硫化氫
——從有毒氣體到植物信號分子*

李忠光， 龍維彪， 楊仕忠， 陳才波， 孫玉瑩，王加琪， 向汝華， 李小二， 陳宏艷

(云南師范大學 生命科學學院,生物能源持續(xù)開發(fā)利用教育部工程研究中心,云南省生物質(zhì)能與環(huán)境生物技術(shù)重點實驗室,云南 昆明650500)

1 引言

硫化氫(hydrogen sulfide,H2S)，又稱氫硫酸、硫烷、二氫硫或下水道氣體，是一種具有臭雞蛋氣味的無色可燃氣體[1].H2S過去被認為是一種有毒氣體，可導(dǎo)致包括人在內(nèi)的有機體的損傷，甚至死亡[1].進一步的研究表明，H2S對含有亞鐵的蛋白質(zhì)包括酶(如細胞色素氧化酶(cytochrome oxidase,CCO)、血紅蛋白(hemoglobin,HG)、肌紅蛋白(myoglobin,MG)、過氧化氫酶(catalase,CAT)和過氧化物酶(peroxidase,POD)等)具有很高的親和力，可導(dǎo)致線粒體呼吸的紊亂，干擾細胞代謝，甚至導(dǎo)致細胞死亡[2].此外，H2S可能是二疊紀末期生物大滅絕的元兇.二疊紀末期，由于火山爆發(fā)，地球上大量積累H2S，導(dǎo)致海水含氧量迅速下降.含氧量的迅速下降導(dǎo)致厭氧菌綠色硫細菌在海洋中大量繁殖，此菌利用海水中的硫酸鹽代替O2進行呼吸，同時釋放大量的H2S.釋放的H2S擴散進入空氣和陸地，導(dǎo)致95%的海洋生物和70%的陸生生物滅絕[1].此外，H2S可導(dǎo)致植物葉片壞死、脫落和生長抑制；抑制光合作用過程中O2的釋放，以及根系對礦質(zhì)元素如磷的吸收[2].最近的研究表明，H2S在擬南芥中可通過觸發(fā)活性氧(reactive oxygen species,ROS)-一氧化氮(nitric oxide,NO)途徑，抑制主根的生長和調(diào)節(jié)根系統(tǒng)構(gòu)架[3].這些都說明，H2S是一種細胞毒害劑.

現(xiàn)在的研究則表明，高濃度的H2S是一種細胞毒害劑，但低濃度時是一種信號分子，其在植物體中的研究焦點已從毒性分子轉(zhuǎn)向信號分子，并取得較多的研究成果[2,4-5].作為信號分子的H2S，在植物體中可通過酶促途徑和非酶促途徑進行代謝，同時這些代謝途徑也是維持其在細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的重要舉措.在這些H2S代謝途徑中，酶促途徑是主要的且可控的途徑，是維持其動態(tài)平衡和誘發(fā)H2S信號的活躍途徑[2,5].一般認為，在正常情況下，H2S在植物體內(nèi)的含量為0.1～4 μmol/g鮮重左右；而在逆境脅迫下，其含量有所增加，觸發(fā)H2S信號途徑[2,5].當然H2S在植物體內(nèi)的含量也因植物組織、器官、種類以及逆境脅迫的種類和強度而異.而在藥理學實驗中，常用的H2S供體為NaHS和GYY4137，使用濃度為0.01～2 mmol/L，也因植物及處理方式(灌根、浸種和噴施等)而異.許多研究表明，H2S不僅調(diào)控種子的萌發(fā)與幼苗的生長、植物的生長與發(fā)育以及生殖與衰老，在植物響應(yīng)和適應(yīng)逆境脅迫中，也起著重要的作用[4].本文基于H2S在植物體中的最新研究進展，總結(jié)了H2S的理化性質(zhì)與毒性、酶促與非酶促代謝，以及其對種子萌發(fā)、植物生長發(fā)育及響應(yīng)與適應(yīng)逆境脅迫的調(diào)控作用，并提出未來的研究方向，以促進H2S信號研究在植物學領(lǐng)域的發(fā)展及進一步揭示其生理功能.

2 H2S的理化性質(zhì)與毒性

2.1 H2S的理化性質(zhì)

H2S分子量為34.08，密度為1.19，比空氣(密度為1.0)重[1,6].H2S的冰點、熔點和沸點分別為-86、-82.3 ℃和-60.3 ℃.在水溶液中，H2S的溶解度隨溫度變化，在20、25 ℃和37 ℃下，H2S的溶解度分別為122、100 mmol/L和80 mmol/L.H2S是一種弱酸，37 ℃下其電離常數(shù)pKa為6.76，在水溶液中電離為HS-和H+，因此一般認為HS-和H2S在水溶液中分別占80%和20%(而在植物細胞中，一般認為二者相等)[1].此外，H2S是脂溶性分子，在乙醇和乙醚中的溶解度分別為312 mmol/L和606 mmol/L，其在脂中的溶解度大約是水溶液中的5倍，能自由地穿過生物膜(H2S的偶極矩為0.97，NO和CO的偶極矩分別為0.16和0.13)，穿過膜脂(脂雙層)的擴散速度為5 mm/s[1].但是H2S的電離產(chǎn)物HS-不能穿過生物膜，因此H2S或許能以HS-的形式發(fā)揮生理作用，特別是在線粒體和葉綠體等細胞器的堿性介質(zhì)(pH可達8.0左右)中，HS-的濃度更高.H2S具有較高的鍵解離能，可達90 kcal/mol，類似于巰基鍵(S-H)的鍵解離能92 kcal/mol.H2S也是一種還原劑，其還原勢約為0.23 V，所以其氧化態(tài)的化合價可從-2到+6價.水溶液中的H2S也容易揮發(fā)到空氣中，其蒸汽壓為1.875×106Pa[6].在空氣中，H2S的半衰期為12～37 h，一般隨著溫度的降低而增加[1].

2.2 H2S的毒性

由于H2S對含亞鐵離子的蛋白質(zhì)如CCO、HG、MG、CAT及POD等有很高的親和力，導(dǎo)致這些蛋白的活性散失，從而干擾細胞的代謝，甚至造成細胞死亡.如當H2S與CCO結(jié)合時，可導(dǎo)致CCO失活，繼而擾亂呼吸鏈的電子傳遞，抑制線粒體呼吸；當H2S與HG或MG結(jié)合時，可導(dǎo)致HG或MG與O2的結(jié)合能力下降；當H2S與CAT或POD結(jié)合時，可導(dǎo)致二者失活，細胞積累ROS，產(chǎn)生氧化脅迫[1,2,6].這些結(jié)合輕則導(dǎo)致細胞代謝的紊亂，重則導(dǎo)致細胞死亡.因此，有人認為H2S可能是二疊紀末期地球上物種大滅絕的元兇[1,6].如前所述，H2S是一種具有臭雞蛋氣味的氣體，但人類能感受到此氣味的范圍是0.000 5～100 ppm，當空氣中的H2S含量超過100 ppm時，人類就無法聞到此氣味.正常情況下，空氣中H2S的含量在0.000 3 ppm以下，人類不能嗅到此氣味.研究表明，當空氣中的H2S的含量達到500 ppm左右時，常致人死亡[1,6].因為500 ppm的H2S已經(jīng)超出人類的嗅覺范圍，無法聞到，這也是H2S這種下水道氣體導(dǎo)致人類傷亡的主要原因.在植物系統(tǒng)中，H2S熏蒸可導(dǎo)致苜蓿、葡萄和萵苣植物葉片壞死、脫落和生長抑制[1].此外，H2S可抑制水稻幼苗光合作用過程中O2的釋放，以及根系對礦質(zhì)元素如磷的吸收[7].這些結(jié)果暗示，高濃度的H2S是一種植物細胞毒害劑.此外，在擬南芥中，H2S可通過觸發(fā)ROS-NO途徑抑制主根的生長并調(diào)節(jié)根系統(tǒng)構(gòu)架[3].

3 H2S的酶促與非酶促代謝

與其他信號分子(如Ca2+、ROS、NO和甲基乙二醛(methylglxyoal,MG))相類似，H2S作為信號分子，在植物中有多條代謝途徑，包括酶促途徑和非酶促途徑.酶促途徑又包括半胱氨酸(cysteine,Cys)途徑、亞硫酸鹽途徑、硫化碳(carbonyl sulfide,COS)途徑和還原系統(tǒng)途徑(圖1)，而非酶促途徑又包括脫硫作用途徑、含硫化合物途徑、葡萄糖(glucose,Glc)途徑和過硫化作用途徑.這些途徑分述如下.

圖1 植物中H2S代謝途徑

3.1 酶促途徑

3.1.1 半胱氨酸途徑

H2S具有細胞毒害劑和信號分子雙重特性，因此在細胞中必須保持嚴格的動態(tài)平衡.Cys途徑是植物中合成H2S的主要途徑，在此途徑中，L-Cys脫巰基酶(L-Cys desulfurase,LCD)、D-Cys脫巰基酶(L-Cys desulfurase,DCD)、氰丙酸合成酶(cyanoalanine synthase,CAS)、Cys脫巰基酶1(Cys desulfurase 1,DES1)和固氮酶鐵硫簇(nitrogenase Fe-S cluster,NFS)分別以Cys為底物，催化H2S的合成(圖1)[2,4].通過此途徑合成的H2S，在半胱氨酸合成酶(cysteine synthetase,CS，又稱O-乙酰絲氨酸硫醇裂解酶(O-acetylserine(thiol)lyase,OASTL))的催化下，可被迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镃ys，避免植物細胞中過多的H2S積累及毒副作用.此反應(yīng)是可逆反應(yīng)，故其逆反應(yīng)可合成H2S[2,4].這也說明Cys-H2S循環(huán)在植物細胞Cys和H2S穩(wěn)態(tài)中的重要作用.

3.1.2 亞硫酸鹽途徑

硫是植物的必需元素，植物從根系吸收的硫酸鹽(SO42-)在ATP硫酸化酶(ATP sulfating enzyme,ASE)的作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)橄佘挣Ａ蛩?5-adenaylysulfate,APS).接著，APS還原酶(APS reductase,APSR)以谷胱甘肽(glutathione,GSH)為輔因子，將APS還原為亞硫酸鹽(SO32-).最后，亞硫酸還原酶(sulfite reductase,SiR)以鐵氧還蛋白(ferredoxin,Fd)為還原劑，把SO32-還原為H2S(圖1)，繼而合成Cys[2,4].

3.1.3 硫化碳途徑

空氣中的COS(又稱氧硫化碳或羰基硫)可通過氣孔進入植物細胞，并在碳酸酐酶(carbonic anhydrase,CA)的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2S(圖1)[8]，成為植物細胞中H2S合成的又一途徑.

3.1.4 還原系統(tǒng)途徑

除了上述3個酶促途徑外，植物中還存在還原系統(tǒng)途徑合成H2S.在模式植物擬南芥中，3-巰基丙酮酸硫基轉(zhuǎn)移酶(3-mercaptopyruvate sulfurtransferase,MST)含有巰基(-SH)，可被3-巰基丙酮酸過硫化，形成過硫化的MST(MST-SSH).MST-SSH能與還原系統(tǒng)硫氧還蛋白(thioredoxin,TRX)或谷氧還蛋白(glutaredoxin,GRX)作用，將發(fā)生過硫化作用的硫脫下，釋放H2S，而酶本身回到原來的狀態(tài)(MST-SH)(圖1)[9].因此，此途徑中的氧化還原系統(tǒng)不僅可調(diào)節(jié)MST的活性，也是植物中產(chǎn)生H2S的途徑之一.

3.2 非酶促途徑

3.2.1 脫硫作用

植物中含有巰基的蛋白質(zhì)(P-SH)在GSH的作用下可發(fā)生脫硫作用，蛋白質(zhì)中的巰基(-SH)可被GSH中的GS取代，產(chǎn)生谷胱甘肽化的蛋白質(zhì)(P-SG)；而脫下的巰基可與GSH中的H結(jié)合，形成H2S[10].所以，GSH可通過脫硫作用調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)(包括酶)的活性，同時也維持細胞中的H2S穩(wěn)態(tài).

3.2.2 含硫化合物途徑

植物細胞中的含硫化合物如硫代硫酸鹽(Thiosulfate,TS)和硫代胱氨酸(Thiocysteine,TC)分別在GSH的作用下，也可產(chǎn)生H2S(圖1)[8].

3.2.3 葡萄糖途徑

作為能源和結(jié)構(gòu)物質(zhì)的Glc，可分別在甲硫氨酸(Methionine,Met)、Cys和同型半胱氨酸(Homocysteine,Hcys)的作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)镠2S(圖1)[8]，但其具體途徑目前尚未完全清楚.

3.2.4 過硫化作用

植物細胞中的H2S，除了可被迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镃ys外，也可通過蛋白質(zhì)過硫化作用(protein persulfidation,-SSH，也稱硫巰基化作用)而消耗.過硫化作用與上述的脫硫作用相反，此過程是消耗H2S，而脫硫作用是產(chǎn)生H2S[11].二者作為翻譯后修飾，都可改變蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)、活性、穩(wěn)定性和在細胞中的定位，從而調(diào)控植物細胞代謝，也可維持細胞中的H2S平衡[11].這可能也是H2S作為信號分子的主要功能之一.

4 H2S在植物生長發(fā)育及響應(yīng)逆境脅迫中的作用

如前所述，H2S具有雙重作用，高濃度下是細胞毒害劑，低濃度下是信號分子.植物中關(guān)于H2S的研究，現(xiàn)已從細胞毒害劑機制的探究轉(zhuǎn)向信號分子作用.作為信號分子的H2S參與植物生長發(fā)育及對逆境脅迫的響應(yīng)與適應(yīng).此部分內(nèi)容主要陳述最近幾年H2S在種子萌發(fā)、植物生長、開花、逆境響應(yīng)和適應(yīng)中的最新研究進展(圖2).

圖2 H2S提高植物耐逆性的機理

4.1 H2S促進種子萌發(fā)和植物生長

在非逆境脅迫條件下，用適宜濃度的H2S(10～100 μmol/L)處理豌豆、小麥和玉米種子，可促進種子的萌發(fā)、幼苗莖和葉的生長，增強植株的光合作用，提高作物鮮重及產(chǎn)量；對于豌豆，這種促進以10 μmol/L為宜，用同樣濃度的H2S處理上述三種植物幼苗，均可促進植株的光合作用和生長，提高作物產(chǎn)量；而1 mmol/L H2S處理，則抑制植物的生長；20 mmol/L H2S處理，則殺死植物[12].我們前期的研究結(jié)果也表明，10 mmol/L H2O2浸種24 h，可促進能源植物小桐子種子的萌發(fā)和提高發(fā)芽率，這種促進效應(yīng)可被H2S合成抑制劑氨氧基乙酸削弱，而1 mmol/L H2S外源浸種，也可促進萌發(fā)和提高發(fā)芽率.進一步的研究表明，H2O2浸種可提高小桐子種子的LCD活性，繼而誘導(dǎo)內(nèi)源H2S的積累，觸發(fā)H2S信號[13].這些結(jié)果說明，H2S信號可介導(dǎo)H2O2誘導(dǎo)的種子萌發(fā).類似地，在小麥中，1.4 mmol/L H2S浸種12 h，可促進小麥種子的萌發(fā)[14].類似的結(jié)果在擬南芥、綠豆和苜蓿種子的萌發(fā)中也可觀察到[15-17].

在鋁脅迫下，200 μmol/L H2S處理可降低大麥幼苗根系和葉片中的鋁含量，促進根系中檸檬酸的分泌，增加GSH含量及抗氧化酶超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、CAT、POD和抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)的活性，繼而減少ROS的積累及膜脂過氧化，最終提高大麥幼苗在鋁脅迫下的生長能力，特別是根的生長[18].在小麥中，銅脅迫可抑制種子的萌發(fā)且降低發(fā)芽率，而1.4 mmol/L H2S浸種12 h，可緩解銅脅迫下種子萌發(fā)的抑制并提高發(fā)芽率.此外，H2S浸種可提高銅脅迫下小麥種子淀粉酶、酯酶、SOD、CAT和APX的活性，提高游離氨基酸的水平，減少內(nèi)源銅、ROS和膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛的積累，緩解銅脅迫誘發(fā)的氧化損傷[14].類似地，在高溫脅迫下，100 μmol/L H2S處理，可上調(diào)草莓中抗氧化酶(SOD、CAT、APX和谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase,GR))、抗氧化劑合成酶(半乳糖脫氫酶(galactose dehydrogenase,GDH)、谷胱甘肽合成酶(glutathione synthetase,GS)和谷氨酰半胱氨酸合成酶(glutamylcystein synthetase,GCS))、熱激蛋白(heat shock proteins,HSP)和水孔蛋白(aquaporin,PIP)等基因的表達，繼而提高草莓對高溫脅迫的抵抗能力，改善草莓的生長[19].我們前期的研究結(jié)果也表明，50 μmol/L H2S處理煙草懸浮培養(yǎng)細胞，可提高其在高溫脅迫下的再生能力，并且這種再生能力的提高與鈣信使系統(tǒng)有關(guān)[20].在玉米中，H2S引發(fā)可提高高溫脅迫下種子的萌發(fā)率，改善玉米幼苗的生長狀況，這種改善與H2S增強抗氧化系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的活力有關(guān)[21].這些結(jié)果表明，H2S可促進非脅迫和脅迫條件下植物的生長.

4.2 H2S調(diào)控植物開花

春化作用是指低溫促進植物開花的效應(yīng).關(guān)于春化作用的機理，目前尚未完全清楚.一般認為，開花阻遏物基因(FLOWERINGLOCUSC,FLC)、SOC1(SuppresorofOverexpressionofCanstant1)和開花基因(FLOWERINGLOCUST,FT)是春化反應(yīng)和控制開花的關(guān)鍵基因，F(xiàn)LC表達受表觀遺傳調(diào)控[22].FLC的表達產(chǎn)物FLC是轉(zhuǎn)錄因子，能結(jié)合到SOC1或FT的啟動子上，繼而抑制SOC1和FT的表達，即抑制開花素的合成，因此植物不能開花.只有當轉(zhuǎn)錄因子FLC從SOC1或FT的啟動子上脫落下來，F(xiàn)T才能表達，開花素FT才能合成，植物才能開花.Ma等[22]的最新研究表明，在大白菜(BrassicarapaL.)中，100 μmol/L H2S處理可促進植物開花，以補償春化作用的不足.進一步的研究表明，H2S可觸發(fā)大白菜開花阻遏物(BraFLC)的過硫化作用，導(dǎo)致構(gòu)象的改變和與SOC1或FT的啟動子的結(jié)合能力下降，從啟動子上脫落，繼而促進FT表達和開花素FT的合成，最終促進植物開花.同時，該課題組發(fā)現(xiàn)，H2S處理也可促進擬南芥植物的開花，其機理與大白菜開花一致[22].這些研究進一步表明，信號分子H2S在植物發(fā)育，特別是開花過程中起著重要的作用.

4.3 H2S提高植物耐逆性

4.3.1 H2S提高植物耐澇性

H2S除了在種子萌發(fā)、植物生長和開花中扮演著重要的信號分子作用外，在植物響應(yīng)和適應(yīng)逆境脅迫中也起著重要作用.在擬南芥幼苗中，水澇可上調(diào)LCD和DCD基因的表達，繼而提高內(nèi)源H2S水平，說明低氧或缺氧可觸發(fā)H2S信號.此外，100 μmol/L H2S外源處理，可緩解水澇導(dǎo)致的葉片死亡，提高植物在澇害脅迫下的存活率，暗示H2S可提高植物的耐澇性[23].進一步的研究表明，H2S處理可改變內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫誘導(dǎo)的非折疊蛋白響應(yīng)基因(endoplasmic reticulum stress-induced unfolded protein response(UPR)genes)如BIP、CNX、TINI、PDI、ERO和CRT的表達，說明UPR信號途徑參與H2S誘導(dǎo)的植物耐澇性的形成[23].在擬南芥中，Yang等[24]利用轉(zhuǎn)錄組和代謝組手段，證實信號分子H2S在擬南芥耐澇性形成中的重要作用.他們的研究表明，外源提供和/或通過LCD、DCD、CAS及OASTL等內(nèi)源產(chǎn)生的H2S，可激活轉(zhuǎn)錄因子(如ERF、MYB、NAC和WRKY等)，上調(diào)低氧響應(yīng)基因(如POC、ADH、LBD和HRA等)和激素信號相關(guān)基因的表達，繼而調(diào)節(jié)GSH、氨基酸和植物激素(吲哚乙酸、茉莉酸和水楊酸等)的代謝，最終提高植物對水澇的抵抗能力，提高水澇脅迫下擬南芥的存活率.此外，Li等[25]認為，水澇一方面可導(dǎo)致氧化脅迫、光合作用的下降、離子不平衡、生物膜的損傷和能量的匱缺，另一方面可通過激活CAS、DES1、SiR和CS，促進內(nèi)源H2S的積累，以此作為第二信使，繼而通過增強抗氧化系統(tǒng)(如CAT、SOD、POD和APX的活性，以及GSH和脯氨酸的含量)，增強H2S與植物激素(如吲哚乙酸(indoleacetic acid,IAA)、水楊酸(salicylic acid,SA)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)和脫落酸(abscisic acid,ABA)等)和鈣信號(Ca2+和鈣調(diào)素)的交互作用，調(diào)節(jié)呼吸代謝(如蘋果酸脫氫酶、磷酸果糖激酶和葡萄糖6-磷酸脫氫酶等的活性)，提高生物膜的完整性，穩(wěn)定離子穩(wěn)態(tài)，調(diào)整代謝適應(yīng)，促進不定根的形成，緩解根尖細胞的死亡和改善光合作用，最終提高植物的耐澇性.

4.3.2 H2S提高植物耐冷性

冷脅迫作為主要的非生物脅迫因子，抑制植物的生長和產(chǎn)量的提高.在冷敏植物辣椒中，晝/夜溫度為10 ℃/5 ℃時可抑制幼苗的光合能力，而這種抑制可分別被氨基乙酰丙酸(葉綠素合成的前體物質(zhì))和H2S所緩解，二者的組合處理可提高幼苗的光合能力.此外，冷脅迫可降低葉綠素合成中的上游物質(zhì)氨基乙酰丙酸、原卟啉IX、Mg-原卟啉、原葉綠素酸酯、葉綠素a和葉綠素b的積累，下調(diào)上游基因HEMA1、HEMB、FAR1、FHY3、CHLH、HEME1、HEMF和PORA的表達；而氨基乙酰丙酸和H2S聯(lián)合處理，可提高辣椒幼苗的葉綠素含量及其上游物質(zhì)的水平，上調(diào)上游基因的表達[26].這些說明H2S處理可通過增加葉綠素的合成而提高冷脅迫下植物光合作用.類似地，在藍莓中，H2S處理可緩解低溫脅迫下光合色素類胡蘿卜素和葉綠素的降解，繼而阻止光系統(tǒng)I和光系統(tǒng)II的光抑制，最終提高藍莓對低溫脅迫的抵抗能力[27].黃瓜幼苗于4 ℃下暴露12 h，可上調(diào)H2S合成酶基因LCD和DES的表達，繼而增加內(nèi)源H2S含量.此外，4 ℃的低溫脅迫下，H2S處理可提高次生代謝物葫蘆素C合成酶的基因表達，而且這種表達是通過H2S對轉(zhuǎn)錄因子bHLH的過硫化作用，以提高其對啟動子的結(jié)合能力而實現(xiàn)[28].在黃瓜幼苗中，水楊酸處理可提高LCD和DCD的基因表達，繼而提高內(nèi)源H2S水平和植物的耐冷性；這些效應(yīng)可被H2S合成抑制劑和清除劑所消除，而SA抑制劑對此效應(yīng)沒有顯著影響，暗示H2S在SA的下游發(fā)揮作用.進一步的研究表明，SA和H2S處理，可增強抗氧化酶SOD、CAT、POD、APX和GR活性和抗氧化劑(GSH和抗壞血酸(ascorbic acid,ASA))含量，并增強冷響應(yīng)基因ICE、CBF和COR的表達[29].

4.3.3 H2S提高植物耐熱性

與低溫相類似，高溫也是限制作物產(chǎn)量的重要環(huán)境因子.高溫脅迫通常觸發(fā)蛋白質(zhì)變性、酶失活和基因表達的改變，繼而導(dǎo)致細胞損傷.在植物響應(yīng)和適應(yīng)高溫脅迫中，HSP和抗氧化系統(tǒng)起著重要的作用.如上所述，42 ℃的高溫脅迫下，100 μmol/L H2S處理可導(dǎo)致HSP、SOD、CAT、APX、GR、GDH、GS、GCS和PIP等的基因表達，繼而提高草莓對高溫脅迫的抵抗能力[19].在白楊中，H2S供體(NaHS和GYY4137)處理，可增加亞硝基谷胱甘肽還原酶的活性，繼而削弱高溫脅迫下ROS/活性氮(reactive nitrogen species,RNS)誘導(dǎo)的細胞氧化損傷，最終提高白楊的高溫抵抗能力[30].類似地，NaHS或GYY4137處理擬南芥種子，可提高高溫脅迫下種子的萌發(fā)，增加植物激素脫落酸信號途徑中重要的轉(zhuǎn)錄因子ABI5的基因表達，繼而提高擬南芥的耐熱性[17].我們的前期研究也表明，H2S處理可提高煙草懸浮細胞的耐熱性，并且這種耐熱性的獲得受鈣信使系統(tǒng)的調(diào)控[20].在玉米幼苗中，H2S處理可提高其耐熱性，且此耐熱性的提高可能通過調(diào)控抗氧化系統(tǒng)[31-32]和滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)[33-34]來實現(xiàn).此外，H2S誘導(dǎo)玉米幼苗耐熱性形成過程中，存在與H2O2、NO和SA信號的交互作用[35-37].

4.3.4 H2S提高植物對重金屬脅迫的耐性

隨著工業(yè)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進程，重金屬污染有所增加，影響到人類健康和作物產(chǎn)量的提高.尋找緩解重金屬污染對植物傷害的策略是提高作物對重金屬脅迫的耐性的重要手段.在花椰菜中，H2S處理可減少植物中重金屬Cr的含量，其通過增強抗氧化系統(tǒng)的活力，降低ROS和丙二醛的水平，提高花椰菜對Cr的耐性[38].在番茄幼苗中，Cr脅迫可導(dǎo)致ROS的積累，改變H2S和半胱氨酸的代謝.而NO處理可通過引發(fā)H2S信號，從而改善Cr脅迫下幼苗的光合作用和植物的生長狀態(tài)[39].此外，Cd脅迫可增加小麥幼苗內(nèi)源NO和H2S水平，而外源NO和H2S處理可增加抗氧化酶SOD、CAT和POD的活性，保持生物膜的完整性，從而提高小麥幼苗對氧化脅迫的抵抗能力[40].在擬南芥中，超表達DCD可增加內(nèi)源的H2S水平，降低幼苗中的Cd和ROS水平[41].Luo等[42]的進一步總結(jié)表明，Cu、Al、Cr、Cd、As、Pb、Zn和Ni等重金屬脅迫，一方面可導(dǎo)致ROS/RNS的積累，產(chǎn)生氧化脅迫；另一方面可激活LCD、DCD和OASTL活性，繼而提高內(nèi)源H2S水平.H2S可通過對靶蛋白如CAT和APX的過硫化來調(diào)節(jié)他們的活性，以及提高抗氧化系統(tǒng)的活力，緩解氧化脅迫；此外,H2S可促進檸檬酸的分泌及植物螯合肽和金屬硫蛋白的合成，減少植物體內(nèi)重金屬的積累；同時H2S還通過與其他信號分子如NO、H2O2、Ca2+、植物激素(SA和JA等)的交互作用，最終提高植物對重金屬脅迫的抵抗能力.

4.3.5 H2S提高植物耐旱性

干旱脅迫作為一個非生物脅迫因子，通常導(dǎo)致滲透脅迫(即細胞缺水)和氧化脅迫.因此凡是能夠減少氣孔開度的策略，都可維持細胞的水分平衡，提高植物的抗旱性.Chen等[43]的研究表明，干旱脅迫可直接或間接(通過ABA信號途徑)觸發(fā)擬南芥中H2S的積累，導(dǎo)致蔗糖非發(fā)酵相關(guān)蛋白激酶2.6(sucrose non-fermenting related protein kinase,SnRK2.6)過硫化和磷酸化并被激活，繼而誘發(fā)保衛(wèi)細胞膜上Ca2+通道的開放，最終導(dǎo)致氣孔的關(guān)閉，從而維持植物體內(nèi)的水分平衡，提高植物的抗旱性.類似地，ABA可激活擬南芥DES1活性，增加內(nèi)源H2S水平，繼而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子ABA不敏感4(ABA insensitive 4,ABI4)發(fā)生過硫化并被激活，提高其與促分裂原活化蛋白激酶的激酶的激酶18(mitogen-activated protein kinase kinase kinase 18,MAPKKK18)的啟動子的結(jié)合能力，促進MAPKKK18的基因表達，引發(fā)MAPK信號級聯(lián)，調(diào)節(jié)下游生理過程包括耐旱性[44].在水稻幼苗中，干旱脫水可激活LCD活性，繼而連續(xù)不斷地增加內(nèi)源H2S水平；而外源H2S處理，可改善幼苗在干旱脅迫下的生理性能和光合參數(shù)，提高抗氧化酶SOD、CAT、APX和GR活性及抗氧化劑GSH和ASA的水平，緩解ROS的積累和氧化損傷.此外，H2S處理可上調(diào)ABA合成酶和ABA響應(yīng)基因的表達，下調(diào)ABA氧化酶基因表達，從而提高水稻幼苗中的ABA水平，最終提高幼苗對干旱脅迫的抵抗能力[45].在小麥幼苗中，外源硅和H2S處理不僅可提高小麥的耐旱性，還可提高小麥對葉銹病菌浸染的抵抗能力.這種抵抗能力的形成與硅和H2S增強抗氧化酶SOD、POD、多酚氧化酶和苯丙氨酸裂解酶的活力，增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖和脯氨酸水平及內(nèi)源激素ABA和SA的含量有關(guān)[46].

4.3.6 H2S提高植物耐鹽性

與干旱脅迫類似，鹽脅迫也會導(dǎo)致滲透脅迫、離子毒害、營養(yǎng)脅迫和氧化脅迫.能夠緩解這四個方面?zhèn)Φ牟呗远伎商岣咧参飳}脅迫的抵抗能力.在茄子幼苗中，鹽脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)大量元素(N、P、K、Ca、Mg和S)和微量元素(Mn、Fe、Zn和B)的減少，產(chǎn)生營養(yǎng)脅迫，繼而導(dǎo)致植物高度、莖稈直徑、葉面積、植株鮮重和干重等生長相關(guān)參數(shù)的下降；而外源H2S處理，則可提高上述大量元素和微量元素的含量，緩解營養(yǎng)脅迫和植物生長相關(guān)參數(shù)的下降；外源H2S處理可提高抗氧化酶SOD和CAT的活性，減少ROS和丙二醛的積累；提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)蔗糖和脯氨酸的含量以及植物激素ABA水平，最終改善茄子幼苗在鹽脅迫下的生長特性[47].類似地，在藥用植物青錢柳中，鹽脅迫可改變?nèi)~綠素熒光參數(shù)(Fv/Fm、NPQ和ETR)，產(chǎn)生氧化脅迫，減少生物量的積累；而H2S處理，可通過激活硝酸還原酶活性，觸發(fā)NO信號,以及提高鹽脅迫下植物中抗氧化酶SOD、POD、CAT和APX的活性及抗氧化劑脯氨酸和多酚的水平，繼而減少ROS積累，緩解氧化損傷，改善光合參數(shù)，積累生物量[48].此外，在黃瓜幼苗中，褪黑素處理可增加LCD和DCD的轉(zhuǎn)錄并提高酶的活性，繼而積累內(nèi)源H2S，上調(diào)抗氧化酶SOD、POD、CAT、APX、GR和脫氫抗壞血酸還原酶(dehydroascorbate reductase,DHAR)的基因表達，提高這些抗氧化酶的活性，降低鹽脅迫下幼苗的氧化損傷，改善幼苗的光合參數(shù)，最終提高幼苗對鹽脅迫的抵抗能力[49].Wei等[50]利用蛋白組手段，證實外源H2S對鹽脅迫下的水稻幼苗有保護作用；其主要機理為H2S處理可上調(diào)抗氧化相關(guān)蛋白(SOD、POD、APX、GSH硫轉(zhuǎn)移酶等)、光合作用相關(guān)蛋白(核酮糖1,5-二磷酸羧化/加氧酶等)、能量產(chǎn)生和物質(zhì)代謝相關(guān)蛋白(糖酵解和三羧酸循環(huán)相關(guān)酶等)及脅迫響應(yīng)和保護相關(guān)蛋白(蛋白激酶等)的表達，繼而緩解氧化脅迫，改善鹽脅迫下水稻幼苗地下部分和地上部分的生長，積累更多的生物量.

5 總結(jié)與展望

H2S與其他信號分子(如Ca2+、ROS、NO和MG等)相似，具有雙重作用，即高濃度下是細胞毒害劑，低濃度下是信號分子.作為信號分子的H2S在植物體內(nèi)可通過酶促和非酶促途徑進行代謝，以維持它的穩(wěn)態(tài)和觸發(fā)下游信號途徑.H2S不僅可獨立作用，也可通過與其他信號分子(如Ca2+、ROS、NO和MG等)交互作用，形成信號網(wǎng)絡(luò)，繼而調(diào)控種子的萌發(fā)與幼苗的生成、植物的生長與發(fā)育、生殖與衰老以及植物對逆境脅迫的響應(yīng)與適應(yīng).最新的研究表明，H2S引發(fā)蛋白質(zhì)過硫化作用(一種新的翻譯后修飾)，繼而改變蛋白的構(gòu)象、活性、穩(wěn)定性和細胞定位，這可能是它作為信號分子調(diào)控植物生理生化過程的重要手段.雖然H2S信號近幾年來在植物體中的研究取得了很大發(fā)展，但許多科學問題也需要進一步闡明：(1)隨著組學的發(fā)展，H2S處理提高植物不同耐逆性中的轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組和表型組的變化及差異，以及其提高植物耐逆性的分子機制，需要進一步研究；(2)H2S與其他信號分子(如Ca2+、ROS、NO、MG、環(huán)核苷酸、脂信號和糖信號等)的交互作用，以及交互作用形成的信號網(wǎng)絡(luò)有待于進一步補充和完善；(3)H2S作為信號分子，能導(dǎo)致某些蛋白的過硫化，這些蛋白是否就是它的受體也需要確認；(4)H2S調(diào)控種子萌發(fā)、生長發(fā)育及形態(tài)建成的分子機制也有待于進一步解析.