ROS信号对植物抗性的调控作用研究进展

覃 磊，郭 磊，张小波，郭 滢，杨程惠子，夏石头*

(1.植物激素与生长发育湖南省重点实验室，南方粮油作物协同创新中心，湖南 长沙410128；2.湖南农业大学生物科学技术学院, 湖南 长沙410128)

1 ROS的产生的部位及其时空特异性

在受胁迫或正常情况下，植物细胞中的叶绿体、线粒体、内质网、过氧化氢酶体、质膜和质外体等部位都会产生有ROS。在正常的植物体内，ROS在Ca2+的诱导下产生[6]。质外体中H2O2又能通过一种未知的膜蛋白使得胞质内的Ca2+浓度升高，而ACAs(auto-inhibited Ca2+ATPase)、CAX(Ca2+/H+ exchanger antiporter)会将胞质内Ca2+转运到质外体，以保持细胞质中低生理浓度的Ca2+[7]。在线粒体中经过呼吸链和酶促反应产生的H2O2会被转移到过氧化物酶体中，而后转运到胞质和细胞核中；叶绿体产生的H2O2也会进入到胞质和细胞核中[8,9]。此外，在植物免疫引起的超敏反应(hypersensitive response，HR)，臭氧胁迫等情况下，会诱导过氧化物酶体产生大量的ROS[10,11]。

ROS在植物中起着双重作用，既是生长、发育和防御途径的关键调节因子，又是需氧代谢的有毒副产物[12]。ROS参与许多植物的氧化还原过程，是一个复杂的、有时冗余但同时高度协调和灵活的氧化还原信号网络[13,14]。重要的是，ROS形成一个局部氧化环境，促进其他途径的信号传导，如钙动员、巯基二硫键交换、蛋白质相互作用和转录因子结合[15]。细胞外ROS，如扩散的H2O2，既能迅速将胞内信号传输到细胞核，也能放大从叶绿体和线粒体到细胞核的信号[16]。

2 ROS信号胞间传导与长距离通讯

ROS与植物应对生物或者非生物因素胁迫的信号产生和调节有着密切的作用[17]，植物的ROS与Ca2+波是植物快速反应信号体系的重要组成部分[18-20]，除RBOH(respiratory burst oxidase homologue，RBOH)外，ROS也是系统信号传递的中介，如在黄嘌呤脱氢酶的作用中扮演着这样一个角色[21]。另外，ROS在NO和脱落酸(abscisic acid，ABA)所介导的病原菌和非生物胁迫引起的应答反应中也起到了重要的作用[22,23]，且单线氧可能是整个ROS信号途径的一个诱发剂[20]。在最近的研究中表明，在水稻中通过CRISPR/Cas9技术敲除RBOHH可以减少水稻根系ROS的积累从而诱导乙烯对水稻根系通气组织的形成[24]。乙烯在植物免疫上的作用也与ROS有着千丝万缕的联系，通过对水稻稻瘟病机理的研究发现：乙烯在抗病信号中可能是通过对ROS产生的调控从而起到调节作用的[25]。并且在拟南芥中研究发现声波可以引发细胞内Ca2+快速积累，从而进一步也引发ROS的产生[26]。ROS系统性的信号机制以及它能增强植物应对生物和非生物胁迫的潜在抗性越来越被人们所重视。

Gilroy和Morris 小组采用实验与数学建模相结合，通过在野生型和TPC1(two pore channel 1)过表达植株上的Ca2+成像试验和电生理学试验建立了一个在盐胁迫下与ROS相关的Ca2+信号波模型[17]。Evans等人在2016年首次提出，ROS的产生是由一个Ca2+依赖型RBOH介导的，这就要求激活TPC1引起液泡释放Ca2+，因为ROS在细胞壁中的扩散速度比细胞质中Ca2+的扩散速度要快，Evans等人提出ROS通过激活相邻细胞质膜上的具有ROS敏感性的Ca2+通道，从而将液泡与细胞间隙桥连架通，并构建了这个Ca2+源的数学模型，很好的解释了所观察到的Ca2+快速波[19]。首先，一个新的通路将ROS在根部区域的扩散波直接映像在Ca2+波传递中；其次，在ROS的积累严重的影响了Ca2+传递波的振幅和传送速率；最重要的是，RBOHD基因敲除强烈的抑制了Ca2+传递波，进一步证明RBOHD产生ROS，从而促进了Ca2+波从一个细胞传递到另一个细胞，且仅在需要降低细胞浆中Ca2+浓度时，才抑制TPC1从而防止了大量液泡贮藏Ca2+转运到细胞浆中[27,28]。

3 ROS对植物抗性的调控

3.1 ROS对SAR的调控

现在已经证实活性氧是植物亚细胞和细胞间通讯的必要组成部分，它们的一些信号功能需要ROS代谢系统[29]。近年来，研究者们广泛研究了植物系统获得性抗性(systematic acquired resistance，SAR)途径中响应ROS的不同信号通路之间的联系[30,31]，特别是韧皮部移动信号并鉴定了几种生物活性分子，包括水杨酸甲酯、一种3-磷酸甘油(glyceraldehyde 3-phosphate，G3P)衍生物，一种脂质转移蛋白(lipid-transfer protein1，DIR1)、壬二酸(azelaic acid，AZA)、脱氢松香醛、茉莉酸(jasmonic acid，JA)和哌啶酸等[32-34]。当局部组织施用水杨酸甲酯、G3P、AZA或脱氢松香醛时，会激活SAR途径[35]，并且在整个信号路径中快速积累JA[36]。最近的研究表明，这些分子的合成可能是活性氧来调节的。因此在拟南芥缺陷型突变体rbohd或rbohf中可以观察到较低浓度AZA和G3P，但外施G3P可诱导SAR途径发生[37]。这些结果表明，在SAR途径中ROS也是被激活的。ROS也在气孔的免疫中发挥功能。在病原相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMP)介导的反应中，flg22(flagellin 22)和elf18(18-amino-acid peptide from elongation factor Tu)响应细菌鞭毛蛋白和延伸因子Tu(EF Tu)引起免疫反应。但在保卫细胞中表达的RBOHD基因敲除突变体atrbohd的气孔对flg22和elf18没有响应，而atrbohf对它们的反应和野生型相似[37,38]。

3.2 ROS与NO互作对SAR的调控

而关于ROS信号途径与NO相互依赖的研究更加明确揭示了SAR途径中ROS波的产生。在一种NO缺陷型的noa1/nia1双突体中，SAR免疫途径完全缺乏且ROS积累水平极低；外施H2O2重新激活了免疫反应[39]。也有研究表明，在应对病原体入侵的过程中，RBOHD能够被一种NO依赖产生的寡聚半乳糖醛酸所正向调节[40]。虽然这些发现暗示，ROS可能在SAR通路中处于NO的下游，但在RBOHD和RBOHF缺乏型突变体在受到病原体攻击时并不能积累NO[37,41]，表明ROS和NO可能具有反馈调节作用。而NO能与谷胱甘肽通过S-亚硝基反应形成S-亚硝基谷胱甘肽(GSNO)[42,43]，可能在SAR途径中的ROS与NO的互作中起到一个NO库的作用。这样ROS，NO和GSNO一起起到了一个主开关的作用以调节各种途径，包括SAR途径中和气孔响应途径[23,37,42]。AtRBOHF的缺失导致了ABA诱发的气孔关闭产生的部分损害。在atrbohdatrbohf双突变体中，气孔关闭进一步减少，ROS的产生被废除，而外源性ROS支援了气孔的反应。ROS在CO2诱导的气孔调节中的作用最近才被发现，在atrbohdatrbohf双突变体中CO2诱导的气孔关闭不复存在[44]。

3.3 ROS与Ca2+波互作对SAR的调控

在SAR途径中的ROS波和Ca2+波可能是通过一些物质如TPC1、Ca2+调节激酶(CPK，Calcium-dependent protein kinases/CBL-CIPKs，cal-cineurin B-like proteins，CBL；CBL interacting protein kinases，CIPK)及RBOHD相互联系并相互调节[45,46]，最近发现的GLRs(glutamate receptor-like gene)则可能是系统电信号的一个介质[47-49]。并且，没有RBOHD的突变体中[16]，其电信号也会变弱，这可能是ROS信号和电信号的一个重要连接点(可能是由GLRs和RBOHD介导的)。GLRs可能受ROS-NO-RBOH的相互作用调节从而进一步调节Ca2+信号或者电信号。近年来的研究表明，在植物维管束鞘细胞中Ca2+通道、叶绿体ROS、光合电子传输和非光化学猝灭(NPQ)在远程电信号中起着重要的作用[50]，在ROS、APX(ascorbate peroxidase)、NPQ表达中，电信号也被发现出波状的系统变化，而类似NPQ波动的变化也会引起ROS和APX基因表达的波动差异[51，52]。

3.4 ROS、NO与Ca2+波互作对SAR的调控

通过不同波之间的相互作用我们可以得到出一个通用模型(图1)。如图1所示，局部刺激可直接影响Ca2+通量，或通过机械传感器转换成Ca2+波。Ca2+波通过与RBOH蛋白直接结合激活ROS波产生，或通过Ca2+衍生的CDPK / CBL-CIPK信号系统的RBOH磷酸化引发ROS的生成，这反过来将进一步激活或抑制Ca2+通道如TPC1和/或细胞膜通道。ROS波可与ROS诱导激活的GLRs或其他离子通道结合，从而降低膜电位，并调节电信号如通过Ca2+信号来进一步激活RBOHs。Ca2+波还可通过GLRs和TPC1在钙诱导的钙释放过程中与电波结合。因此，这3种波可以相互放大和调节，并将系统信号传递到全身组织。应该强调的是，这里描述的不同波涉及到细胞间激活状态的传递，而不一定是从一个细胞传输到另一个细胞的一种特殊的系统化合物。ROS波受胞间传输的RBOH激活状态的调节(如通过GLRs或TPC1调节)，电信号同样是通过离子传输激活态的传递而介导产生的。

图1 在SAR中不同波信号调节快速系统信号的相互作用[51]Fig.1 Integration of the different waves that mediate rapid systemic signaling during SAR[51]

如图1所述，这些过程中的每一个步骤都可能涉及到一个复杂的细胞调节器的相互作用，它们对彼此的状态进行微调。在信号通路上的每一个细胞，都由一组特定的蛋白质/酶响应信号并传递到它前面的细胞，并产生一个信号传递到该细胞中。发射的信号不一定总是相同的，触发波系统的一个元件可以反馈或启动其他信号。当然，一旦沿着通路中的不同细胞内建立一个新的激活状态，每个细胞都可以合成一种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谢程序，使它们更能抵抗环境胁迫(比如丝氨酸和甘氨酸的积累)[18]。因此，这种自动传播的波信号更像是一条相互碰撞的多米诺骨牌，直到“坍塌”状态(而不是一个特定的化合物，从细胞转移到细胞，直到达到系统性组织)到达全身组织。不同的信号与时间和强度的结合有可能传达信号的特殊性，或者是另外一个未知的化合物或信号引起系统组织的应激反应[18,53]。

4 结语与展望

ROS 是植物正常生长发育过程中重要的信号分子,参与植物和细胞内的分子、生化和生理反应，在植物的防卫反应和细胞程序性死亡过程中发挥积极重要作用。在ROS信号网络中，越来越多的证据表明，ROS作为信号分子除了介导植物对环境胁迫的响应外，对植物的正常生长发育很多方面也都起着重要作用，如花粉管顶尖的生长、叶片和花瓣中与衰老相关基因的调节等。ROS对各种环境刺激响应的复杂性至少可部分归因于RBOH在不同环境条件下(组织类型和发育阶段)产生ROS的不同机制及其调节机制。植物已进化出不同的机制以调控ROS产生时间和激活部位以及与其他信号之间的时空协调。在植物中协调这些复杂的空间和时间响应的一个关键机制是细胞-细胞间通信事件的级联关系，这导致在植物的不同组织中迅速传播的ROS波的形成，并从而促发其他关联波的产生。这些研究揭示了快速系统信号对植物中SAR和SAA的意义。然而，如何将ROS波与不同的特异性信号偶联在一起，这是一个亟待的问题。另外对于ROS时空特异性的产生，有必要采取跨学科的方式获得灵敏度更高的指示剂，并通过其体内成像的方式进一步揭示ROS信号系统的规律。而与不同类型的植物激素发生关联的ROS，会引发植物体内生理生化和基因表达的各种变化以产生相应性状和获得适应性。但是，这些过程中ROS与其它信号分子如NO、Ca2+和激素等互动而建立的调控网络、各自的具体角色以及ROS与植物激素信号相互作用的生理和进化意义等还有待进一步深入研究。