硫化氫參與植物抗逆境脅迫研究進(jìn)展及其在果蔬保鮮中的應(yīng)用

陳 晨 姜愛麗 劉程惠 管磬馨 孫小淵 胡文忠

(大連民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/生物技術(shù)與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116600)

硫化氫(H2S)是繼一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)之后在動(dòng)物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第三種氣體信號(hào)分子[1]。哺乳動(dòng)物體內(nèi)能合成H2S，其在人體內(nèi)大部分組織和血清中的平均濃度為5.2×10-6mol·L-1，主要參與調(diào)節(jié)血管舒張、神經(jīng)傳導(dǎo)等多種生命活動(dòng)進(jìn)程[2]。植物體內(nèi)也存在內(nèi)源H2S。研究發(fā)現(xiàn)低濃度的H2S參與調(diào)控植物氣孔關(guān)閉、種子萌發(fā)、根系發(fā)育等多種生理過程以及緩解干旱、重金屬等逆境脅迫帶來的氧化損傷[3-5]。作為小分子氣體信號(hào)分子，H2S可以自由穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，快速到達(dá)靶細(xì)胞，直接與相應(yīng)的靶細(xì)胞或靶分子結(jié)合，具有痕量即可快速發(fā)揮高效生理調(diào)節(jié)功能、安全且殘留量低等優(yōu)點(diǎn)[6]。近年來，大量研究表明，外源低濃度的H2S供體NaHS(最高濃度為 1.0 mmol·L-1，釋放的H2S氣體濃度約為1.5×10-10mol·L-1)能夠激活采后果實(shí)抗氧化系統(tǒng)，調(diào)節(jié)活性氧(reactive oxygen species，ROS)代謝平衡，延緩果實(shí)衰老[7-10]。H2S處理也能通過調(diào)控ROS代謝抑制鮮切果蔬褐變的發(fā)生，從而提高其保鮮效果[11-12]。本文通過對H2S參與植物抗逆境脅迫響應(yīng)的研究進(jìn)展，以及H2S在果蔬采后保鮮中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，旨在為H2S的深入研究提供理論依據(jù)。

1 植物體內(nèi)H2S的生物合成途徑及調(diào)控

H2S在植物體內(nèi)合成途徑如圖1所示。催化H2S合成的生物酶可以分為兩類：一類是半胱氨酸脫硫基酶(Cys desulfhydrases，CDes)，包括L-半胱氨酸脫硫酶(L-Cys desulfhydrase，L-CD)和D-半胱氨酸脫硫酶(D-Cys desulfhydrase，D-CD)[13]。其中，L-CD以L-半胱氨酸(L-cysteine，L-Cys)為底物，催化生成H2S、氨和丙酮酸，當(dāng)植物受到病原菌侵染時(shí)，L-CD活性和表達(dá)量上升，L-CD是植物抗病反應(yīng)中生成H2S的主要酶[14]；D-CD主要調(diào)控D-半胱氨酸(D-cysteine，D-Cys)合成H2S，活性通常較L-CD低。另一類是O-乙酰基-L-絲氨酸(硫醇)裂解酶[o-acetyl-L-serine (thiol) lyase，OAS-TL]，催化無機(jī)硫生成半胱氨酸，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生少量的H2S[15]。在擬南芥中已鑒定出9個(gè)OAS-TL基因，分別位于細(xì)胞質(zhì)、線粒體或質(zhì)體中[16]。最近研究發(fā)現(xiàn)的一種新型L-半胱氨酸脫硫基酶(desulfhydrase 1，DES1)，通過序列特征比對，屬于OAS-TL家族[17]。此外，擬南芥中還含有固氮酶鐵硫簇(nitrogenase Fe-S cluster，Nifs/NFS)，具有與L-CD相似的活性，推斷Nifs/NFS也可能與擬南芥合成H2S相關(guān)[18]。

2 H2S在植物抗逆境脅迫中的作用

植物的逆境脅迫包括生物脅迫和非生物脅迫，其中生物脅迫主要包括病蟲害等作用，非生物脅迫包括重金屬、高鹽、干旱、高溫等作用。研究表明，外源H2S能夠增強(qiáng)植物對逆境脅迫的抗性。一方面H2S通過增強(qiáng)植物細(xì)胞的抗氧化系統(tǒng)或直接清除ROS，緩解或修復(fù)逆境脅迫對植物的氧化損傷；另一方面，H2S作為信號(hào)分子，與植物體內(nèi)其他信號(hào)分子相互作用，共同參與抗逆信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和誘導(dǎo)抗逆基因表達(dá)[4]。

2.1 抵御重金屬脅迫

重金屬對植物的毒性作用表現(xiàn)在其可以誘導(dǎo)產(chǎn)生過量的ROS，從而引起氧化損傷，包括脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)氧化、酶活性喪失、DNA損傷等[19]。Chen等[20]研究表明，H2S可以直接清除過量的ROS或者通過提高花椰菜種子內(nèi)部非蛋白硫醇和總谷胱甘肽含量螯合金屬鉛，從而減輕氧化損傷，促進(jìn)鉛脅迫下花椰菜種子的萌發(fā)及生長。H2S還通過激活抗氧化防御系統(tǒng)，提高植物抗氧化能力，進(jìn)而增加其對重金屬的抵抗作用。Qian等[21]和Montesinos-Pereira等[22]研究表明，H2S處理能夠顯著提高油菜和甘藍(lán)幼苗的酶與非酶抗氧化能力，從而減輕氧化損傷，提高2種蔬菜在鋁脅迫下的生長能力。Zhang等[23]H2S能通過調(diào)節(jié)抗氧化物酶活性，緩解Cu2+對小麥種子萌發(fā)的抑制作用。此外，H2S還能夠與脯氨酸聯(lián)合緩解鎘(Cd)對谷子幼苗的損傷[24]。

2.2 耐鹽性

H2S處理可以緩解NaCl對小麥種子萌發(fā)和幼苗生長的抑制作用[25]。研究認(rèn)為H2S處理通過提高幼苗的抗氧化能力，減輕鹽脅迫對其造成的氧化損傷，從而在一定程度上提高了幼苗對鹽脅迫的耐受能力[26]。Shan等[27]也發(fā)現(xiàn)H2S通過上調(diào)玉米抗壞血酸和谷胱甘肽代謝維持抗壞血酸和谷胱甘肽的氧化還原狀態(tài)，提高其抗氧化能力，進(jìn)而增強(qiáng)了玉米耐鹽性。此外，H2S還可以通過其他途徑提高植物的耐鹽性。如通過調(diào)節(jié)非選擇性陽離子通道(nonselective cation channels，NSCCs)和鹽過敏感調(diào)控(salt overly sensitive，SOS1)途徑來緩解鹽脅迫對小麥幼苗生長的抑制作用[28]。H2S還可以提高植物幼苗的光合效率，增強(qiáng)植株的抗鹽性[29]。Wang等[14]采用NaHS和NO供體(硝普鈉)預(yù)處理紫花苜蓿(Medicagosativa)，發(fā)現(xiàn)其能夠促進(jìn)100 mmol·L-1NaCl脅迫下種子的發(fā)芽及后期幼苗的生長，提高根部的K+/Na+，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)添加特定NO清除劑(carboxy-PTIO potassium salt，cPTIO)，能夠逆轉(zhuǎn)上述保護(hù)作用，表明H2S的保護(hù)作用可能與誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)源性NO有關(guān)。

2.3 抗旱能力

Jin等[30]通過研究擬南芥抗旱相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控及其與抗旱相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)干旱相關(guān)基因表達(dá)模式與L-CD和D-CD基因表達(dá)模式一致，干旱脅迫能夠誘導(dǎo)植物產(chǎn)生H2S。當(dāng)采用NaHS處理后，幼苗的成活率顯著提高，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，H2S能夠減小植物的氣孔孔徑，從而減少蒸騰作用，緩解干旱脅迫。H2S還可以通過調(diào)節(jié)離子流引發(fā)氣孔關(guān)閉，進(jìn)而提高擬南芥抗干旱脅迫能力[31]。此外，H2S能夠顯著提高植物的抗氧化能力，有效緩解ROS引發(fā)的氧化損傷，從而促進(jìn)干旱脅迫下水稻種子的萌發(fā)以及玉米幼苗的生長[32-33]。Li等[34]采用轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，H2S對小麥干旱損傷的緩解作用與運(yùn)輸系統(tǒng)、植物激素信號(hào)、蛋白質(zhì)加工途徑以及脂肪酸、氨基酸代謝有關(guān)。由此可見，H2S調(diào)控植物耐干旱脅迫是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，受多種信號(hào)分子調(diào)節(jié)并涉及眾多的代謝途徑。

2.4 抵御高溫脅迫

研究發(fā)現(xiàn)H2S處理能夠提高植物的耐熱性。Christou等[35]采用10 mmol·L-1NaHS水溶液預(yù)處理草莓根部48 h，顯著提高了熱激脅迫下草莓葉片的葉綠素?zé)晒?，氣孔?dǎo)度(stomatal conductance，Gs)和含水量，同時(shí)降低了細(xì)胞離子滲透率和脂質(zhì)過氧化水平，從而增強(qiáng)了其耐熱性。研究發(fā)現(xiàn)NaHS處理能以劑量依賴的方式提高小麥幼苗的耐熱性，它是通過調(diào)節(jié)抗氧化防御系統(tǒng)緩解高溫脅迫下小麥幼苗的抗氧化損傷，從而提高小麥幼苗對高溫脅迫的耐受性[36]。Li等[37]研究認(rèn)為，外源H2S一方面可以提高煙草懸浮細(xì)胞抗氧化酶活性，緩解氧化傷害；另一方面可以誘導(dǎo)胞外Ca2+通過Ca2+載體CaM進(jìn)入細(xì)胞，傳導(dǎo)熱激信號(hào)，調(diào)控植物代謝變化，抵抗高溫脅迫。研究發(fā)現(xiàn)NaHS預(yù)處理可以提高Δ1吡咯啉-5-羧酸合成酶活性(Δ1-pyrroline-5-carboxylate synthetase，P5CS)和降低脯氨酸脫氫酶(proline dehydrogenase，ProDH)活性，使玉米幼苗內(nèi)源脯氨酸大量積累，從而顯著提高熱脅迫下玉米種子發(fā)芽率和幼苗存活率[38]。上述研究表明，H2S可以提高植物耐熱性和獲得耐熱性，這可能與抗氧化系統(tǒng)的激活以及脯氨酸的積累有關(guān)。

2.5 增強(qiáng)抗病性

研究表明，高濃度H2S(1.5 mmol·L-1NaHS 浸泡處理4 h)會(huì)引起植物葉片病變，落葉，甚至引起敏感植株的死亡，而低濃度H2S(0.5 mmol·L-1NaHS)能提高植物的抗病性，并促進(jìn)植物生長[39]。在受病原菌感染的植物中H2S合成關(guān)鍵酶LCD的活性會(huì)增加，同時(shí)釋放一定量的內(nèi)源性H2S[40]。上述研究表明，H2S信號(hào)可能參與植物的抗病反應(yīng)。同時(shí)，H2S還具有一定的殺菌能力。Fu等[41]和Hu等[11]研究發(fā)現(xiàn)，外源性H2S可能通過引發(fā)真菌ROS爆發(fā)直接抑制采后水果病原菌，如黑曲霉、意大利青霉菌和擴(kuò)展青霉菌的生長。

3 H2S與其他信號(hào)分子相互作用

3.1 H2S與Ca2+的相互作用

研究表明，H2S信號(hào)與鈣(Ca)信號(hào)通路相互作用，調(diào)節(jié)植物的生命活動(dòng)[4]。Ca2+賦予細(xì)胞壁剛性結(jié)構(gòu)，并通過Ca調(diào)素調(diào)節(jié)植物生長進(jìn)程。外源H2S誘導(dǎo)胞外Ca2+通過Ca2+載體CaM進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi)，從傳導(dǎo)熱激信號(hào)，調(diào)控植物代謝變化，抵抗高溫脅迫[36]。Li等[37]研究發(fā)現(xiàn)NaHS預(yù)處理能提高細(xì)胞外Ca2+進(jìn)入玉米懸浮培養(yǎng)細(xì)胞的能力，通過細(xì)胞內(nèi)Ca調(diào)素介導(dǎo)來提高其耐熱性。

3.2 H2S與H2O2的相互作用

非生物脅迫能夠誘導(dǎo)植物合成H2S和H2O2，但目前對二者在應(yīng)答逆境脅迫過程中如何相互作用仍存在爭議。王文杰等[42]研究發(fā)現(xiàn)受霜霉病菌侵染后，葡萄葉片H2O2含量猝發(fā)早于H2S，且H2O2清除劑抗壞血酸可顯著抑制霜霉病菌誘導(dǎo)的H2S含量上升，而H2S清除劑次?；撬?hypotaurine，HT)對霜霉病菌誘導(dǎo)的H2O2含量變化影響不顯著，推測H2S作用于H2O2的下游參與葡萄抵御霜霉病過程。Hou等[43]也認(rèn)為在茉莉酸(jasmonic acid，JA)誘導(dǎo)的蠶豆氣孔運(yùn)動(dòng)中H2S存于H2O2信號(hào)分子的下游。Liu等[44]對擬南芥的研究也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。然而，也有一些學(xué)者持相反觀點(diǎn)，Wang等[45]研究發(fā)現(xiàn)H2S可通過胞外ATP(eATP)調(diào)控H2O2，進(jìn)而調(diào)節(jié)擬南芥氣孔保衛(wèi)細(xì)胞鉀離子通道誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉。H2O2能夠激活質(zhì)膜鈣通道，H2S通過提高胡楊細(xì)胞抗氧化水平降低H2O2含量，進(jìn)而調(diào)節(jié)質(zhì)膜鈣通道抑制鎘進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，緩解鎘脅迫損傷[46]。上述結(jié)果表明，H2S作用于H2O2的上游參與植物抗逆境脅迫。

3.3 H2S與NO的相互作用

NO是重要的氣體信號(hào)分子之一，在植物生長和發(fā)育中發(fā)揮著重要作用，同時(shí)還可作為植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)調(diào)控植物的成熟和衰老[47]。研究發(fā)現(xiàn)鎘脅迫能夠誘導(dǎo)狗牙根產(chǎn)生內(nèi)源性NO和H2S，NO和H2S處理通過提高狗牙根抗氧化能力緩解鎘脅迫對植物生長的抑制以及對細(xì)胞的損傷，且二者均能夠提高內(nèi)源性NO和H2S的含量。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)NO和H2S清除劑均能夠抑制鎘脅迫下NO信號(hào)的產(chǎn)生，但NO清除劑并不能阻斷H2S信號(hào)，只有H2S清除劑能夠阻斷H2S信號(hào)的產(chǎn)生，由此推測H2S信號(hào)調(diào)節(jié)了NO介導(dǎo)的抗鎘脅迫反應(yīng)[48]。研究表明，NO通過誘導(dǎo)內(nèi)源性H2S的積累提高植物的抗逆境脅迫[49-50]，H2S可能作為NO下游的信號(hào)分子參與植物的抗逆境脅迫反應(yīng)[26,51]。同時(shí)，也有研究認(rèn)為NO作用于H2S下游參與植物的逆境脅迫[52-53]。Amooaghaie等[54]研究發(fā)現(xiàn)H2S和NO均能夠提高芝麻幼根對鉛的耐受能力，NaHS處理能夠提高內(nèi)源性NO的含量，NO清除劑處理能夠阻斷H2S介導(dǎo)的芝麻幼根對鉛脅迫的耐受響應(yīng)，而采用H2S清除劑處理并未影響NO介導(dǎo)的抗逆境反應(yīng)。上述研究表明，H2S與NO存在著復(fù)雜的相互作用，推測H2S處理提高了植物體內(nèi)NO含量，NO又反饋調(diào)節(jié)內(nèi)源性H2S的合成，二者聯(lián)合共同激活植物防御系統(tǒng)，增強(qiáng)植物的抗逆境脅迫。

3.4 H2S與植物激素的相互作用

H2S和植物激素在植物抗逆境脅迫反應(yīng)中有著復(fù)雜的相互作用。干旱脅迫下，植物體內(nèi)CDes基因表達(dá)上調(diào)，同時(shí)H2S含量上升[30]。進(jìn)一步研究H2S和脫落酸(abscisic acid，ABA)的相互作用，發(fā)現(xiàn)在H2S缺陷的擬南芥lcd突變株中，ABA誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉的作用會(huì)減弱，表明H2S在ABA誘導(dǎo)植物氣孔關(guān)閉中發(fā)揮重要作用。H2S參與離子通道基因的表達(dá)調(diào)控，也影響ABA受體的表達(dá)，因此，H2S可能在ABA信號(hào)通路上游起調(diào)控作用[55]。水楊酸(salicylic acid，SA)預(yù)處理可以提高玉米幼苗的耐熱性，SA誘導(dǎo)的耐熱性通過添加NaHS而增強(qiáng)，當(dāng)添加特異性的H2S生物合成抑制劑DL-炔丙基甘氨酸和H2S清除劑后減弱，當(dāng)采用SA生物合成抑制劑多效唑和氨基茚磷酸預(yù)處理玉米幼苗后，并沒有顯著影響NaHS誘導(dǎo)的耐熱性，且NaHS處理后在玉米幼苗中未檢測到內(nèi)源SA，因此，推測H2S可能在SA信號(hào)通路下游參與玉米幼苗的耐熱反應(yīng)[56]。此外，Shan等[57]研究發(fā)現(xiàn)H2S也參與了茉莉酸(JA)對擬南芥抗壞血酸-谷胱甘肽代謝的調(diào)節(jié)作用。外源H2S處理的番薯、甘薯、大豆根均會(huì)誘導(dǎo)吲哚乙酸(indole acetic acid，IAA)產(chǎn)生[58]。

4 H2S對采后果蔬的保鮮效果

4.1 采后果蔬

采后果蔬在貯藏過程中衰老進(jìn)程加快，易遭受病原微生物的侵染，導(dǎo)致其腐爛變質(zhì)，保鮮期縮短，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)H2S處理可以有效減緩貯藏期間果蔬衰老及腐爛等問題，H2S在采后果蔬的應(yīng)用情況如表1所示。H2S熏蒸處理能夠顯著抑制采后草莓的腐爛，并提高其硬度，降低呼吸強(qiáng)度，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)H2S處理顯著提高了草莓抗氧化酶[過氧化氫酶(catalase，CAT)、過氧化物酶(peroxidase，POD)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)和谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase，GR)]活性，抑制脂氧合酶(lipoxidase，LOX)活性，同時(shí)減少了H2O2和MDA含量的積累。由此可見，H2S通過提高采后草莓的抗氧化能力，減輕氧化損傷，從而延緩其衰老，延長了貯藏期[7]。Shen等[10]和Hu等[59]研究也表明，H2S可以通過激活低溫貯藏期間采后獼猴桃和桑葚的抗氧化系統(tǒng)，從而保持其貯藏期間的品質(zhì)，延緩其成熟和衰老。H2S還能夠通過抑制乙烯的釋放，降低綠葉蔬菜在貯藏期間葉綠素的降解，從而延緩其衰老進(jìn)程[60-61]。此外，H2S通過增加脯氨酸含量和提高抗氧化酶活性，參與能量代謝以維持能量電荷來降低采后香蕉果實(shí)冷害[62-63]。但H2S對采后果蔬衰老的調(diào)控具有雙重生物效應(yīng)，低濃度的H2S能較好保持采后果蔬貯藏期間的品質(zhì)，而高濃度H2S會(huì)加速其成熟和衰老，不利于采后果蔬的保鮮。汪偉等[9]研究發(fā)現(xiàn)低濃度H2S(15 μmol·L-1)通過提高采后桃果實(shí)活性氧代謝來延緩果實(shí)衰老，但高濃度H2S(30、45 μmol ·L-1)會(huì)加速采后桃果實(shí)的衰老。

表1 硫化氫在采后果蔬中的應(yīng)用Table 1 Application of hydrogen sulfide in the preservation of postharvest fruits and vegetables

4.2 鮮切果蔬

新鮮果蔬在去皮、切分等加工過程中，細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)遭到傷害，呼吸速率升高，營養(yǎng)物質(zhì)流失，極易受到微生物侵染以及產(chǎn)生褐變等，從而加速果蔬的衰老和腐敗。H2S作為一種抗氧化劑可以直接清除切割傷害引發(fā)的ROS，同時(shí)H2S還可以激活果蔬自身的抗氧化防御系統(tǒng)，及時(shí)清除ROS，減緩氧化損傷。此外，H2S可以抑制鮮切蓮藕的多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)和POD活性，從而有效抑制其在貯藏過程中的褐變反應(yīng)，獲得較好的保鮮效果[12]。NaHS熏蒸處理也能夠上調(diào)鮮切梨APX、CAT、POD等抗氧化酶活性，下調(diào)LOX、苯丙氨酸解氨酶(phenylalnine ammonialyase，PAL)和PPO活性，降低ROS及MDA含量的積累，同時(shí)，NaHS熏蒸還可以有效抑制鮮切梨的病原真菌(黑曲霉和擴(kuò)展青霉菌)的生長，表明H2S可作為抗氧化劑和殺菌劑來延長鮮切梨的貯藏保鮮[11]。Zheng等[64]研究發(fā)現(xiàn)H2S通過下調(diào)衰老相關(guān)基因(MdLOX2、MdPG1、MdPPO、MdACO1、MdERS1和MdETR1)的表達(dá)同時(shí)提高其抗氧化能力，進(jìn)而延緩了鮮切蘋果的衰老。

5 展望

低濃度的H2S在植物生長發(fā)育以及抗逆境脅迫響應(yīng)中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用，但H2S在植物整個(gè)生命周期的關(guān)鍵作用及其抗逆境脅迫反應(yīng)機(jī)制尚不清楚。植物細(xì)胞如何感知H2S信號(hào)，以及在H2S參與植物抗逆境脅迫反應(yīng)過程中，中間產(chǎn)物及其他物質(zhì)如何影響H2S信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)等方面都有待進(jìn)一步研究。在植物抗逆境脅迫響應(yīng)中，H2S與其他信號(hào)分子(如H2O2、NO、植物激素等)有著密切的聯(lián)系，但這些信號(hào)分子之間的相互作用機(jī)制，以及它們各自在發(fā)揮作用時(shí)是否受相互之間的調(diào)控(或引導(dǎo)或抑制)，也將是未來的研究重點(diǎn)。近年來，H2S在采后果蔬保鮮中的應(yīng)用越來越多，但H2S延緩果蔬產(chǎn)品成熟衰老和抗病的作用尚處于生理階段的研究，還需進(jìn)一步深入明確H2S如何調(diào)控果蔬采后代謝、延緩組織成熟和衰老的分子機(jī)理，為探索H2S在果蔬采后貯藏保鮮的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。