ROS信號對植物抗性的調(diào)控作用研究進展

覃 磊，郭 磊，張小波，郭 瀅，楊程惠子，夏石頭*

(1.植物激素與生長發(fā)育湖南省重點實驗室，南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學生物科學技術學院, 湖南 長沙410128)

1 ROS的產(chǎn)生的部位及其時空特異性

在受脅迫或正常情況下，植物細胞中的葉綠體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、過氧化氫酶體、質(zhì)膜和質(zhì)外體等部位都會產(chǎn)生有ROS。在正常的植物體內(nèi)，ROS在Ca2+的誘導下產(chǎn)生[6]。質(zhì)外體中H2O2又能通過一種未知的膜蛋白使得胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+濃度升高，而ACAs(auto-inhibited Ca2+ATPase)、CAX(Ca2+/H+ exchanger antiporter)會將胞質(zhì)內(nèi)Ca2+轉(zhuǎn)運到質(zhì)外體，以保持細胞質(zhì)中低生理濃度的Ca2+[7]。在線粒體中經(jīng)過呼吸鏈和酶促反應產(chǎn)生的H2O2會被轉(zhuǎn)移到過氧化物酶體中，而后轉(zhuǎn)運到胞質(zhì)和細胞核中；葉綠體產(chǎn)生的H2O2也會進入到胞質(zhì)和細胞核中[8,9]。此外，在植物免疫引起的超敏反應(hypersensitive response，HR)，臭氧脅迫等情況下，會誘導過氧化物酶體產(chǎn)生大量的ROS[10,11]。

ROS在植物中起著雙重作用，既是生長、發(fā)育和防御途徑的關鍵調(diào)節(jié)因子，又是需氧代謝的有毒副產(chǎn)物[12]。ROS參與許多植物的氧化還原過程，是一個復雜的、有時冗余但同時高度協(xié)調(diào)和靈活的氧化還原信號網(wǎng)絡[13,14]。重要的是，ROS形成一個局部氧化環(huán)境，促進其他途徑的信號傳導，如鈣動員、巰基二硫鍵交換、蛋白質(zhì)相互作用和轉(zhuǎn)錄因子結合[15]。細胞外ROS，如擴散的H2O2，既能迅速將胞內(nèi)信號傳輸?shù)郊毎?，也能放大從葉綠體和線粒體到細胞核的信號[16]。

2 ROS信號胞間傳導與長距離通訊

ROS與植物應對生物或者非生物因素脅迫的信號產(chǎn)生和調(diào)節(jié)有著密切的作用[17]，植物的ROS與Ca2+波是植物快速反應信號體系的重要組成部分[18-20]，除RBOH(respiratory burst oxidase homologue，RBOH)外，ROS也是系統(tǒng)信號傳遞的中介，如在黃嘌呤脫氫酶的作用中扮演著這樣一個角色[21]。另外，ROS在NO和脫落酸(abscisic acid，ABA)所介導的病原菌和非生物脅迫引起的應答反應中也起到了重要的作用[22,23]，且單線氧可能是整個ROS信號途徑的一個誘發(fā)劑[20]。在最近的研究中表明，在水稻中通過CRISPR/Cas9技術敲除RBOHH可以減少水稻根系ROS的積累從而誘導乙烯對水稻根系通氣組織的形成[24]。乙烯在植物免疫上的作用也與ROS有著千絲萬縷的聯(lián)系，通過對水稻稻瘟病機理的研究發(fā)現(xiàn)：乙烯在抗病信號中可能是通過對ROS產(chǎn)生的調(diào)控從而起到調(diào)節(jié)作用的[25]。并且在擬南芥中研究發(fā)現(xiàn)聲波可以引發(fā)細胞內(nèi)Ca2+快速積累，從而進一步也引發(fā)ROS的產(chǎn)生[26]。ROS系統(tǒng)性的信號機制以及它能增強植物應對生物和非生物脅迫的潛在抗性越來越被人們所重視。

Gilroy和Morris 小組采用實驗與數(shù)學建模相結合，通過在野生型和TPC1(two pore channel 1)過表達植株上的Ca2+成像試驗和電生理學試驗建立了一個在鹽脅迫下與ROS相關的Ca2+信號波模型[17]。Evans等人在2016年首次提出，ROS的產(chǎn)生是由一個Ca2+依賴型RBOH介導的，這就要求激活TPC1引起液泡釋放Ca2+，因為ROS在細胞壁中的擴散速度比細胞質(zhì)中Ca2+的擴散速度要快，Evans等人提出ROS通過激活相鄰細胞質(zhì)膜上的具有ROS敏感性的Ca2+通道，從而將液泡與細胞間隙橋連架通，并構建了這個Ca2+源的數(shù)學模型，很好的解釋了所觀察到的Ca2+快速波[19]。首先，一個新的通路將ROS在根部區(qū)域的擴散波直接映像在Ca2+波傳遞中；其次，在ROS的積累嚴重的影響了Ca2+傳遞波的振幅和傳送速率；最重要的是，RBOHD基因敲除強烈的抑制了Ca2+傳遞波，進一步證明RBOHD產(chǎn)生ROS，從而促進了Ca2+波從一個細胞傳遞到另一個細胞，且僅在需要降低細胞漿中Ca2+濃度時，才抑制TPC1從而防止了大量液泡貯藏Ca2+轉(zhuǎn)運到細胞漿中[27,28]。

3 ROS對植物抗性的調(diào)控

3.1 ROS對SAR的調(diào)控

現(xiàn)在已經(jīng)證實活性氧是植物亞細胞和細胞間通訊的必要組成部分，它們的一些信號功能需要ROS代謝系統(tǒng)[29]。近年來，研究者們廣泛研究了植物系統(tǒng)獲得性抗性(systematic acquired resistance，SAR)途徑中響應ROS的不同信號通路之間的聯(lián)系[30,31]，特別是韌皮部移動信號并鑒定了幾種生物活性分子，包括水楊酸甲酯、一種3-磷酸甘油(glyceraldehyde 3-phosphate，G3P)衍生物，一種脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白(lipid-transfer protein1，DIR1)、壬二酸(azelaic acid，AZA)、脫氫松香醛、茉莉酸(jasmonic acid，JA)和哌啶酸等[32-34]。當局部組織施用水楊酸甲酯、G3P、AZA或脫氫松香醛時，會激活SAR途徑[35]，并且在整個信號路徑中快速積累JA[36]。最近的研究表明，這些分子的合成可能是活性氧來調(diào)節(jié)的。因此在擬南芥缺陷型突變體rbohd或rbohf中可以觀察到較低濃度AZA和G3P，但外施G3P可誘導SAR途徑發(fā)生[37]。這些結果表明，在SAR途徑中ROS也是被激活的。ROS也在氣孔的免疫中發(fā)揮功能。在病原相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMP)介導的反應中，flg22(flagellin 22)和elf18(18-amino-acid peptide from elongation factor Tu)響應細菌鞭毛蛋白和延伸因子Tu(EF Tu)引起免疫反應。但在保衛(wèi)細胞中表達的RBOHD基因敲除突變體atrbohd的氣孔對flg22和elf18沒有響應，而atrbohf對它們的反應和野生型相似[37,38]。

3.2 ROS與NO互作對SAR的調(diào)控

而關于ROS信號途徑與NO相互依賴的研究更加明確揭示了SAR途徑中ROS波的產(chǎn)生。在一種NO缺陷型的noa1/nia1雙突體中，SAR免疫途徑完全缺乏且ROS積累水平極低；外施H2O2重新激活了免疫反應[39]。也有研究表明，在應對病原體入侵的過程中，RBOHD能夠被一種NO依賴產(chǎn)生的寡聚半乳糖醛酸所正向調(diào)節(jié)[40]。雖然這些發(fā)現(xiàn)暗示，ROS可能在SAR通路中處于NO的下游，但在RBOHD和RBOHF缺乏型突變體在受到病原體攻擊時并不能積累NO[37,41]，表明ROS和NO可能具有反饋調(diào)節(jié)作用。而NO能與谷胱甘肽通過S-亞硝基反應形成S-亞硝基谷胱甘肽(GSNO)[42,43]，可能在SAR途徑中的ROS與NO的互作中起到一個NO庫的作用。這樣ROS，NO和GSNO一起起到了一個主開關的作用以調(diào)節(jié)各種途徑，包括SAR途徑中和氣孔響應途徑[23,37,42]。AtRBOHF的缺失導致了ABA誘發(fā)的氣孔關閉產(chǎn)生的部分損害。在atrbohdatrbohf雙突變體中，氣孔關閉進一步減少，ROS的產(chǎn)生被廢除，而外源性ROS支援了氣孔的反應。ROS在CO2誘導的氣孔調(diào)節(jié)中的作用最近才被發(fā)現(xiàn)，在atrbohdatrbohf雙突變體中CO2誘導的氣孔關閉不復存在[44]。

3.3 ROS與Ca2+波互作對SAR的調(diào)控

在SAR途徑中的ROS波和Ca2+波可能是通過一些物質(zhì)如TPC1、Ca2+調(diào)節(jié)激酶(CPK，Calcium-dependent protein kinases/CBL-CIPKs，cal-cineurin B-like proteins，CBL；CBL interacting protein kinases，CIPK)及RBOHD相互聯(lián)系并相互調(diào)節(jié)[45,46]，最近發(fā)現(xiàn)的GLRs(glutamate receptor-like gene)則可能是系統(tǒng)電信號的一個介質(zhì)[47-49]。并且，沒有RBOHD的突變體中[16]，其電信號也會變?nèi)?，這可能是ROS信號和電信號的一個重要連接點(可能是由GLRs和RBOHD介導的)。GLRs可能受ROS-NO-RBOH的相互作用調(diào)節(jié)從而進一步調(diào)節(jié)Ca2+信號或者電信號。近年來的研究表明，在植物維管束鞘細胞中Ca2+通道、葉綠體ROS、光合電子傳輸和非光化學猝滅(NPQ)在遠程電信號中起著重要的作用[50]，在ROS、APX(ascorbate peroxidase)、NPQ表達中，電信號也被發(fā)現(xiàn)出波狀的系統(tǒng)變化，而類似NPQ波動的變化也會引起ROS和APX基因表達的波動差異[51，52]。

3.4 ROS、NO與Ca2+波互作對SAR的調(diào)控

通過不同波之間的相互作用我們可以得到出一個通用模型(圖1)。如圖1所示，局部刺激可直接影響Ca2+通量，或通過機械傳感器轉(zhuǎn)換成Ca2+波。Ca2+波通過與RBOH蛋白直接結合激活ROS波產(chǎn)生，或通過Ca2+衍生的CDPK / CBL-CIPK信號系統(tǒng)的RBOH磷酸化引發(fā)ROS的生成，這反過來將進一步激活或抑制Ca2+通道如TPC1和/或細胞膜通道。ROS波可與ROS誘導激活的GLRs或其他離子通道結合，從而降低膜電位，并調(diào)節(jié)電信號如通過Ca2+信號來進一步激活RBOHs。Ca2+波還可通過GLRs和TPC1在鈣誘導的鈣釋放過程中與電波結合。因此，這3種波可以相互放大和調(diào)節(jié)，并將系統(tǒng)信號傳遞到全身組織。應該強調(diào)的是，這里描述的不同波涉及到細胞間激活狀態(tài)的傳遞，而不一定是從一個細胞傳輸?shù)搅硪粋€細胞的一種特殊的系統(tǒng)化合物。ROS波受胞間傳輸?shù)腞BOH激活狀態(tài)的調(diào)節(jié)(如通過GLRs或TPC1調(diào)節(jié))，電信號同樣是通過離子傳輸激活態(tài)的傳遞而介導產(chǎn)生的。

圖1 在SAR中不同波信號調(diào)節(jié)快速系統(tǒng)信號的相互作用[51]Fig.1 Integration of the different waves that mediate rapid systemic signaling during SAR[51]

如圖1所述，這些過程中的每一個步驟都可能涉及到一個復雜的細胞調(diào)節(jié)器的相互作用，它們對彼此的狀態(tài)進行微調(diào)。在信號通路上的每一個細胞，都由一組特定的蛋白質(zhì)/酶響應信號并傳遞到它前面的細胞，并產(chǎn)生一個信號傳遞到該細胞中。發(fā)射的信號不一定總是相同的，觸發(fā)波系統(tǒng)的一個元件可以反饋或啟動其他信號。當然，一旦沿著通路中的不同細胞內(nèi)建立一個新的激活狀態(tài)，每個細胞都可以合成一種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謝程序，使它們更能抵抗環(huán)境脅迫(比如絲氨酸和甘氨酸的積累)[18]。因此，這種自動傳播的波信號更像是一條相互碰撞的多米諾骨牌，直到“坍塌”狀態(tài)(而不是一個特定的化合物，從細胞轉(zhuǎn)移到細胞，直到達到系統(tǒng)性組織)到達全身組織。不同的信號與時間和強度的結合有可能傳達信號的特殊性，或者是另外一個未知的化合物或信號引起系統(tǒng)組織的應激反應[18,53]。

4 結語與展望

ROS 是植物正常生長發(fā)育過程中重要的信號分子,參與植物和細胞內(nèi)的分子、生化和生理反應，在植物的防衛(wèi)反應和細胞程序性死亡過程中發(fā)揮積極重要作用。在ROS信號網(wǎng)絡中，越來越多的證據(jù)表明，ROS作為信號分子除了介導植物對環(huán)境脅迫的響應外，對植物的正常生長發(fā)育很多方面也都起著重要作用，如花粉管頂尖的生長、葉片和花瓣中與衰老相關基因的調(diào)節(jié)等。ROS對各種環(huán)境刺激響應的復雜性至少可部分歸因于RBOH在不同環(huán)境條件下(組織類型和發(fā)育階段)產(chǎn)生ROS的不同機制及其調(diào)節(jié)機制。植物已進化出不同的機制以調(diào)控ROS產(chǎn)生時間和激活部位以及與其他信號之間的時空協(xié)調(diào)。在植物中協(xié)調(diào)這些復雜的空間和時間響應的一個關鍵機制是細胞-細胞間通信事件的級聯(lián)關系，這導致在植物的不同組織中迅速傳播的ROS波的形成，并從而促發(fā)其他關聯(lián)波的產(chǎn)生。這些研究揭示了快速系統(tǒng)信號對植物中SAR和SAA的意義。然而，如何將ROS波與不同的特異性信號偶聯(lián)在一起，這是一個亟待的問題。另外對于ROS時空特異性的產(chǎn)生，有必要采取跨學科的方式獲得靈敏度更高的指示劑，并通過其體內(nèi)成像的方式進一步揭示ROS信號系統(tǒng)的規(guī)律。而與不同類型的植物激素發(fā)生關聯(lián)的ROS，會引發(fā)植物體內(nèi)生理生化和基因表達的各種變化以產(chǎn)生相應性狀和獲得適應性。但是，這些過程中ROS與其它信號分子如NO、Ca2+和激素等互動而建立的調(diào)控網(wǎng)絡、各自的具體角色以及ROS與植物激素信號相互作用的生理和進化意義等還有待進一步深入研究。