气体信号分子H2S对拟南芥生长发育的影响

岳斌，裴雁曦，刘旦梅，刘志强

（山西大学生命科学学院，山西太原030006）

气体信号分子H2S对拟南芥生长发育的影响

岳斌，裴雁曦，刘旦梅，刘志强

（山西大学生命科学学院，山西太原030006）

硫化氢（H2S）是继一氧化氮和一氧化碳之后的第3种气体信号分子。对于H2S调节植物胁迫响应的研究已经有大量的报道，而H2S在植物发育过程中的影响还有待研究。以NaHS作为外源H2S供体，观察其对野生型拟南芥生长发育的影响。结果表明，H2S可延缓拟南芥抽薹，提高叶绿素含量、净光合速率（Pn）、蒸腾速率（T）、气孔导度（G），降低细胞间隙CO2浓度（C）。实时荧光定量PCR和半定量PCR结果表明，H2S可提高拟南芥光合作用相关基因Rubicso，RCA，LHCB3，LHCB2，GPD的表达量。外源生理浓度H2S可提高拟南芥光合性能，延缓抽薹时间。

硫化氢；拟南芥；光合作用

硫化氢（Hydrogen sulfide，H2S）气体无色有臭鸡蛋气味，分子量小可以自由穿过细胞膜，其身份已经从早期的毒性气体转变为气体信号分子。H2S自1996年经ABE等[1]首次证明作为一种神经活性物质存在于人体，其生理调节作用逐渐为人们所重视。2001年，ZHAO等[2]测定H2S在动物血管组织中的含量约为（45.6±14.2）μmol/L，并发现其具有调节K+-ATP通道的功能。YANG等[3]在《Science》发表论文，证明H2S可在动物体内内源产生，可以调节血管舒张。近来研究发现，H2S可促进人体角质细胞的增殖和分化[4]。

H2S在植物体内同样可内源产生[5-7]，可有效缓解逆境及重金属等对植物造成的伤害[8-10]。在菠菜储存过程中，H2S可提高其抗氧化能力[11]。在香蕉冷藏过程中，H2S可降低MDA含量，增强其能量代谢过程中H+-ATPase，Ca2+-ATPase，琥珀酸脱氢酶和细胞色素C氧化酶的活力[12]。2016年，裴雁曦[13]对H2S在植物体的信号分子功能进行了较为详细的介绍。

绿色植物通过光合作用同化CO2和H2O，制造有机物并释放O2，这是植物自身生长发育，也是整个生物界赖以生存的基础。在植物的生长发育过程中，光合作用效率是植物生产力和作物产量高低的根本决定因素[14]。研究表明，杨树的苗木生长量，特别是苗高与净光合作用速率联系密切[15]。植物的光合能力受自身叶片结构特征与生化组成，以及外界环境因素的影响[16-17]；红蓝比3∶1的LED光源补光处理可显著提高草莓叶绿素a的含量[18]；在干旱胁迫下沙棘叶片可通过增加天线色素的热耗散，增强抗氧化酶活性，稳定光合作用系统的功能[19]；干旱胁迫会使小麦和糜子的净光合速率降低[20-21]；小麦扬花期和灌浆期的光合速率随着水分的减少而呈降低趋势[22]；宁夏枸杞叶片的净光合作用速率随气温升高而降低[23]。

H2S作为气体信号分子，可增强植物生物和非生物抗逆性。本研究以NaHS作为外源H2S供体，观察其对野生型拟南芥生长发育的影响，旨在为H2S调节植物生理功能提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料培养及处理

试验材料为野生型拟南芥（Col-0）。种子春化后播种在等体积土与蛭石组成的混合基质中，培养条件为温度23℃，相对湿度60%，光照强度3 000 lx，光周期16/8 h（昼/夜），长出真叶后进行处理。NaHS处理浓度分别为50，100μmo/L（每天熏蒸6h）。不施加NaHS的野生型拟南芥为对照组（CK）。

1.2 表型及生理指标的测定

以NaHS作为外源H2S供体处理拟南芥，每3 d对植株的叶长、叶宽、叶片数目及株高测量一次，并进行数据统计。

对处理17，24，31 d的植株进行叶片气体交换参数和叶绿素含量的测定。净光合速率（Pn）、蒸腾速率（E）、气孔导度（Gs）、细胞间隙CO2浓度（C）使用CB-1102便携式光合蒸腾仪（北京雅欣理仪科技有限公司）进行检测，测定时需光源充足且稳定，空气中CO2含量稳定。

叶绿素含量测定：取新鲜植物叶片样品0.1 g，放入研钵中，加少量石英砂及2 mL 95%乙醇，研成匀浆，3000r/min，离心1min。取上清稀释至20mL。利用紫外分光光度计测665，649 nm处的吸光值，分别以A665和A649表示。

其中，Ca为叶绿素a的浓度，Cb为叶素素b的浓度，CT为叶绿素总浓度。

所测叶片的叶绿素含量计算公式如下。

其中，V为提取液总量（mL），W为样品质量（g）。

1.3 基因表达检测

拟南芥幼苗总RNA提取及基因表达检测参考Jin等[24]的方法，分别用半定量PCR和qRT-PCR检测光合基因表达量（引物如表1所示），以UBQ为内参，qRT-PCR数据采集与分析使用IQ5软件。

表1 引物

1.4 统计分析

数据使用SPSS13软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 H2S对拟南芥表型的影响

叶片是绿色植物进行光合作用的主要器官，统计数据表明，H2S处理过的拟南芥与对照组相比，在叶片的长度（图1-A）、宽度（图1-B）和叶片数目（图1-C）上没有显著变化。观察发现，H2S处理延缓了拟南芥的抽薹时间，造成植株高度差异（图1-D），但H2S对抽薹后的植株高度没有显著影响。

2.2 H2S对拟南芥光合作用效率的影响

光合作用是自然界碳-氧平衡的重要媒介，是植物补充营养物质的重要过程。净光合速率是净光合作用产生糖类的速率。蒸腾速率能反映植物在一定时间内单位叶面积蒸腾的水量。气孔导度对蒸腾速率有着直接的影响。胞间CO2浓度受到气孔导度、叶肉细胞光合活性的影响。分别测定H2S处理17，24，31 d的拟南芥及对照组的4种光合效率指标。与对照组相比，处理24，31 d的拟南芥净光合作用速率升高（图2-A）。施加H2S处理17，31 d的拟南芥蒸腾速率（图2-B）、叶片气孔导度（图2-C）均显著高于对照组。施加H2S处理17，31 d的胞间CO2浓度（图2-D）显著低于对照组。

2.3 H2S对拟南芥叶绿素含量的影响

叶片内的色素可调节光能的捕获和传递。叶绿素是光合作用的基础，拟南芥光合效率的变化与叶绿素含量变化联系紧密。H2S处理24 d的拟南芥叶绿素含量显著高于对照组（图3）。

2.4 H2S对拟南芥光合基因表达量的影响

光合性能的调节与光合基因的表达量息息相关。核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（ribulose-bisphosphate carboxylase/oxygenase，Rubicso），核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶激活酶（rubicsoactivase，RCA）和光合系统Ⅱ叶绿素结合蛋白LHCB3，LHCB2及NADP依赖的三磷酸甘油醛脱氢酶（NADP-dependentglyceraldehyde-3-phosphatedehydrogenase，GPD）作为光系统结构相关蛋白对植物光合碳同化起重要作用。Rubicso是光合作用C3反应中重要的羧化酶，也是光呼吸中不可缺少的加氧酶。钝化态Rubisco必须经过RCA的活化才能表现出其羧化/加氧活性。光合系统Ⅱ叶绿素结合蛋白可吸收光能及传递光能到作用中心。三磷酸甘油醛脱氢酶催化3-磷酸甘油醛氧化（脱氢）和磷酸化，生成1，3-二磷酸甘油酸，是糖代谢的中心环节。对不同处理的拟南芥植株进行qRT-PCR和半定量PCR检测。结果表明，施加H2S处理后的拟南芥植株内光合基因Rubicso，RCA，LHCB3，LHCB2和GPD的表达量升高（图4）。

3 讨论与结论

拟南芥发育过程中，叶片长度、宽度、植株所含叶数及高度的变化与其所处的环境息息相关。H2S可以提高铜离子胁迫下小麦种子发芽率以及根长和芽长[25]。在本试验中，经由H2S处理的拟南芥植株的叶片长度、宽度及叶片数目与对照相比无明显变化；植株高度低于不施加H2S处理的对照组，即H2S处理的拟南芥植株与对照组相比，抽薹时间得到延缓。幼苗在适宜的生长条件下，由营养生长转为生殖生长，花芽分化后，花茎迅速发育开始抽薹[26]。当水分、肥料、温度等环境条件优越时，植株的营养生长占优势，生殖生长进程就相应推迟[27]。在本试验中，H2S处理的拟南芥植株光合作用效率高于对照组，获得更多的营养物质以满足植物生长的需要，从而使拟南芥在生长过程中偏离了正常的生长周期，抽薹时间得到延缓。

植物对光的吸收能力与光合作用效率密切相关，导致净光合速率上升的原因主要有气孔因素和非气孔因素2种[28]，气孔因素包括气孔数量、气孔孔径、气孔开度等，非气孔因素包括细胞内部酶活性和光合组分等。气孔是植物叶片与外界进行气体交换的主要通道。通过气孔扩散的气体有O2，CO2。外源H2S处理可通过提高气孔开度增强水稻的光合作用[29]。H2S供体NaHS能增加菠菜（Spinaciaoleracea）叶片叶绿素含量、可溶性蛋白和生物量，并能改变叶绿体超微结构和提高光合速率[30]。本试验中，H2S处理后植株的净光合作用速率、蒸腾速率及叶片气孔导度得到提高。本试验中净光合速率和蒸腾速率的提高表明H2S处理可增强光合速率与蒸腾速率，使得植株合理分配光合产物。在测量过程中发现，H2S处理后拟南芥植株胞间CO2浓度并不总低于对照组，推测叶肉细胞光合性能提高使胞间CO2浓度降低过程中受到外界CO2浓度的影响。

叶绿体是植物细胞特有的细胞器，光合作用主要发生在叶片的叶绿体中，其中，光能的吸收和转换主要由叶绿素分子完成。持续的常温弱光会使黄瓜的叶绿素含量降低，生长放缓[31]。本试验结果表明，经过H2S处理的植株其叶绿素含量得到了提高。推测H2S可通过提高叶绿素含量促进光合效率的提高，为拟南芥的生长提供充足的营养。

H2S处理后的拟南芥植株光合基因Rubicso，RCA，LHCB3，LHCB2和GPD的表达量升高，表明其光合性能的提高是由于光合作用相关基因表达量增多而引起的。

综上所述，通过外源施加生理浓度的H2S可提高光合基因Rubicso，RCA，LHCB3，LHCB2和GPD的表达量，进而提高拟南芥植株中叶绿素的含量，提高净光合作用速率、蒸腾速率、叶片气孔导度等光合指标，延长营养生长的时间，推迟其抽薹。

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Hydrogen Sulfide as a Signal Molecules Influence the Growth and Development inArabidopsis thaliana

YUE Bin，PEI Yanxi，LIUDanmei，LIUZhiqiang
（College ofLife Science，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

Hydrogen sulfide（H2S）is regarded as the third gasotransmitter after nitric oxide and carbon monoxide.A large number of studies have been reported that H2S can regulate the processes in plants responding to stresses.However,the effects of H2S on plant development need to be further studied.In this study,the seedlings of Arabidopsis were treated with physiological concentrations of H2S which were reported previously and we found that H2S could prolong the time of bolting in Arabidopsis.Leaf chlorophyll content,net photosynthetic rate（Pn）,transpiration rate（T）and stomatal conductance（G）were improved with exogenous H2S treatments.Intercellular space CO2concentration（C）was decreased with the same treatments.The related-gene expressions ofphotosynthesis such as Rubicso，RCA,LHCB3,LHCB2 and GPD were up-regulated treated with exogenous H2S.In conclusion,treatments with physiological concentrations ofexogenous H2Scould enhance the photosynthetic abilities and decrease the boltingtime in Arabidopsis.

hydrogen sulfide;Arabidopsis thaliana;photosynthesis

Q945

A

1002-2481（2017）02-0178-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.02.07

2016-09-13

国家自然科学青年基金项目（31300236，31501772）；山西省自然科学青年基金项目（2014021026-1）

岳斌（1992-），男，山西运城人，在读硕士，研究方向：植物生理。刘志强为通信作者。