， 陳宏艷

(云南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,生物能源持續(xù)開發(fā)利用教育部工程研究中心,云南省生物質(zhì)能與環(huán)境生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明650500)

1 引言

硫化氫(hydrogen sulfide,H2S)，又稱氫硫酸、硫烷、二氫硫或下水道氣體，是一種具有臭雞蛋氣味的無色可燃?xì)怏w[1].H2S過去被認(rèn)為是一種有毒氣體，可導(dǎo)致包括人在內(nèi)的有機(jī)體的損傷，甚至死亡[1].進(jìn)一步的研究表明，H2S對(duì)含有亞鐵的蛋白質(zhì)包括酶(如細(xì)胞色素氧化酶(cytochrome oxidase,CCO)、血紅蛋白(hemoglobin,HG)、肌紅蛋白(myoglobin,MG)、過氧化氫酶(catalase,CAT)和過氧化物酶(peroxidase,POD)等)具有很高的親和力，可導(dǎo)致線粒體呼吸的紊亂，干擾細(xì)胞代謝，甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡[2].此外，H2S可能是二疊紀(jì)末期生物大滅絕的元兇.二疊紀(jì)末期，由于火山爆發(fā)，地球上大量積累H2S，導(dǎo)致海水含氧量迅速下降.含氧量的迅速下降導(dǎo)致厭氧菌綠色硫細(xì)菌在海洋中大量繁殖，此菌利用海水中的硫酸鹽代替O2進(jìn)行呼吸，同時(shí)釋放大量的H2S.釋放的H2S擴(kuò)散進(jìn)入空氣和陸地，導(dǎo)致95%的海洋生物和70%的陸生生物滅絕[1].此外，H2S可導(dǎo)致植物葉片壞死、脫落和生長(zhǎng)抑制；抑制光合作用過程中O2的釋放，以及根系對(duì)礦質(zhì)元素如磷的吸收[2].最近的研究表明，H2S在擬南芥中可通過觸發(fā)活性氧(reactive oxygen species,ROS)-一氧化氮(nitric oxide,NO)途徑，抑制主根的生長(zhǎng)和調(diào)節(jié)根系統(tǒng)構(gòu)架[3].這些都說明，H2S是一種細(xì)胞毒害劑.

現(xiàn)在的研究則表明，高濃度的H2S是一種細(xì)胞毒害劑，但低濃度時(shí)是一種信號(hào)分子，其在植物體中的研究焦點(diǎn)已從毒性分子轉(zhuǎn)向信號(hào)分子，并取得較多的研究成果[2,4-5].作為信號(hào)分子的H2S，在植物體中可通過酶促途徑和非酶促途徑進(jìn)行代謝，同時(shí)這些代謝途徑也是維持其在細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的重要舉措.在這些H2S代謝途徑中，酶促途徑是主要的且可控的途徑，是維持其動(dòng)態(tài)平衡和誘發(fā)H2S信號(hào)的活躍途徑[2,5].一般認(rèn)為，在正常情況下，H2S在植物體內(nèi)的含量為0.1～4 μmol/g鮮重左右；而在逆境脅迫下，其含量有所增加，觸發(fā)H2S信號(hào)途徑[2,5].當(dāng)然H2S在植物體內(nèi)的含量也因植物組織、器官、種類以及逆境脅迫的種類和強(qiáng)度而異.而在藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常用的H2S供體為NaHS和GYY4137，使用濃度為0.01～2 mmol/L，也因植物及處理方式(灌根、浸種和噴施等)而異.許多研究表明，H2S不僅調(diào)控種子的萌發(fā)與幼苗的生長(zhǎng)、植物的生長(zhǎng)與發(fā)育以及生殖與衰老，在植物響應(yīng)和適應(yīng)逆境脅迫中，也起著重要的作用[4].本文基于H2S在植物體中的最新研究進(jìn)展，總結(jié)了H2S的理化性質(zhì)與毒性、酶促與非酶促代謝，以及其對(duì)種子萌發(fā)、植物生長(zhǎng)發(fā)育及響應(yīng)與適應(yīng)逆境脅迫的調(diào)控作用，并提出未來的研究方向，以促進(jìn)H2S信號(hào)研究在植物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展及進(jìn)一步揭示其生理功能.

2 H2S的理化性質(zhì)與毒性

2.1 H2S的理化性質(zhì)

H2S分子量為34.08，密度為1.19，比空氣(密度為1.0)重[1,6].H2S的冰點(diǎn)、熔點(diǎn)和沸點(diǎn)分別為-86、-82.3 ℃和-60.3 ℃.在水溶液中，H2S的溶解度隨溫度變化，在20、25 ℃和37 ℃下，H2S的溶解度分別為122、100 mmol/L和80 mmol/L.H2S是一種弱酸，37 ℃下其電離常數(shù)pKa為6.76，在水溶液中電離為HS-和H+，因此一般認(rèn)為HS-和H2S在水溶液中分別占80%和20%(而在植物細(xì)胞中，一般認(rèn)為二者相等)[1].此外，H2S是脂溶性分子，在乙醇和乙醚中的溶解度分別為312 mmol/L和606 mmol/L，其在脂中的溶解度大約是水溶液中的5倍，能自由地穿過生物膜(H2S的偶極矩為0.97，NO和CO的偶極矩分別為0.16和0.13)，穿過膜脂(脂雙層)的擴(kuò)散速度為5 mm/s[1].但是H2S的電離產(chǎn)物HS-不能穿過生物膜，因此H2S或許能以HS-的形式發(fā)揮生理作用，特別是在線粒體和葉綠體等細(xì)胞器的堿性介質(zhì)(pH可達(dá)8.0左右)中，HS-的濃度更高.H2S具有較高的鍵解離能，可達(dá)90 kcal/mol，類似于巰基鍵(S-H)的鍵解離能92 kcal/mol.H2S也是一種還原劑，其還原勢(shì)約為0.23 V，所以其氧化態(tài)的化合價(jià)可從-2到+6價(jià).水溶液中的H2S也容易揮發(fā)到空氣中，其蒸汽壓為1.875×106Pa[6].在空氣中，H2S的半衰期為12～37 h，一般隨著溫度的降低而增加[1].

2.2 H2S的毒性

由于H2S對(duì)含亞鐵離子的蛋白質(zhì)如CCO、HG、MG、CAT及POD等有很高的親和力，導(dǎo)致這些蛋白的活性散失，從而干擾細(xì)胞的代謝，甚至造成細(xì)胞死亡.如當(dāng)H2S與CCO結(jié)合時(shí)，可導(dǎo)致CCO失活，繼而擾亂呼吸鏈的電子傳遞，抑制線粒體呼吸；當(dāng)H2S與HG或MG結(jié)合時(shí)，可導(dǎo)致HG或MG與O2的結(jié)合能力下降；當(dāng)H2S與CAT或POD結(jié)合時(shí)，可導(dǎo)致二者失活，細(xì)胞積累ROS，產(chǎn)生氧化脅迫[1,2,6].這些結(jié)合輕則導(dǎo)致細(xì)胞代謝的紊亂，重則導(dǎo)致細(xì)胞死亡.因此，有人認(rèn)為H2S可能是二疊紀(jì)末期地球上物種大滅絕的元兇[1,6].如前所述，H2S是一種具有臭雞蛋氣味的氣體，但人類能感受到此氣味的范圍是0.000 5～100 ppm，當(dāng)空氣中的H2S含量超過100 ppm時(shí)，人類就無法聞到此氣味.正常情況下，空氣中H2S的含量在0.000 3 ppm以下，人類不能嗅到此氣味.研究表明，當(dāng)空氣中的H2S的含量達(dá)到500 ppm左右時(shí)，常致人死亡[1,6].因?yàn)?00 ppm的H2S已經(jīng)超出人類的嗅覺范圍，無法聞到，這也是H2S這種下水道氣體導(dǎo)致人類傷亡的主要原因.在植物系統(tǒng)中，H2S熏蒸可導(dǎo)致苜蓿、葡萄和萵苣植物葉片壞死、脫落和生長(zhǎng)抑制[1].此外，H2S可抑制水稻幼苗光合作用過程中O2的釋放，以及根系對(duì)礦質(zhì)元素如磷的吸收[7].這些結(jié)果暗示，高濃度的H2S是一種植物細(xì)胞毒害劑.此外，在擬南芥中，H2S可通過觸發(fā)ROS-NO途徑抑制主根的生長(zhǎng)并調(diào)節(jié)根系統(tǒng)構(gòu)架[3].

3 H2S的酶促與非酶促代謝

與其他信號(hào)分子(如Ca2+、ROS、NO和甲基乙二醛(methylglxyoal,MG))相類似，H2S作為信號(hào)分子，在植物中有多條代謝途徑，包括酶促途徑和非酶促途徑.酶促途徑又包括半胱氨酸(cysteine,Cys)途徑、亞硫酸鹽途徑、硫化碳(carbonyl sulfide,COS)途徑和還原系統(tǒng)途徑(圖1)，而非酶促途徑又包括脫硫作用途徑、含硫化合物途徑、葡萄糖(glucose,Glc)途徑和過硫化作用途徑.這些途徑分述如下.

圖1 植物中H2S代謝途徑

3.1 酶促途徑

3.1.1 半胱氨酸途徑

H2S具有細(xì)胞毒害劑和信號(hào)分子雙重特性，因此在細(xì)胞中必須保持嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)平衡.Cys途徑是植物中合成H2S的主要途徑，在此途徑中，L-Cys脫巰基酶(L-Cys desulfurase,LCD)、D-Cys脫巰基酶(L-Cys desulfurase,DCD)、氰丙酸合成酶(cyanoalanine synthase,CAS)、Cys脫巰基酶1(Cys desulfurase 1,DES1)和固氮酶鐵硫簇(nitrogenase Fe-S cluster,NFS)分別以Cys為底物，催化H2S的合成(圖1)[2,4].通過此途徑合成的H2S，在半胱氨酸合成酶(cysteine synthetase,CS，又稱O-乙酰絲氨酸硫醇裂解酶(O-acetylserine(thiol)lyase,OASTL))的催化下，可被迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镃ys，避免植物細(xì)胞中過多的H2S積累及毒副作用.此反應(yīng)是可逆反應(yīng)，故其逆反應(yīng)可合成H2S[2,4].這也說明Cys-H2S循環(huán)在植物細(xì)胞Cys和H2S穩(wěn)態(tài)中的重要作用.

3.1.2 亞硫酸鹽途徑

硫是植物的必需元素，植物從根系吸收的硫酸鹽(SO42-)在ATP硫酸化酶(ATP sulfating enzyme,ASE)的作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)橄佘挣Ａ蛩?5-adenaylysulfate,APS).接著，APS還原酶(APS reductase,APSR)以谷胱甘肽(glutathione,GSH)為輔因子，將APS還原為亞硫酸鹽(SO32-).最后，亞硫酸還原酶(sulfite reductase,SiR)以鐵氧還蛋白(ferredoxin,Fd)為還原劑，把SO32-還原為H2S(圖1)，繼而合成Cys[2,4].

3.1.3 硫化碳途徑

空氣中的COS(又稱氧硫化碳或羰基硫)可通過氣孔進(jìn)入植物細(xì)胞，并在碳酸酐酶(carbonic anhydrase,CA)的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2S(圖1)[8]，成為植物細(xì)胞中H2S合成的又一途徑.

3.1.4 還原系統(tǒng)途徑

除了上述3個(gè)酶促途徑外，植物中還存在還原系統(tǒng)途徑合成H2S.在模式植物擬南芥中，3-巰基丙酮酸硫基轉(zhuǎn)移酶(3-mercaptopyruvate sulfurtransferase,MST)含有巰基(-SH)，可被3-巰基丙酮酸過硫化，形成過硫化的MST(MST-SSH).MST-SSH能與還原系統(tǒng)硫氧還蛋白(thioredoxin,TRX)或谷氧還蛋白(glutaredoxin,GRX)作用，將發(fā)生過硫化作用的硫脫下，釋放H2S，而酶本身回到原來的狀態(tài)(MST-SH)(圖1)[9].因此，此途徑中的氧化還原系統(tǒng)不僅可調(diào)節(jié)MST的活性，也是植物中產(chǎn)生H2S的途徑之一.

3.2 非酶促途徑

3.2.1 脫硫作用

植物中含有巰基的蛋白質(zhì)(P-SH)在GSH的作用下可發(fā)生脫硫作用，蛋白質(zhì)中的巰基(-SH)可被GSH中的GS取代，產(chǎn)生谷胱甘肽化的蛋白質(zhì)(P-SG)；而脫下的巰基可與GSH中的H結(jié)合，形成H2S[10].所以，GSH可通過脫硫作用調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)(包括酶)的活性，同時(shí)也維持細(xì)胞中的H2S穩(wěn)態(tài).

3.2.2 含硫化合物途徑

植物細(xì)胞中的含硫化合物如硫代硫酸鹽(Thiosulfate,TS)和硫代胱氨酸(Thiocysteine,TC)分別在GSH的作用下，也可產(chǎn)生H2S(圖1)[8].

3.2.3 葡萄糖途徑

作為能源和結(jié)構(gòu)物質(zhì)的Glc，可分別在甲硫氨酸(Methionine,Met)、Cys和同型半胱氨酸(Homocysteine,Hcys)的作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)镠2S(圖1)[8]，但其具體途徑目前尚未完全清楚.

3.2.4 過硫化作用

植物細(xì)胞中的H2S，除了可被迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镃ys外，也可通過蛋白質(zhì)過硫化作用(protein persulfidation,-SSH，也稱硫巰基化作用)而消耗.過硫化作用與上述的脫硫作用相反，此過程是消耗H2S，而脫硫作用是產(chǎn)生H2S[11].二者作為翻譯后修飾，都可改變蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)、活性、穩(wěn)定性和在細(xì)胞中的定位，從而調(diào)控植物細(xì)胞代謝，也可維持細(xì)胞中的H2S平衡[11].這可能也是H2S作為信號(hào)分子的主要功能之一.

4 H2S在植物生長(zhǎng)發(fā)育及響應(yīng)逆境脅迫中的作用

如前所述，H2S具有雙重作用，高濃度下是細(xì)胞毒害劑，低濃度下是信號(hào)分子.植物中關(guān)于H2S的研究，現(xiàn)已從細(xì)胞毒害劑機(jī)制的探究轉(zhuǎn)向信號(hào)分子作用.作為信號(hào)分子的H2S參與植物生長(zhǎng)發(fā)育及對(duì)逆境脅迫的響應(yīng)與適應(yīng).此部分內(nèi)容主要陳述最近幾年H2S在種子萌發(fā)、植物生長(zhǎng)、開花、逆境響應(yīng)和適應(yīng)中的最新研究進(jìn)展(圖2).

圖2 H2S提高植物耐逆性的機(jī)理

4.1 H2S促進(jìn)種子萌發(fā)和植物生長(zhǎng)

在非逆境脅迫條件下，用適宜濃度的H2S(10～100 μmol/L)處理豌豆、小麥和玉米種子，可促進(jìn)種子的萌發(fā)、幼苗莖和葉的生長(zhǎng)，增強(qiáng)植株的光合作用，提高作物鮮重及產(chǎn)量；對(duì)于豌豆，這種促進(jìn)以10 μmol/L為宜，用同樣濃度的H2S處理上述三種植物幼苗，均可促進(jìn)植株的光合作用和生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量；而1 mmol/L H2S處理，則抑制植物的生長(zhǎng)；20 mmol/L H2S處理，則殺死植物[12].我們前期的研究結(jié)果也表明，10 mmol/L H2O2浸種24 h，可促進(jìn)能源植物小桐子種子的萌發(fā)和提高發(fā)芽率，這種促進(jìn)效應(yīng)可被H2S合成抑制劑氨氧基乙酸削弱，而1 mmol/L H2S外源浸種，也可促進(jìn)萌發(fā)和提高發(fā)芽率.進(jìn)一步的研究表明，H2O2浸種可提高小桐子種子的LCD活性，繼而誘導(dǎo)內(nèi)源H2S的積累，觸發(fā)H2S信號(hào)[13].這些結(jié)果說明，H2S信號(hào)可介導(dǎo)H2O2誘導(dǎo)的種子萌發(fā).類似地，在小麥中，1.4 mmol/L H2S浸種12 h，可促進(jìn)小麥種子的萌發(fā)[14].類似的結(jié)果在擬南芥、綠豆和苜蓿種子的萌發(fā)中也可觀察到[15-17].

在鋁脅迫下，200 μmol/L H2S處理可降低大麥幼苗根系和葉片中的鋁含量，促進(jìn)根系中檸檬酸的分泌，增加GSH含量及抗氧化酶超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、CAT、POD和抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)的活性，繼而減少ROS的積累及膜脂過氧化，最終提高大麥幼苗在鋁脅迫下的生長(zhǎng)能力，特別是根的生長(zhǎng)[18].在小麥中，銅脅迫可抑制種子的萌發(fā)且降低發(fā)芽率，而1.4 mmol/L H2S浸種12 h，可緩解銅脅迫下種子萌發(fā)的抑制并提高發(fā)芽率.此外，H2S浸種可提高銅脅迫下小麥種子淀粉酶、酯酶、SOD、CAT和APX的活性，提高游離氨基酸的水平，減少內(nèi)源銅、ROS和膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛的積累，緩解銅脅迫誘發(fā)的氧化損傷[14].類似地，在高溫脅迫下，100 μmol/L H2S處理，可上調(diào)草莓中抗氧化酶(SOD、CAT、APX和谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase,GR))、抗氧化劑合成酶(半乳糖脫氫酶(galactose dehydrogenase,GDH)、谷胱甘肽合成酶(glutathione synthetase,GS)和谷氨酰半胱氨酸合成酶(glutamylcystein synthetase,GCS))、熱激蛋白(heat shock proteins,HSP)和水孔蛋白(aquaporin,PIP)等基因的表達(dá)，繼而提高草莓對(duì)高溫脅迫的抵抗能力，改善草莓的生長(zhǎng)[19].我們前期的研究結(jié)果也表明，50 μmol/L H2S處理煙草懸浮培養(yǎng)細(xì)胞，可提高其在高溫脅迫下的再生能力，并且這種再生能力的提高與鈣信使系統(tǒng)有關(guān)[20].在玉米中，H2S引發(fā)可提高高溫脅迫下種子的萌發(fā)率，改善玉米幼苗的生長(zhǎng)狀況，這種改善與H2S增強(qiáng)抗氧化系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的活力有關(guān)[21].這些結(jié)果表明，H2S可促進(jìn)非脅迫和脅迫條件下植物的生長(zhǎng).

4.2 H2S調(diào)控植物開花

春化作用是指低溫促進(jìn)植物開花的效應(yīng).關(guān)于春化作用的機(jī)理，目前尚未完全清楚.一般認(rèn)為，開花阻遏物基因(FLOWERINGLOCUSC,FLC)、SOC1(SuppresorofOverexpressionofCanstant1)和開花基因(FLOWERINGLOCUST,FT)是春化反應(yīng)和控制開花的關(guān)鍵基因，F(xiàn)LC表達(dá)受表觀遺傳調(diào)控[22].FLC的表達(dá)產(chǎn)物FLC是轉(zhuǎn)錄因子，能結(jié)合到SOC1或FT的啟動(dòng)子上，繼而抑制SOC1和FT的表達(dá)，即抑制開花素的合成，因此植物不能開花.只有當(dāng)轉(zhuǎn)錄因子FLC從SOC1或FT的啟動(dòng)子上脫落下來，F(xiàn)T才能表達(dá)，開花素FT才能合成，植物才能開花.Ma等[22]的最新研究表明，在大白菜(BrassicarapaL.)中，100 μmol/L H2S處理可促進(jìn)植物開花，以補(bǔ)償春化作用的不足.進(jìn)一步的研究表明，H2S可觸發(fā)大白菜開花阻遏物(BraFLC)的過硫化作用，導(dǎo)致構(gòu)象的改變和與SOC1或FT的啟動(dòng)子的結(jié)合能力下降，從啟動(dòng)子上脫落，繼而促進(jìn)FT表達(dá)和開花素FT的合成，最終促進(jìn)植物開花.同時(shí)，該課題組發(fā)現(xiàn)，H2S處理也可促進(jìn)擬南芥植物的開花，其機(jī)理與大白菜開花一致[22].這些研究進(jìn)一步表明，信號(hào)分子H2S在植物發(fā)育，特別是開花過程中起著重要的作用.

4.3 H2S提高植物耐逆性

4.3.1 H2S提高植物耐澇性

H2S除了在種子萌發(fā)、植物生長(zhǎng)和開花中扮演著重要的信號(hào)分子作用外，在植物響應(yīng)和適應(yīng)逆境脅迫中也起著重要作用.在擬南芥幼苗中，水澇可上調(diào)LCD和DCD基因的表達(dá)，繼而提高內(nèi)源H2S水平，說明低氧或缺氧可觸發(fā)H2S信號(hào).此外，100 μmol/L H2S外源處理，可緩解水澇導(dǎo)致的葉片死亡，提高植物在澇害脅迫下的存活率，暗示H2S可提高植物的耐澇性[23].進(jìn)一步的研究表明，H2S處理可改變內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫誘導(dǎo)的非折疊蛋白響應(yīng)基因(endoplasmic reticulum stress-induced unfolded protein response(UPR)genes)如BIP、CNX、TINI、PDI、ERO和CRT的表達(dá)，說明UPR信號(hào)途徑參與H2S誘導(dǎo)的植物耐澇性的形成[23].在擬南芥中，Yang等[24]利用轉(zhuǎn)錄組和代謝組手段，證實(shí)信號(hào)分子H2S在擬南芥耐澇性形成中的重要作用.他們的研究表明，外源提供和/或通過LCD、DCD、CAS及OASTL等內(nèi)源產(chǎn)生的H2S，可激活轉(zhuǎn)錄因子(如ERF、MYB、NAC和WRKY等)，上調(diào)低氧響應(yīng)基因(如POC、ADH、LBD和HRA等)和激素信號(hào)相關(guān)基因的表達(dá)，繼而調(diào)節(jié)GSH、氨基酸和植物激素(吲哚乙酸、茉莉酸和水楊酸等)的代謝，最終提高植物對(duì)水澇的抵抗能力，提高水澇脅迫下擬南芥的存活率.此外，Li等[25]認(rèn)為，水澇一方面可導(dǎo)致氧化脅迫、光合作用的下降、離子不平衡、生物膜的損傷和能量的匱缺，另一方面可通過激活CAS、DES1、SiR和CS，促進(jìn)內(nèi)源H2S的積累，以此作為第二信使，繼而通過增強(qiáng)抗氧化系統(tǒng)(如CAT、SOD、POD和APX的活性，以及GSH和脯氨酸的含量)，增強(qiáng)H2S與植物激素(如吲哚乙酸(indoleacetic acid,IAA)、水楊酸(salicylic acid,SA)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)和脫落酸(abscisic acid,ABA)等)和鈣信號(hào)(Ca2+和鈣調(diào)素)的交互作用，調(diào)節(jié)呼吸代謝(如蘋果酸脫氫酶、磷酸果糖激酶和葡萄糖6-磷酸脫氫酶等的活性)，提高生物膜的完整性，穩(wěn)定離子穩(wěn)態(tài)，調(diào)整代謝適應(yīng)，促進(jìn)不定根的形成，緩解根尖細(xì)胞的死亡和改善光合作用，最終提高植物的耐澇性.

4.3.2 H2S提高植物耐冷性

冷脅迫作為主要的非生物脅迫因子，抑制植物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高.在冷敏植物辣椒中，晝/夜溫度為10 ℃/5 ℃時(shí)可抑制幼苗的光合能力，而這種抑制可分別被氨基乙酰丙酸(葉綠素合成的前體物質(zhì))和H2S所緩解，二者的組合處理可提高幼苗的光合能力.此外，冷脅迫可降低葉綠素合成中的上游物質(zhì)氨基乙酰丙酸、原卟啉IX、Mg-原卟啉、原葉綠素酸酯、葉綠素a和葉綠素b的積累，下調(diào)上游基因HEMA1、HEMB、FAR1、FHY3、CHLH、HEME1、HEMF和PORA的表達(dá)；而氨基乙酰丙酸和H2S聯(lián)合處理，可提高辣椒幼苗的葉綠素含量及其上游物質(zhì)的水平，上調(diào)上游基因的表達(dá)[26].這些說明H2S處理可通過增加葉綠素的合成而提高冷脅迫下植物光合作用.類似地，在藍(lán)莓中，H2S處理可緩解低溫脅迫下光合色素類胡蘿卜素和葉綠素的降解，繼而阻止光系統(tǒng)I和光系統(tǒng)II的光抑制，最終提高藍(lán)莓對(duì)低溫脅迫的抵抗能力[27].黃瓜幼苗于4 ℃下暴露12 h，可上調(diào)H2S合成酶基因LCD和DES的表達(dá)，繼而增加內(nèi)源H2S含量.此外，4 ℃的低溫脅迫下，H2S處理可提高次生代謝物葫蘆素C合成酶的基因表達(dá)，而且這種表達(dá)是通過H2S對(duì)轉(zhuǎn)錄因子bHLH的過硫化作用，以提高其對(duì)啟動(dòng)子的結(jié)合能力而實(shí)現(xiàn)[28].在黃瓜幼苗中，水楊酸處理可提高LCD和DCD的基因表達(dá)，繼而提高內(nèi)源H2S水平和植物的耐冷性；這些效應(yīng)可被H2S合成抑制劑和清除劑所消除，而SA抑制劑對(duì)此效應(yīng)沒有顯著影響，暗示H2S在SA的下游發(fā)揮作用.進(jìn)一步的研究表明，SA和H2S處理，可增強(qiáng)抗氧化酶SOD、CAT、POD、APX和GR活性和抗氧化劑(GSH和抗壞血酸(ascorbic acid,ASA))含量，并增強(qiáng)冷響應(yīng)基因ICE、CBF和COR的表達(dá)[29].

4.3.3 H2S提高植物耐熱性

與低溫相類似，高溫也是限制作物產(chǎn)量的重要環(huán)境因子.高溫脅迫通常觸發(fā)蛋白質(zhì)變性、酶失活和基因表達(dá)的改變，繼而導(dǎo)致細(xì)胞損傷.在植物響應(yīng)和適應(yīng)高溫脅迫中，HSP和抗氧化系統(tǒng)起著重要的作用.如上所述，42 ℃的高溫脅迫下，100 μmol/L H2S處理可導(dǎo)致HSP、SOD、CAT、APX、GR、GDH、GS、GCS和PIP等的基因表達(dá)，繼而提高草莓對(duì)高溫脅迫的抵抗能力[19].在白楊中，H2S供體(NaHS和GYY4137)處理，可增加亞硝基谷胱甘肽還原酶的活性，繼而削弱高溫脅迫下ROS/活性氮(reactive nitrogen species,RNS)誘導(dǎo)的細(xì)胞氧化損傷，最終提高白楊的高溫抵抗能力[30].類似地，NaHS或GYY4137處理擬南芥種子，可提高高溫脅迫下種子的萌發(fā)，增加植物激素脫落酸信號(hào)途徑中重要的轉(zhuǎn)錄因子ABI5的基因表達(dá)，繼而提高擬南芥的耐熱性[17].我們的前期研究也表明，H2S處理可提高煙草懸浮細(xì)胞的耐熱性，并且這種耐熱性的獲得受鈣信使系統(tǒng)的調(diào)控[20].在玉米幼苗中，H2S處理可提高其耐熱性，且此耐熱性的提高可能通過調(diào)控抗氧化系統(tǒng)[31-32]和滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)[33-34]來實(shí)現(xiàn).此外，H2S誘導(dǎo)玉米幼苗耐熱性形成過程中，存在與H2O2、NO和SA信號(hào)的交互作用[35-37].

4.3.4 H2S提高植物對(duì)重金屬脅迫的耐性

隨著工業(yè)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程，重金屬污染有所增加，影響到人類健康和作物產(chǎn)量的提高.尋找緩解重金屬污染對(duì)植物傷害的策略是提高作物對(duì)重金屬脅迫的耐性的重要手段.在花椰菜中，H2S處理可減少植物中重金屬Cr的含量，其通過增強(qiáng)抗氧化系統(tǒng)的活力，降低ROS和丙二醛的水平，提高花椰菜對(duì)Cr的耐性[38].在番茄幼苗中，Cr脅迫可導(dǎo)致ROS的積累，改變H2S和半胱氨酸的代謝.而NO處理可通過引發(fā)H2S信號(hào)，從而改善Cr脅迫下幼苗的光合作用和植物的生長(zhǎng)狀態(tài)[39].此外，Cd脅迫可增加小麥幼苗內(nèi)源NO和H2S水平，而外源NO和H2S處理可增加抗氧化酶SOD、CAT和POD的活性，保持生物膜的完整性，從而提高小麥幼苗對(duì)氧化脅迫的抵抗能力[40].在擬南芥中，超表達(dá)DCD可增加內(nèi)源的H2S水平，降低幼苗中的Cd和ROS水平[41].Luo等[42]的進(jìn)一步總結(jié)表明，Cu、Al、Cr、Cd、As、Pb、Zn和Ni等重金屬脅迫，一方面可導(dǎo)致ROS/RNS的積累，產(chǎn)生氧化脅迫；另一方面可激活LCD、DCD和OASTL活性，繼而提高內(nèi)源H2S水平.H2S可通過對(duì)靶蛋白如CAT和APX的過硫化來調(diào)節(jié)他們的活性，以及提高抗氧化系統(tǒng)的活力，緩解氧化脅迫；此外,H2S可促進(jìn)檸檬酸的分泌及植物螯合肽和金屬硫蛋白的合成，減少植物體內(nèi)重金屬的積累；同時(shí)H2S還通過與其他信號(hào)分子如NO、H2O2、Ca2+、植物激素(SA和JA等)的交互作用，最終提高植物對(duì)重金屬脅迫的抵抗能力.

4.3.5 H2S提高植物耐旱性

干旱脅迫作為一個(gè)非生物脅迫因子，通常導(dǎo)致滲透脅迫(即細(xì)胞缺水)和氧化脅迫.因此凡是能夠減少氣孔開度的策略，都可維持細(xì)胞的水分平衡，提高植物的抗旱性.Chen等[43]的研究表明，干旱脅迫可直接或間接(通過ABA信號(hào)途徑)觸發(fā)擬南芥中H2S的積累，導(dǎo)致蔗糖非發(fā)酵相關(guān)蛋白激酶2.6(sucrose non-fermenting related protein kinase,SnRK2.6)過硫化和磷酸化并被激活，繼而誘發(fā)保衛(wèi)細(xì)胞膜上Ca2+通道的開放，最終導(dǎo)致氣孔的關(guān)閉，從而維持植物體內(nèi)的水分平衡，提高植物的抗旱性.類似地，ABA可激活擬南芥DES1活性，增加內(nèi)源H2S水平，繼而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子ABA不敏感4(ABA insensitive 4,ABI4)發(fā)生過硫化并被激活，提高其與促分裂原活化蛋白激酶的激酶的激酶18(mitogen-activated protein kinase kinase kinase 18,MAPKKK18)的啟動(dòng)子的結(jié)合能力，促進(jìn)MAPKKK18的基因表達(dá)，引發(fā)MAPK信號(hào)級(jí)聯(lián)，調(diào)節(jié)下游生理過程包括耐旱性[44].在水稻幼苗中，干旱脫水可激活LCD活性，繼而連續(xù)不斷地增加內(nèi)源H2S水平；而外源H2S處理，可改善幼苗在干旱脅迫下的生理性能和光合參數(shù)，提高抗氧化酶SOD、CAT、APX和GR活性及抗氧化劑GSH和ASA的水平，緩解ROS的積累和氧化損傷.此外，H2S處理可上調(diào)ABA合成酶和ABA響應(yīng)基因的表達(dá)，下調(diào)ABA氧化酶基因表達(dá)，從而提高水稻幼苗中的ABA水平，最終提高幼苗對(duì)干旱脅迫的抵抗能力[45].在小麥幼苗中，外源硅和H2S處理不僅可提高小麥的耐旱性，還可提高小麥對(duì)葉銹病菌浸染的抵抗能力.這種抵抗能力的形成與硅和H2S增強(qiáng)抗氧化酶SOD、POD、多酚氧化酶和苯丙氨酸裂解酶的活力，增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖和脯氨酸水平及內(nèi)源激素ABA和SA的含量有關(guān)[46].

4.3.6 H2S提高植物耐鹽性

與干旱脅迫類似，鹽脅迫也會(huì)導(dǎo)致滲透脅迫、離子毒害、營(yíng)養(yǎng)脅迫和氧化脅迫.能夠緩解這四個(gè)方面?zhèn)Φ牟呗远伎商岣咧参飳?duì)鹽脅迫的抵抗能力.在茄子幼苗中，鹽脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)大量元素(N、P、K、Ca、Mg和S)和微量元素(Mn、Fe、Zn和B)的減少，產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)脅迫，繼而導(dǎo)致植物高度、莖稈直徑、葉面積、植株鮮重和干重等生長(zhǎng)相關(guān)參數(shù)的下降；而外源H2S處理，則可提高上述大量元素和微量元素的含量，緩解營(yíng)養(yǎng)脅迫和植物生長(zhǎng)相關(guān)參數(shù)的下降；外源H2S處理可提高抗氧化酶SOD和CAT的活性，減少ROS和丙二醛的積累；提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)蔗糖和脯氨酸的含量以及植物激素ABA水平，最終改善茄子幼苗在鹽脅迫下的生長(zhǎng)特性[47].類似地，在藥用植物青錢柳中，鹽脅迫可改變?nèi)~綠素?zé)晒鈪?shù)(Fv/Fm、NPQ和ETR)，產(chǎn)生氧化脅迫，減少生物量的積累；而H2S處理，可通過激活硝酸還原酶活性，觸發(fā)NO信號(hào),以及提高鹽脅迫下植物中抗氧化酶SOD、POD、CAT和APX的活性及抗氧化劑脯氨酸和多酚的水平，繼而減少ROS積累，緩解氧化損傷，改善光合參數(shù)，積累生物量[48].此外，在黃瓜幼苗中，褪黑素處理可增加LCD和DCD的轉(zhuǎn)錄并提高酶的活性，繼而積累內(nèi)源H2S，上調(diào)抗氧化酶SOD、POD、CAT、APX、GR和脫氫抗壞血酸還原酶(dehydroascorbate reductase,DHAR)的基因表達(dá)，提高這些抗氧化酶的活性，降低鹽脅迫下幼苗的氧化損傷，改善幼苗的光合參數(shù)，最終提高幼苗對(duì)鹽脅迫的抵抗能力[49].Wei等[50]利用蛋白組手段，證實(shí)外源H2S對(duì)鹽脅迫下的水稻幼苗有保護(hù)作用；其主要機(jī)理為H2S處理可上調(diào)抗氧化相關(guān)蛋白(SOD、POD、APX、GSH硫轉(zhuǎn)移酶等)、光合作用相關(guān)蛋白(核酮糖1,5-二磷酸羧化/加氧酶等)、能量產(chǎn)生和物質(zhì)代謝相關(guān)蛋白(糖酵解和三羧酸循環(huán)相關(guān)酶等)及脅迫響應(yīng)和保護(hù)相關(guān)蛋白(蛋白激酶等)的表達(dá)，繼而緩解氧化脅迫，改善鹽脅迫下水稻幼苗地下部分和地上部分的生長(zhǎng)，積累更多的生物量.

5 總結(jié)與展望

H2S與其他信號(hào)分子(如Ca2+、ROS、NO和MG等)相似，具有雙重作用，即高濃度下是細(xì)胞毒害劑，低濃度下是信號(hào)分子.作為信號(hào)分子的H2S在植物體內(nèi)可通過酶促和非酶促途徑進(jìn)行代謝，以維持它的穩(wěn)態(tài)和觸發(fā)下游信號(hào)途徑.H2S不僅可獨(dú)立作用，也可通過與其他信號(hào)分子(如Ca2+、ROS、NO和MG等)交互作用，形成信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，繼而調(diào)控種子的萌發(fā)與幼苗的生成、植物的生長(zhǎng)與發(fā)育、生殖與衰老以及植物對(duì)逆境脅迫的響應(yīng)與適應(yīng).最新的研究表明，H2S引發(fā)蛋白質(zhì)過硫化作用(一種新的翻譯后修飾)，繼而改變蛋白的構(gòu)象、活性、穩(wěn)定性和細(xì)胞定位，這可能是它作為信號(hào)分子調(diào)控植物生理生化過程的重要手段.雖然H2S信號(hào)近幾年來在植物體中的研究取得了很大發(fā)展，但許多科學(xué)問題也需要進(jìn)一步闡明：(1)隨著組學(xué)的發(fā)展，H2S處理提高植物不同耐逆性中的轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組和表型組的變化及差異，以及其提高植物耐逆性的分子機(jī)制，需要進(jìn)一步研究；(2)H2S與其他信號(hào)分子(如Ca2+、ROS、NO、MG、環(huán)核苷酸、脂信號(hào)和糖信號(hào)等)的交互作用，以及交互作用形成的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)有待于進(jìn)一步補(bǔ)充和完善；(3)H2S作為信號(hào)分子，能導(dǎo)致某些蛋白的過硫化，這些蛋白是否就是它的受體也需要確認(rèn)；(4)H2S調(diào)控種子萌發(fā)、生長(zhǎng)發(fā)育及形態(tài)建成的分子機(jī)制也有待于進(jìn)一步解析.