硫化氢和脱落酸在植物响应逆境胁迫中的交互作用

王加琪，向汝华，李忠光

(云南师范大学 生命科学学院 生物能源持续开发利用教育部工程研究中心云南省生物质能与环境生物技术重点实验室, 昆明 650500)

硫化氢(Hydrogen sulfide,H2S)是一种具有臭鸡蛋气味的无色气体，能抑制细胞色素氧化酶的活性，故长期以来被认为是一种毒害剂[1]。自发现植物体内可合成H2S以来，其调控的生理过程也逐渐被揭示，H2S被认为是一种新型信号分子[2]。H2S不仅调控种子萌发、不定根形成、光合作用等过程[2]，也调控植物对低温、干旱、渗透胁迫等逆境的响应[3]。植物体内H2S的合成主要包括L-/D-半胱氨酸脱巯基酶(L-/D-cysteine desulfhydrase, L-/D-CD)途径、亚硫酸还原酶(Sulfite reductase, SiR)途径、氰丙酸合成酶(Cyanoalanine synthetase, CAS)途径等[4-5]。

脱落酸(Abscisic acid,ABA)是一种胁迫激素，在植物响应干旱、高温、低温、盐渍和水涝等逆境胁迫中起重要作用[6]。在植物响应这些胁迫时，ABA合成的关键酶玉米黄质环氧化酶(Zeaxathin epoxidase,ZEP)、9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶(9-Cis-epoxycarotenoid dioxygenase,NCED)和ABA 醛氧化酶(ABA aldehyde oxidase,AAO)等的基因表达被上调，活化对应的酶，迅速增加内源ABA水平，继而触发ABA依赖和非ABA依赖的信号转导途径，最终提高植物的抗逆性[7]。

此外，ABA处理可触发蚕豆叶片H2S信号[3]，这暗示H2S和ABA在气孔运动等生理过程中的交互作用。但是，目前鲜有关于H2S和ABA在逆境胁迫中交互作用机理的综述。本文基于研究进展分析H2S和ABA在植物体内的代谢，着重讨论二者在植物响应干旱、高温、低温、渗透胁迫等逆境胁迫，以及在调控种子萌发、根系生长和气孔运动中的交互作用，并提出该领域的研究方向。

1 H2S在植物体内的代谢机制

高浓度的H2S会毒害细胞，故其在细胞内的水平必须保持稳态。通常植物细胞中H2S的稳态受合成和分解调节。植物中，H2S代谢酶包括L-/D-CD、SiR、CAS、O-乙酰丝氨酸硫醇裂解酶[O-acetylserine(thiol)lyase,OAS-TL]、碳酸酐酶(Carbonic anhydrase,CA)等[1-3]。

除酶促合成途径外，植物中H2S的稳态也受非酶促合成途径调控。在葡萄糖(Glucose,Glu)的糖酵解途径(Embden-Meyerhof pathway,EMP)和磷酸戊糖途径(Pentose phosphate pathway,PPP)中，产生的NADH和NADPH可还原氧化型谷胱甘肽(Oxidized glutathione,GSSG)为还原型谷胱甘肽(Reduced glutathione,GSH)，GSH可进一步转化为H2S[8]。此外，葡萄糖分别在甲硫氨酸(Methionine,Met)、半胱氨酸(Cysteine,Cys)、同型半胱氨酸(Homocysteine,Hcys)的作用下，也可转变为H2S[9]。再者，含硫化合物硫氧还蛋白(Thioredoxin,TRX)、硫代硫酸盐(Thiosulfate,TS)和硫代胱氨酸(Thiocysteine,TC)，分别在NADPH和GSH的作用下，也可产生H2S(图1)[10]。

图1 植物中硫化氢(H2S)的非酶促合成途径

2 ABA在植物体内的代谢机制

ABA是一种倍半萜，其合成中异戊烯焦磷酸(Isopentenyl diphosphate,IPP)与二甲基烯丙基二磷酸(Dimethylallyl diphosphate,DMAPP)结合，形成牻牛儿牻牛儿焦磷酸(Geranylgeranyl diphosphate,GGPP)，GGPP在茄红素合酶(Phytoene synthase,PS)的作用下合成茄红素(Phytoene,PTE)；PTE通过脱饱和、异构化和环化步骤，合成类胡萝卜素(Carotenoid,CAR)，继而在β-CAR羟化酶(β-CAR hydroxylase,BCH)的作用下合成玉米黄质(Zeaxathin,ZXT)；ZXT在ZEP催化下形成黄质(Violaxanthin,VLX)，VLX在黄质脱环氧酶(VLX de-epoxidase,VDE)的作用下又可转变为ZXT[6]。VLX可转变为9′-顺-新黄素(9′-Cis-neoxanthin,CNX)和9-顺式-黄质(9-Cis-violaxanthin,CVX)，二者在NCED催化下转变为黄氧素(Xanthoxin,XTX)[7]。至此，XTX从质体运输到细胞质，在短链脱氢酶/还原酶(Short-chain dehydrogenase/reductase,SDR)催化下进一步形成脱落醛(Abscisic aldehyde,ABAal)，最终在AAO作用下合成ABA(图2)[6]。

图2 植物中脱落酸(ABA)的代谢

ABA的分解包括氧化和钝化。ABA的氧化分解是指ABA在膜结合的细胞色素P450单加氧酶(Cytochrome P450 monooxygenase, CYP707A)的作用下转变为红花菜豆酸(Phaseic acid, PA)，PA在PA还原酶(PA reductase, PAR)催化下合成二氢红花菜豆酸(Dihydrophaseic acid, DHPA)[6]。此外，ABA的钝化是指ABA在ABA葡糖基转移酶(Glycosyl transferase, GT)的作用下转变为葡萄糖酯(Glucosyl ester, ABA-GE)的过程[7]。反过来，ABA-GE可在β-葡糖苷酶(β-Glucosaccharase, BG)的作用下再形成ABA(图2)[7]。一般认为，PS、NCED、AAO和CYP707A是ABA代谢的关键酶[6]。

3 H2S与ABA的交互作用

植物中，H2S和ABA不仅能独立作用，也能通过交互作用调控诸多生理过程。外源提供或内源合成的H2S和ABA可通过交互作用引发其他信号(如Ca2+、NO等)，激活转录因子(如WRKY、HY1、ABF等)、代谢酶(如LCD、DES、NCED、AAO等)和受体(如PYL、PYR等)，继而调控植物对干旱、高温、低温、渗透胁迫的响应，以及气孔运动等生理过程。在诸多响应因子中，NCED、ABI和WRKY可响应两个以上的生理过程，如ABI可同时响应干旱、高温、气孔运动等生理过程(图3)。

图3 硫化氢和脱落酸在植物响应逆境胁迫中的交互作用

3.1 干旱胁迫

干旱胁迫是制约植物生长发育的主要胁迫因子。在拟南芥中，半胱氨酸脱巯基酶(Desulfhydrase,DES)产生的H2S可对蔗糖非发酵相关蛋白激酶2.6(Sucrose non-fermenting related protein kinase,SnRK2.6)/开放气孔1(Open stomata 1,OST1)进行过硫化(persulfidation)的翻译后修饰，促进二者磷酸化，激活ABA下游响应基因的表达[11-12]。这说明H2S在干旱胁迫响应中可激活ABA信号通路相关基因。在拟南芥野生型(Wild type,WT)、H2S合成酶缺失型突变体lcd和ABA合成缺失型突变体aba1中，干旱胁迫可提高WT幼苗LCD和ABA1表达及H2S与ABA水平，抑制突变体lcd和aba1的种子萌发；而NaHS则促进干旱胁迫下WT、lcd和aba1突变体内源H2S的积累及上调LCD和ABA1表达。此外，ABA处理可提高干旱胁迫下WT和aba1突变体内源H2S含量及LCD和ABA1表达，而对lcd内源H2S含量及LCD表达没有显著效应[13]。这说明H2S和ABA在拟南芥的干旱胁迫响应中存在交互作用，并且H2S可能位于 ABA信号的下游。

在干旱胁迫下，H2S缺失拟南芥lcd突变体中ABA受体的表达水平增加，而H2S熏蒸后被逆转[14]。在小麦幼苗中，外源H2S处理上调ABA合成关键酶(ZEP、NCED、AAO和SDR)的基因表达，提高内源ABA水平，继而引发ABA信号通路，激活超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、过氧化物酶(Peroxidase,POD)和过氧化氢酶(Catalase,CAT)的活性，最终提高小麦幼苗的抗旱性。此外，ABA处理也可提高小麦幼苗中内源H2S含量[15]。这进一步暗示H2S和ABA在干旱胁迫耐性形成中的交互作用。

3.2 高温胁迫

高温是制约植物生长、发育和产量的主要胁迫因子。高温可导致膜伤害和丙二醛(Malondialdehyde,MDA)积累，而外源ABA可缓解此伤害；ABA合成抑制剂氟啶酮预处理，加剧膜伤害和MDA的积累[16]。此外，高温可上调NCED的表达，增加ABA含量，继而调控植物热耐性。H2S可提高热胁迫下拟南芥种子的萌发，而H2S缺失突变体的萌发对高温胁迫更敏感[17]。这暗示ABA和H2S在植物响应高温胁迫中存在交互作用。

ABI5是ABA信号转导途径中的重要成分，高温可提高其转录水平，从而抑制种子的萌发；而abi5突变体的种子，则对高温表现出耐热性；H2S处理可提高ABI5转录水平，而清除内源H2S则削弱此效应[18]。这说明H2S信号可通过ABI5增强种子的耐热性。在烟草悬浮培养细胞中，ABA处理可提高LCD的活性，继而显著提高烟草悬浮细胞的内源H2S水平，最终提高细胞的耐热性，这也暗示，H2S与ABA交互作用调控烟草细胞的耐热性[19]。

3.3 低温胁迫

低温是最常见的逆境之一，低温胁迫会干扰植物的生理功能，进而抑制其生长。李丹丹等[20]报道，在黄瓜幼苗中，NaHS和ABA处理均可提高幼苗的耐冷性。ABA预处理可上调LCD和DCD表达和相应酶的活性，继而促进H2S的合成。NaHS预处理也可上调NCED表达和酶活性，从而提高ABA水平。NaHS和ABA处理均可提高SOD、POD、抗坏血酸过氧化物酶(Ascorbate peroxidase,APX)和谷胱甘肽还原酶(Glutathione reductase,GR)的基因表达和酶活性，增加抗坏血酸(Ascorbic acid,AsA)和GSH含量及AsA/脱氢抗坏血酸(Dehydroascorbate,DHA)和GSH/GSSG比例，继而减少活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的积累。NaHS引发的上述效应可被ABA合成抑制剂钨酸钠所削弱，而ABA引发的效应也可被H2S清除剂次牛磺酸(Hypotaurine,HT)所逆转[20]。这暗示H2S和ABA交互作用调控抗氧化系统活力，继而缓解低温对黄瓜幼苗的伤害。

在低温胁迫下，NaHS和ABA处理可提高拟南芥SOD、POD、APX和GR的基因表达和活性，以及增加AsA和GSH含量及AsA/DHA和GSH/GSSG比例[21]。此外，钨酸钠和HT处理可削弱H2S和ABA诱导在低温胁迫下黄瓜幼苗的抗氧化能力[22]，暗示在低温胁迫下，H2S与ABA交互作用调控植物的抗氧化能力，从而增强植物对低温胁迫的耐性。

3.4 渗透胁迫

渗透胁迫通常引起氧化胁迫，而植物可通过增强AsA-GSH循环，保护自身免受氧化损伤。在这个循环中，AsA和GSH再生，H2O2被清除。研究表明，ABA可通过与H2S、一氧化氮(Nitric oxide,NO)、过氧化氢(Hydrogen peroxide,H2O2)、钙(Ca2+)和钙调素(Calmodulin,CaM)等信号交互作用，增强植物的AsA-GSH循环，缓解植物的氧化损伤[16]。

外源ABA和渗透胁迫可诱导H2S的积累，继而调节APX、GR和脱氢抗坏血酸还原酶(Dehydroascorbate reductase,DHAR)的活性，调节小麦叶片AsA-GSH循环，增加在渗透胁迫下AsA/DHA和GSH/GSSG的比值，从而增强小麦的抗性[16]。所以，外源ABA和渗透胁迫诱导产生的H2S可调控AsA-GSH循环，从而提高小麦幼苗抗氧化能力，保护其免受渗透胁迫所诱发的氧化伤害。

3.5 气孔运动

ABA能诱导气孔关闭，H2S也能调控气孔运动[23]，暗示二者在气孔运动中的交互作用。在拟南芥中，NaHS可降低ABA合成缺陷型aba3和ABA不敏感型abi1突变体的气孔开放，而在lcd突变体中，ABA诱导的气孔关闭减弱。此外，aba3和abi1突变体中LCD表达和内源H2S的产生，均低于野生型[23]。ABA可诱导拟南芥野生型LCD表达和内源H2S水平的增加，继而下调WRKY40表达和上调WRKY60；而在lcd突变体中，H2S处理可上调WRKY18和WRKY40，下调WRKY60，最终促进气孔关闭[24]。这暗示H2S与ABA可通过调控WRKY基因家族的表达继而调控气孔的运动。同样在拟南芥保卫细胞中，ABA处理可上调DES的表达，提高保卫细胞中内源H2S水平，调控下胚轴伸长因子1(Elongated hypocotyl, HY1)反向信号，最终调控ABA诱导的气孔关闭[25]。这暗示DES/H2S在调节HY1信号通路中起着关键的作用。在拟南芥中，与野生型相比，lcd突变体气孔开度更大，对干旱胁迫的敏感性更高；NaHS处理后，abi1突变体的气孔开度显著下降，而在lcd突变体中，对ABA响应的气孔关闭受阻[23]。这暗示H2S与ABA在拟南芥响应干旱胁迫时通过交互作用调节气孔的运动。在蚕豆幼苗中，ABA促进气孔关闭，而这种关闭可被H2S合成抑制剂氨基氧乙酸(Aminooxyacetic acid,AOA)、羟氨、丙酮酸和氨所抑制。此外，ABA处理可提高LCD和DCD活性，继而提高内源H2S水平；ABA诱发的酶活性和H2S水平的提高仍可被AOA、羟氨、丙酮酸和氨所逆转[26]。这些说明H2S在ABA的下游促进蚕豆的气孔关闭。

H2S与ABA交互作用对气孔运动的调控，一方面H2S可直接抑制保卫细胞K+内流而促进Ca2+内流，另一方面ABA可引发H2S信号，继而对ABA响应蛋白进行过硫化修饰，这种修饰涉及DES、ABA受体PYL(Pyrabactin resistance-like receptor)、蛋白磷酸酶(Protein phosphatase 2C,PP2C)、SnRK、钙依赖蛋白激酶(Calcium-dependent protein kinase,CDPK)、NDAPH氧化酶等[11-12,27]。通过过硫化修饰激活相应的蛋白，级联ABA信号通路，最终导致气孔的关闭。

3.6 其他生理过程

除上述交互作用外，H2S和ABA在种子萌发、根的生长、气孔密度、细胞自噬等生理过程中也存在交互作用。在拟南芥中，超表达LCD可积累H2S，抑制种子的萌发和根的生长，但气孔密度则增加[20]。进一步试验表明，这些效应通过上调ABA响应基因如PYR、ABI、SNRK、PP2C和ABF表达来实现[21]。如下胚轴伸长因子HY5可与ABI5的启动子结合，继而启动该基因的表达和ABA信号途径，拮抗种子的萌发。此外，WRKY18、WRKY40和WRKY60是参与ABA信号应答的主要转录因子。在根系生长中，ABA处理可增加拟南芥野生型LCD表达和内源H2S水平，而外源H2S处理则下调WRKY40表达，上调WRKY60；在突变体lcd中，外源H2S处理上调WRKY18和WRKY40表达，下调WRKY60[24]。这些结果暗示H2S与ABA可通过调控WRKY基因家族的表达，继而调控根系的生长。蛋白组分析研究表明，在拟南芥中，ABA处理可促进半胱氨酸蛋白酶ATG的过硫化，继而调控细胞自噬过程。此外，H2S诱导的ATG4的过硫化，可直接促进ATG8的翻译后修饰，从而负调控细胞自噬过程[28]。

4 小结与展望

H2S作为一种新型植物信号分子，不仅可独立发挥作用，也可与ABA交互作用，在植物响应干旱、高温、低温和渗透胁迫以及调控气孔运动、种子萌发、根系生长等生理过程中发挥作用。此外，H2S也可与其他植物激素如生长素、赤霉素、细胞分裂素、乙烯、油菜素内酯、独角金内酯等，以及信号分子如Ca2+、NO、ROS信号等交互作用[29-30]，形成调控植物生长、发育和响应逆境胁迫的信号网络，继而调控整个植物生活史。但是，H2S与ABA交互作用调控耐旱性、耐热性、耐冷性、渗透胁迫耐性以及植物生长发育的分子机理仍未完全清楚，需要进一步阐明。此外，信号网络的新成员有待进一步发现。随着组学(Omics)的发展，由信号分子触发的植物信号网络中交互作用的所有蛋白质构成的信号组(signalome)需要进一步解析。