王加琪，向汝華，李忠光

(云南師范大學 生命科學學院 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能與環(huán)境生物技術重點實驗室, 昆明 650500)

硫化氫(Hydrogen sulfide,H2S)是一種具有臭雞蛋氣味的無色氣體，能抑制細胞色素氧化酶的活性，故長期以來被認為是一種毒害劑[1]。自發(fā)現(xiàn)植物體內可合成H2S以來，其調控的生理過程也逐漸被揭示，H2S被認為是一種新型信號分子[2]。H2S不僅調控種子萌發(fā)、不定根形成、光合作用等過程[2]，也調控植物對低溫、干旱、滲透脅迫等逆境的響應[3]。植物體內H2S的合成主要包括L-/D-半胱氨酸脫巰基酶(L-/D-cysteine desulfhydrase, L-/D-CD)途徑、亞硫酸還原酶(Sulfite reductase, SiR)途徑、氰丙酸合成酶(Cyanoalanine synthetase, CAS)途徑等[4-5]。

脫落酸(Abscisic acid,ABA)是一種脅迫激素，在植物響應干旱、高溫、低溫、鹽漬和水澇等逆境脅迫中起重要作用[6]。在植物響應這些脅迫時，ABA合成的關鍵酶玉米黃質環(huán)氧化酶(Zeaxathin epoxidase,ZEP)、9-順式-環(huán)氧類胡蘿卜素雙加氧酶(9-Cis-epoxycarotenoid dioxygenase,NCED)和ABA 醛氧化酶(ABA aldehyde oxidase,AAO)等的基因表達被上調，活化對應的酶，迅速增加內源ABA水平，繼而觸發(fā)ABA依賴和非ABA依賴的信號轉導途徑，最終提高植物的抗逆性[7]。

此外，ABA處理可觸發(fā)蠶豆葉片H2S信號[3]，這暗示H2S和ABA在氣孔運動等生理過程中的交互作用。但是，目前鮮有關于H2S和ABA在逆境脅迫中交互作用機理的綜述。本文基于研究進展分析H2S和ABA在植物體內的代謝，著重討論二者在植物響應干旱、高溫、低溫、滲透脅迫等逆境脅迫，以及在調控種子萌發(fā)、根系生長和氣孔運動中的交互作用，并提出該領域的研究方向。

1 H2S在植物體內的代謝機制

高濃度的H2S會毒害細胞，故其在細胞內的水平必須保持穩(wěn)態(tài)。通常植物細胞中H2S的穩(wěn)態(tài)受合成和分解調節(jié)。植物中，H2S代謝酶包括L-/D-CD、SiR、CAS、O-乙酰絲氨酸硫醇裂解酶[O-acetylserine(thiol)lyase,OAS-TL]、碳酸酐酶(Carbonic anhydrase,CA)等[1-3]。

除酶促合成途徑外，植物中H2S的穩(wěn)態(tài)也受非酶促合成途徑調控。在葡萄糖(Glucose,Glu)的糖酵解途徑(Embden-Meyerhof pathway,EMP)和磷酸戊糖途徑(Pentose phosphate pathway,PPP)中，產生的NADH和NADPH可還原氧化型谷胱甘肽(Oxidized glutathione,GSSG)為還原型谷胱甘肽(Reduced glutathione,GSH)，GSH可進一步轉化為H2S[8]。此外，葡萄糖分別在甲硫氨酸(Methionine,Met)、半胱氨酸(Cysteine,Cys)、同型半胱氨酸(Homocysteine,Hcys)的作用下，也可轉變?yōu)镠2S[9]。再者，含硫化合物硫氧還蛋白(Thioredoxin,TRX)、硫代硫酸鹽(Thiosulfate,TS)和硫代胱氨酸(Thiocysteine,TC)，分別在NADPH和GSH的作用下，也可產生H2S(圖1)[10]。

圖1 植物中硫化氫(H2S)的非酶促合成途徑

2 ABA在植物體內的代謝機制

ABA是一種倍半萜，其合成中異戊烯焦磷酸(Isopentenyl diphosphate,IPP)與二甲基烯丙基二磷酸(Dimethylallyl diphosphate,DMAPP)結合，形成牻牛兒牻牛兒焦磷酸(Geranylgeranyl diphosphate,GGPP)，GGPP在茄紅素合酶(Phytoene synthase,PS)的作用下合成茄紅素(Phytoene,PTE)；PTE通過脫飽和、異構化和環(huán)化步驟，合成類胡蘿卜素(Carotenoid,CAR)，繼而在β-CAR羥化酶(β-CAR hydroxylase,BCH)的作用下合成玉米黃質(Zeaxathin,ZXT)；ZXT在ZEP催化下形成黃質(Violaxanthin,VLX)，VLX在黃質脫環(huán)氧酶(VLX de-epoxidase,VDE)的作用下又可轉變?yōu)閆XT[6]。VLX可轉變?yōu)?′-順-新黃素(9′-Cis-neoxanthin,CNX)和9-順式-黃質(9-Cis-violaxanthin,CVX)，二者在NCED催化下轉變?yōu)辄S氧素(Xanthoxin,XTX)[7]。至此，XTX從質體運輸到細胞質，在短鏈脫氫酶/還原酶(Short-chain dehydrogenase/reductase,SDR)催化下進一步形成脫落醛(Abscisic aldehyde,ABAal)，最終在AAO作用下合成ABA(圖2)[6]。

圖2 植物中脫落酸(ABA)的代謝

ABA的分解包括氧化和鈍化。ABA的氧化分解是指ABA在膜結合的細胞色素P450單加氧酶(Cytochrome P450 monooxygenase, CYP707A)的作用下轉變?yōu)榧t花菜豆酸(Phaseic acid, PA)，PA在PA還原酶(PA reductase, PAR)催化下合成二氫紅花菜豆酸(Dihydrophaseic acid, DHPA)[6]。此外，ABA的鈍化是指ABA在ABA葡糖基轉移酶(Glycosyl transferase, GT)的作用下轉變?yōu)槠咸烟酋?Glucosyl ester, ABA-GE)的過程[7]。反過來，ABA-GE可在β-葡糖苷酶(β-Glucosaccharase, BG)的作用下再形成ABA(圖2)[7]。一般認為，PS、NCED、AAO和CYP707A是ABA代謝的關鍵酶[6]。

3 H2S與ABA的交互作用

植物中，H2S和ABA不僅能獨立作用，也能通過交互作用調控諸多生理過程。外源提供或內源合成的H2S和ABA可通過交互作用引發(fā)其他信號(如Ca2+、NO等)，激活轉錄因子(如WRKY、HY1、ABF等)、代謝酶(如LCD、DES、NCED、AAO等)和受體(如PYL、PYR等)，繼而調控植物對干旱、高溫、低溫、滲透脅迫的響應，以及氣孔運動等生理過程。在諸多響應因子中，NCED、ABI和WRKY可響應兩個以上的生理過程，如ABI可同時響應干旱、高溫、氣孔運動等生理過程(圖3)。

圖3 硫化氫和脫落酸在植物響應逆境脅迫中的交互作用

3.1 干旱脅迫

干旱脅迫是制約植物生長發(fā)育的主要脅迫因子。在擬南芥中，半胱氨酸脫巰基酶(Desulfhydrase,DES)產生的H2S可對蔗糖非發(fā)酵相關蛋白激酶2.6(Sucrose non-fermenting related protein kinase,SnRK2.6)/開放氣孔1(Open stomata 1,OST1)進行過硫化(persulfidation)的翻譯后修飾，促進二者磷酸化，激活ABA下游響應基因的表達[11-12]。這說明H2S在干旱脅迫響應中可激活ABA信號通路相關基因。在擬南芥野生型(Wild type,WT)、H2S合成酶缺失型突變體lcd和ABA合成缺失型突變體aba1中，干旱脅迫可提高WT幼苗LCD和ABA1表達及H2S與ABA水平，抑制突變體lcd和aba1的種子萌發(fā)；而NaHS則促進干旱脅迫下WT、lcd和aba1突變體內源H2S的積累及上調LCD和ABA1表達。此外，ABA處理可提高干旱脅迫下WT和aba1突變體內源H2S含量及LCD和ABA1表達，而對lcd內源H2S含量及LCD表達沒有顯著效應[13]。這說明H2S和ABA在擬南芥的干旱脅迫響應中存在交互作用，并且H2S可能位于 ABA信號的下游。

在干旱脅迫下，H2S缺失擬南芥lcd突變體中ABA受體的表達水平增加，而H2S熏蒸后被逆轉[14]。在小麥幼苗中，外源H2S處理上調ABA合成關鍵酶(ZEP、NCED、AAO和SDR)的基因表達，提高內源ABA水平，繼而引發(fā)ABA信號通路，激活超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、過氧化物酶(Peroxidase,POD)和過氧化氫酶(Catalase,CAT)的活性，最終提高小麥幼苗的抗旱性。此外，ABA處理也可提高小麥幼苗中內源H2S含量[15]。這進一步暗示H2S和ABA在干旱脅迫耐性形成中的交互作用。

3.2 高溫脅迫

高溫是制約植物生長、發(fā)育和產量的主要脅迫因子。高溫可導致膜傷害和丙二醛(Malondialdehyde,MDA)積累，而外源ABA可緩解此傷害；ABA合成抑制劑氟啶酮預處理，加劇膜傷害和MDA的積累[16]。此外，高溫可上調NCED的表達，增加ABA含量，繼而調控植物熱耐性。H2S可提高熱脅迫下擬南芥種子的萌發(fā)，而H2S缺失突變體的萌發(fā)對高溫脅迫更敏感[17]。這暗示ABA和H2S在植物響應高溫脅迫中存在交互作用。

ABI5是ABA信號轉導途徑中的重要成分，高溫可提高其轉錄水平，從而抑制種子的萌發(fā)；而abi5突變體的種子，則對高溫表現(xiàn)出耐熱性；H2S處理可提高ABI5轉錄水平，而清除內源H2S則削弱此效應[18]。這說明H2S信號可通過ABI5增強種子的耐熱性。在煙草懸浮培養(yǎng)細胞中，ABA處理可提高LCD的活性，繼而顯著提高煙草懸浮細胞的內源H2S水平，最終提高細胞的耐熱性，這也暗示，H2S與ABA交互作用調控煙草細胞的耐熱性[19]。

3.3 低溫脅迫

低溫是最常見的逆境之一，低溫脅迫會干擾植物的生理功能，進而抑制其生長。李丹丹等[20]報道，在黃瓜幼苗中，NaHS和ABA處理均可提高幼苗的耐冷性。ABA預處理可上調LCD和DCD表達和相應酶的活性，繼而促進H2S的合成。NaHS預處理也可上調NCED表達和酶活性，從而提高ABA水平。NaHS和ABA處理均可提高SOD、POD、抗壞血酸過氧化物酶(Ascorbate peroxidase,APX)和谷胱甘肽還原酶(Glutathione reductase,GR)的基因表達和酶活性，增加抗壞血酸(Ascorbic acid,AsA)和GSH含量及AsA/脫氫抗壞血酸(Dehydroascorbate,DHA)和GSH/GSSG比例，繼而減少活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的積累。NaHS引發(fā)的上述效應可被ABA合成抑制劑鎢酸鈉所削弱，而ABA引發(fā)的效應也可被H2S清除劑次?；撬?Hypotaurine,HT)所逆轉[20]。這暗示H2S和ABA交互作用調控抗氧化系統(tǒng)活力，繼而緩解低溫對黃瓜幼苗的傷害。

在低溫脅迫下，NaHS和ABA處理可提高擬南芥SOD、POD、APX和GR的基因表達和活性，以及增加AsA和GSH含量及AsA/DHA和GSH/GSSG比例[21]。此外，鎢酸鈉和HT處理可削弱H2S和ABA誘導在低溫脅迫下黃瓜幼苗的抗氧化能力[22]，暗示在低溫脅迫下，H2S與ABA交互作用調控植物的抗氧化能力，從而增強植物對低溫脅迫的耐性。

3.4 滲透脅迫

滲透脅迫通常引起氧化脅迫，而植物可通過增強AsA-GSH循環(huán)，保護自身免受氧化損傷。在這個循環(huán)中，AsA和GSH再生，H2O2被清除。研究表明，ABA可通過與H2S、一氧化氮(Nitric oxide,NO)、過氧化氫(Hydrogen peroxide,H2O2)、鈣(Ca2+)和鈣調素(Calmodulin,CaM)等信號交互作用，增強植物的AsA-GSH循環(huán)，緩解植物的氧化損傷[16]。

外源ABA和滲透脅迫可誘導H2S的積累，繼而調節(jié)APX、GR和脫氫抗壞血酸還原酶(Dehydroascorbate reductase,DHAR)的活性，調節(jié)小麥葉片AsA-GSH循環(huán)，增加在滲透脅迫下AsA/DHA和GSH/GSSG的比值，從而增強小麥的抗性[16]。所以，外源ABA和滲透脅迫誘導產生的H2S可調控AsA-GSH循環(huán)，從而提高小麥幼苗抗氧化能力，保護其免受滲透脅迫所誘發(fā)的氧化傷害。

3.5 氣孔運動

ABA能誘導氣孔關閉，H2S也能調控氣孔運動[23]，暗示二者在氣孔運動中的交互作用。在擬南芥中，NaHS可降低ABA合成缺陷型aba3和ABA不敏感型abi1突變體的氣孔開放，而在lcd突變體中，ABA誘導的氣孔關閉減弱。此外，aba3和abi1突變體中LCD表達和內源H2S的產生，均低于野生型[23]。ABA可誘導擬南芥野生型LCD表達和內源H2S水平的增加，繼而下調WRKY40表達和上調WRKY60；而在lcd突變體中，H2S處理可上調WRKY18和WRKY40，下調WRKY60，最終促進氣孔關閉[24]。這暗示H2S與ABA可通過調控WRKY基因家族的表達繼而調控氣孔的運動。同樣在擬南芥保衛(wèi)細胞中，ABA處理可上調DES的表達，提高保衛(wèi)細胞中內源H2S水平，調控下胚軸伸長因子1(Elongated hypocotyl, HY1)反向信號，最終調控ABA誘導的氣孔關閉[25]。這暗示DES/H2S在調節(jié)HY1信號通路中起著關鍵的作用。在擬南芥中，與野生型相比，lcd突變體氣孔開度更大，對干旱脅迫的敏感性更高；NaHS處理后，abi1突變體的氣孔開度顯著下降，而在lcd突變體中，對ABA響應的氣孔關閉受阻[23]。這暗示H2S與ABA在擬南芥響應干旱脅迫時通過交互作用調節(jié)氣孔的運動。在蠶豆幼苗中，ABA促進氣孔關閉，而這種關閉可被H2S合成抑制劑氨基氧乙酸(Aminooxyacetic acid,AOA)、羥氨、丙酮酸和氨所抑制。此外，ABA處理可提高LCD和DCD活性，繼而提高內源H2S水平；ABA誘發(fā)的酶活性和H2S水平的提高仍可被AOA、羥氨、丙酮酸和氨所逆轉[26]。這些說明H2S在ABA的下游促進蠶豆的氣孔關閉。

H2S與ABA交互作用對氣孔運動的調控，一方面H2S可直接抑制保衛(wèi)細胞K+內流而促進Ca2+內流，另一方面ABA可引發(fā)H2S信號，繼而對ABA響應蛋白進行過硫化修飾，這種修飾涉及DES、ABA受體PYL(Pyrabactin resistance-like receptor)、蛋白磷酸酶(Protein phosphatase 2C,PP2C)、SnRK、鈣依賴蛋白激酶(Calcium-dependent protein kinase,CDPK)、NDAPH氧化酶等[11-12,27]。通過過硫化修飾激活相應的蛋白，級聯(lián)ABA信號通路，最終導致氣孔的關閉。

3.6 其他生理過程

除上述交互作用外，H2S和ABA在種子萌發(fā)、根的生長、氣孔密度、細胞自噬等生理過程中也存在交互作用。在擬南芥中，超表達LCD可積累H2S，抑制種子的萌發(fā)和根的生長，但氣孔密度則增加[20]。進一步試驗表明，這些效應通過上調ABA響應基因如PYR、ABI、SNRK、PP2C和ABF表達來實現(xiàn)[21]。如下胚軸伸長因子HY5可與ABI5的啟動子結合，繼而啟動該基因的表達和ABA信號途徑，拮抗種子的萌發(fā)。此外，WRKY18、WRKY40和WRKY60是參與ABA信號應答的主要轉錄因子。在根系生長中，ABA處理可增加擬南芥野生型LCD表達和內源H2S水平，而外源H2S處理則下調WRKY40表達，上調WRKY60；在突變體lcd中，外源H2S處理上調WRKY18和WRKY40表達，下調WRKY60[24]。這些結果暗示H2S與ABA可通過調控WRKY基因家族的表達，繼而調控根系的生長。蛋白組分析研究表明，在擬南芥中，ABA處理可促進半胱氨酸蛋白酶ATG的過硫化，繼而調控細胞自噬過程。此外，H2S誘導的ATG4的過硫化，可直接促進ATG8的翻譯后修飾，從而負調控細胞自噬過程[28]。

4 小結與展望

H2S作為一種新型植物信號分子，不僅可獨立發(fā)揮作用，也可與ABA交互作用，在植物響應干旱、高溫、低溫和滲透脅迫以及調控氣孔運動、種子萌發(fā)、根系生長等生理過程中發(fā)揮作用。此外，H2S也可與其他植物激素如生長素、赤霉素、細胞分裂素、乙烯、油菜素內酯、獨角金內酯等，以及信號分子如Ca2+、NO、ROS信號等交互作用[29-30]，形成調控植物生長、發(fā)育和響應逆境脅迫的信號網絡，繼而調控整個植物生活史。但是，H2S與ABA交互作用調控耐旱性、耐熱性、耐冷性、滲透脅迫耐性以及植物生長發(fā)育的分子機理仍未完全清楚，需要進一步闡明。此外，信號網絡的新成員有待進一步發(fā)現(xiàn)。隨著組學(Omics)的發(fā)展，由信號分子觸發(fā)的植物信號網絡中交互作用的所有蛋白質構成的信號組(signalome)需要進一步解析。