植物響應(yīng)低硫脅迫的分子生物學(xué)機(jī)制研究進(jìn)展

黃麗雅，李方劍，張亞楠，麥翠珊，王金祥

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/根系生物學(xué)研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510642）

硫(S)是植物生長(zhǎng)和發(fā)育所必需的大量元素之一。植物維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和基本生理生化功能都需要含硫化合物，如半胱氨酸(cysteine, Cys)、蛋氨酸(methionine, Met)、谷胱甘肽(glutathione, GSH)、硫脂以及次生代謝產(chǎn)物的參與，硫在植物抗逆以及提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)方面都具有重要作用[1]。植物的硫營(yíng)養(yǎng)主要來(lái)源于土壤中吸收的硫酸根離子(SO42-)，這些硫酸根離子經(jīng)根表皮細(xì)胞質(zhì)膜吸收后，通過多重跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)降厣喜縖2]。在這一過程中，硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)子(蛋白)是必需的載體。研究表明硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)硫的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，在質(zhì)體中硫的同化、液泡中硫的貯存以及在不同器官間運(yùn)輸方面都起重要作用[3-5]。

缺硫會(huì)影響植物體中硫酸鹽庫(kù)的利用，進(jìn)而抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育[6]。因此，植物如何感應(yīng)硫信號(hào)，如何應(yīng)對(duì)低硫脅迫來(lái)維持自身生長(zhǎng)發(fā)育的分子機(jī)制一直是硫營(yíng)養(yǎng)的研究熱點(diǎn)。本文圍繞植物響應(yīng)低硫脅迫的分子生物學(xué)機(jī)制展開討論。

1 硫?qū)χ参锷L(zhǎng)發(fā)育的生理作用

硫在植物生長(zhǎng)發(fā)育方面起重要的作用。植物缺乏硫會(huì)導(dǎo)致一系列的生理問題。例如，缺硫會(huì)導(dǎo)致植物氧化應(yīng)激反應(yīng)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的改變以及DNA的損傷，進(jìn)而會(huì)干擾酶的生理活性、膜功能、蛋白質(zhì)合成和氣孔運(yùn)動(dòng)，最終導(dǎo)致植物生長(zhǎng)發(fā)育遲緩及種子產(chǎn)量、質(zhì)量、活力下降[7-8]。

硫在植物光合作用中也起著非常重要的作用。硫會(huì)影響葉綠體的形成及其功能，缺硫會(huì)改變?nèi)~綠體中基粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致葉綠體發(fā)育不良[9]；缺硫?qū)χ参锏母?、葉以及種子也都有影響(圖1)。值得注意的是，低硫條件下葉片、種子和根中O-乙酰絲氨酸(O-acetylserine, OAS)的生成都顯著增加，一些相關(guān)基因受到上調(diào)或者下調(diào)。

圖1 硫缺乏對(duì)植物主要器官的影響[10]Fig. 1 Effects of sulfur deficiency on major plant organs

2 植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)硫及相關(guān)分子機(jī)制

植物從土壤中攝取硫需要特異的硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[11-12]。位于根細(xì)胞膜的高親和硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)子負(fù)責(zé)將土壤中的硫酸根轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)膜內(nèi)，部分硫酸根可進(jìn)入液泡進(jìn)行儲(chǔ)存，部分進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)體進(jìn)行同化，合成Cys；部分硫酸根經(jīng)木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部，部分進(jìn)入葉綠體進(jìn)行還原，轉(zhuǎn)變?yōu)镾2-、Cys以及還原型GSH，硫酸根離子再通過韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)到根部(圖2)。

圖2 植物體內(nèi)硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)Fig. 2 Sulfate transport in plants

硫酸根離子在細(xì)胞質(zhì)、質(zhì)體以及儲(chǔ)存在液泡中含量的多少，與位于細(xì)胞膜、質(zhì)體包膜以及液泡膜上相關(guān)硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族的表達(dá)水平和功能緊密相關(guān)。不同家族類型的硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)及其調(diào)控需要在特定的器官、細(xì)胞或者亞細(xì)胞器進(jìn)行，才能實(shí)現(xiàn)硫穩(wěn)態(tài)的維持(圖2)。

2.1 硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在硫酸鹽的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)過程中起著重要的作用。模式植物擬南芥硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)子基因家族有12個(gè)成員，這12個(gè)基因可以被分為SULTR1、SULTR2、SULTR3和SULTR4亞家族。擬南芥SULTR1亞家族包括了SULTR1;1、SULTR1;2和SULTR1;3，SULTR2亞家族包括SULTR2;1和SULTR2;2，SULTR3亞家族則由SULTR3;1、SULTR3;2、SULTR3;3、SULTR3;4和SULTR3;5組成，SULTR4亞家族包含SULTR4;1和SULTR4;2[13]。SULTR1型的硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是高親和力的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，與土壤中的硫酸鹽吸收密切相關(guān)[12]，其中SULTR1;1和SULTR1;2是硫酸鹽吸收過程中最主要的轉(zhuǎn)運(yùn)子，主要在根毛、根表皮和皮層細(xì)胞表達(dá)[14]。而SULTR1;3則主要在韌皮部起作用[15]。SULTR2型包括兩個(gè)低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，主要負(fù)責(zé)將硫酸鹽運(yùn)至木質(zhì)部，繼而實(shí)現(xiàn)硫酸鹽從根到莖的轉(zhuǎn)運(yùn)[11]。SULTR3型中的SULTR3;1定位于葉綠體，并且參與跨葉綠體膜的硫酸鹽吸收。SULTR4型的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白都是液泡膜定位轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，液泡是細(xì)胞中儲(chǔ)存硫酸鹽的主要部位[5]。

2.2 硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因?qū)Φ土蛎{迫的響應(yīng)

在低硫脅迫下，硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后層面受到精準(zhǔn)調(diào)控[14]。擬南芥高親和的SULTR1;2型轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因受低硫誘導(dǎo)，使植物對(duì)硫酸鹽的吸收能力提高[7]。SULTR1;1型轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因啟動(dòng)子區(qū)域存在響應(yīng)硫的順式作用元件SURE (sulfur-responsive element)，因此SULTR1;1在擬南芥根的表皮和皮層細(xì)胞也受高度誘導(dǎo)[16]。在根和葉中，低硫?qū)ULT2;1表達(dá)的影響是相反的，在葉中受低硫抑制，而在根中受低硫強(qiáng)烈誘導(dǎo)[11]。葉綠體中能攝取硫酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白一半以上屬于SULTR3型轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，這些蛋白同時(shí)還對(duì)下游的硫酸鹽同化和脫落酸的生物合成起著重要的調(diào)節(jié)作用[17]。有研究表明，在SULTR3單敲除突變體的葉綠體中硫酸鹽的吸收減少，表明這些硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與葉綠體硫酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)[18]。SULTR4與SULTR3兩者之間相互協(xié)作來(lái)增加硫酸鹽從液泡中流出的能力[5]。

硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因在轉(zhuǎn)錄水平受轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控。轉(zhuǎn)錄因子SLIM1(EIL3)可結(jié)合在硫轉(zhuǎn)運(yùn)子基因的啟動(dòng)子上促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄[19]。是否還存在其他的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)硫轉(zhuǎn)運(yùn)子基因的轉(zhuǎn)錄值得研究。有研究表明，控制硫轉(zhuǎn)運(yùn)子基因的轉(zhuǎn)錄水平還可以改良作物生產(chǎn)。在煙草中過表達(dá)大豆硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)子GmSULTR1;2b不僅可以在硫充足的條件下提高煙草產(chǎn)量，還可以提高植物對(duì)硫脅迫的耐受性[20]。

硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因在轉(zhuǎn)錄后水平受到調(diào)控。miR395是一個(gè)經(jīng)典的受低硫誘導(dǎo)的miRNA，miR395的靶基因是SULT2;1、ATPS1和ATPS4。低硫脅迫下，在葉部MIR395基因的表達(dá)增強(qiáng)，導(dǎo)致SULT2;1基因轉(zhuǎn)錄水平下降；而在根部，因?yàn)镸IR395基因主要在韌皮部伴胞細(xì)胞表達(dá)，所以對(duì)SULT2;1基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控程度較小，SULT2;1在根中還是受低硫高度誘導(dǎo)表達(dá)[21]。除miR395外，還有miR160、miR164、miR167、miR169、miR173、miR319 和miR403等受低硫誘導(dǎo)，但具體作用機(jī)理還不清楚。

硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在表觀遺傳層面受到調(diào)控。擬南芥基因AT1G36370(MORE SULPHUR ACCUMU LATION1，MSA1)最初被注釋為編碼絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶(serine hydroxymethyl transferase)，但后面研究證明MSA1編碼的蛋白沒有絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶的活性。msa1突變體在正常硫條件下也會(huì)出現(xiàn)缺硫的反應(yīng)，如硫酸根轉(zhuǎn)運(yùn)子SULTR1;1和SULTR1;2轉(zhuǎn)錄水平增加，導(dǎo)致葉過多積累硫；深入分析發(fā)現(xiàn)，msa1突變體中SULTR1;1基因啟動(dòng)子區(qū)SURE元件的DNA甲基化程度下降[22]。

3 硫的同化

如圖3所示，硫以硫酸根離子的形式進(jìn)入植物體內(nèi)，在ATP硫酸化酶(ATPS)的作用下先變成5′-磷酸硫酸腺苷(APS)，接著經(jīng)過腺苷5′-磷硫酸還原酶(APR)的還原形成亞硫酸根離子(SO32-)，SO32-可用來(lái)合成硫脂，合成硫脂途徑在硫缺乏時(shí)UDP-葡萄糖焦磷酸化3 (UDP-glucose pyrophosphorylase3, UGP3)和磺基喹二酰基甘油合酶(sulfoquinovosyldiacylglycerol synthase, SQD2)的表達(dá)受到抑制，導(dǎo)致總磺基喹二酰基甘油(SQDG)減少[23]。SO32-再經(jīng)過APR以及亞硫酸鹽還原酶(sulfite reductase, SiR) 還原為硫化物，最后被乙酰絲氨酸硫醇裂解酶( OASTL ) 轉(zhuǎn)變?yōu)镃ys[24]。Cys可用于合成Met，Met進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為S-腺苷蛋氨酸(SAM)，而SAM是乙烯、維生素B以及多胺合成的前體。Cys還可合成GSH，GSH經(jīng)植物螯合肽合酶(PCS)合成植物螯合肽，可以用來(lái)解鎘毒[25]，同時(shí)GSH還可以在多步合成機(jī)制下合成甘氨酸(Gly)、Cys、谷氨酸(Glu)。此外，硫酸根離子還可以在細(xì)胞質(zhì)同化為APS，3′-磷酸腺苷5′-磷酸硫酸鹽(PAPS)以及其他含硫化合物。PAPS在SOT17、SOT18的作用下形成脂肪類硫代葡萄糖苷(GSL)，在SOT16的作用下形成吲哚類GSL，它們都可以進(jìn)入液泡；缺硫時(shí)GSLs在硫代糖苷酶BGLU28、BGLU30的催化下分解，生成SO42-并從液泡中釋放，補(bǔ)給植物所需SO42-[26]。

圖3 硫酸鹽體內(nèi)同化途徑[10]Fig. 3 Sulfate assimilation pathways in vivo

轉(zhuǎn)錄因子SLIM1促進(jìn)SDI1(Sulfur Deficiency Induced 1)的轉(zhuǎn)錄，而SDI1進(jìn)入細(xì)胞核與MYB28互作，進(jìn)而抑制MYB28與下游基因啟動(dòng)子元件的結(jié)合，從而減少GSL合成，降低硫的消耗。此外，SLIM1可促進(jìn)BGLU28的轉(zhuǎn)錄以及MIR395的表達(dá)。

硫酸鹽同化吸收的調(diào)控不僅受限于APR，如果在硫酸鹽充足的環(huán)境條件下，還可以觀察到不同酶之間的相互調(diào)控[27]。

4 植物響應(yīng)低硫脅迫的生理和分子機(jī)制

4.1 植物響應(yīng)低硫脅迫的相關(guān)生理機(jī)制

在代謝方面，GSL是十字花科植物體內(nèi)富含硫的次生代謝產(chǎn)物，對(duì)預(yù)防植物蟲害和病原體侵害起重要作用。低硫會(huì)導(dǎo)致植物GSL合成減少，分解增加[10]，此時(shí)要維持生長(zhǎng)需依賴于兩種β-葡萄糖苷酶，即BGLU28和BGLU30，它們促進(jìn)GSL分解，釋放硫[28]。當(dāng)植物處于硫缺乏狀態(tài)下，GSL生物合成基因被普遍下調(diào)，而控制硫酸鹽的吸收和同化的基因則被上調(diào)[29]。

還有研究表明，硫缺乏時(shí)，擬南芥通過上調(diào)SDI1和SDI2轉(zhuǎn)錄來(lái)抑制脂肪族GSL生物合成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，繼而降低GSL的生物合成來(lái)減少對(duì)硫的消耗。因此在缺硫條件下，植物會(huì)優(yōu)先使用硫酸鹽的初級(jí)代謝物[10,30]。擬南芥中參與GSL調(diào)控的3個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子MYB28(AT5G61420)、MYB29(AT5G07690)和MYB76(AT5G07700)的轉(zhuǎn)錄水平在低硫脅迫時(shí)下降，可能與減少GSL的合成有關(guān)[31]。

低硫增加植物ATPS基因的轉(zhuǎn)錄水平和蛋白表達(dá)量，外施GSH抑制ATPS的轉(zhuǎn)錄水平和酶活性。ATPS2是擬南芥ATPS基因家族成員中唯一的非miR395靶基因，ATPS1、ATPS3和ATPS4的表達(dá)調(diào)控對(duì)于調(diào)節(jié)APS生物合成以及響應(yīng)硫酸鹽供應(yīng)都起到了重要作用。低硫條件下，SiR的表達(dá)量顯著增加，同時(shí)SiR可能通過清除潛在的有害硫化物來(lái)保護(hù)ctDNA免受氧化損傷[32]；GSH1、GPX1和DHAR3以及參與GSH轉(zhuǎn)化為R-S-谷胱甘肽的幾種酶在低硫條件下含量都較低[31]。

4.2 植物響應(yīng)低硫脅迫的分子機(jī)制

4.2.1 植物營(yíng)養(yǎng)元素感受器與低硫脅迫響應(yīng) 最近的研究揭示了一些潛在的植物營(yíng)養(yǎng)元素感受器(sensor)。如NRT1.1 (NPF6.3/CHL1)可能是硝酸鹽感受器[33]，SPX可能是細(xì)胞內(nèi)磷感受器[34]，IRT1可能是鐵感受器[35]，轉(zhuǎn)錄因子bZIP19和bZIP23可能是鋅感受器[36]，BOR1可能是硼的感受器[37]。不難發(fā)現(xiàn)，有些上述感受器是轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，因此被命名為轉(zhuǎn)運(yùn)受體(transceptor)，即具有轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和受體的雙重功能。

植物體內(nèi)可能存在硫的感受器。有人提出，酵母硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Sul1和Sul2可能是感受胞外硫酸鹽濃度的感受器，擬南芥SULTR1;2可能是硫感受器。酵母雙雜交發(fā)現(xiàn)，在OAS存在的條件下，OASTL可以與SULTR1;2的STAS結(jié)構(gòu)域互作。半胱氨酸復(fù)合體(cysteine synthase complex,CSC) 由OASTL與SAT (Ser acetyltransferase, 絲氨酸乙?；D(zhuǎn)移酶)在細(xì)胞質(zhì)相互結(jié)合組成。缺硫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)OAS的過度積累，OAS可誘導(dǎo)硫響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)CSC復(fù)合體的解體，停止OAS的合成，從CSC釋放出的OASTL與SULTR1;2結(jié)合[15]。因此OAS在植物硫營(yíng)養(yǎng)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方面起重要作用。

4.2.2 低硫脅迫相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的作用機(jī)制 在硫缺乏條件下植物會(huì)通過改變眾多基因表達(dá)來(lái)改變硫代謝的過程。SLIM1是一個(gè)在擬南芥中與耐硫脅迫相關(guān)十分重要的轉(zhuǎn)錄因子。SLIM1主要控制根部基因?qū)Φ土蛎{迫的響應(yīng)，而在葉中，超過50%的基因?qū)α虻捻憫?yīng)是不依賴于SLIM1和EIL1的。SLIM1和EIN3同屬一個(gè)蛋白家族，EIN3可以與SLIM1形成異源二聚體，從而抑制SLIM1與下游硫響應(yīng)基因啟動(dòng)子的結(jié)合，因此在低硫條件下，擬南芥ein3-1突變體內(nèi)硫響應(yīng)基因的表達(dá)水平比野生型的還要高[38]。

最近研究揭示，EIL1是調(diào)節(jié)硫缺乏反應(yīng)的另一重要轉(zhuǎn)錄因子，也屬于SLIMI/EIL3家族成員之一。RNA-seq分析顯示EIL1對(duì)調(diào)節(jié)硫缺乏反應(yīng)有增效作用，但也發(fā)現(xiàn)了一些特定受EIL1調(diào)節(jié)的基因，擬南芥根中有6.9% 基因(23個(gè))和葉中33%基因(420個(gè))受低硫調(diào)控，但不受 SLIM1 或 EIL1 調(diào)控[39]。這表明還有其他的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)植物低硫脅迫反應(yīng)。

光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)成員HY5 (LONG HYPOCOTYL5)是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，HY5結(jié)合在APR1和APR2啟動(dòng)子上促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄[40]。這說明硫營(yíng)養(yǎng)和光信號(hào)間存在聯(lián)系。Whirly1被鑒定為控制擬南芥和大麥葉綠體到細(xì)胞質(zhì)信號(hào)以及葉片衰老開始的重要因子[41]。轉(zhuǎn)錄因子Whirly1蛋白水平在低硫條件下顯著降低，說明Whirly1可能調(diào)節(jié)擬南芥對(duì)低硫的響應(yīng)[31]。值得注意的是，PHR1是植物應(yīng)答低磷脅迫的關(guān)鍵MYB類轉(zhuǎn)錄因子，其啟動(dòng)子區(qū)域存在光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)成員FHY3 (far-red elongated hypocotyl 3 )的結(jié)合元件FBS (CACGCGC)，在AtPHR15′-UTR存在EIN3的結(jié)合元件EBS。相應(yīng)地，F(xiàn)HY3和EIN3正調(diào)控AtPHR1的表達(dá)[42]。因此不難理解，光和乙烯通過影響PHR1的表達(dá)而調(diào)節(jié)植物磷營(yíng)養(yǎng)。至于光和乙烯是否通過影響PHR1的表達(dá)而調(diào)節(jié)硫營(yíng)養(yǎng)還不清楚。

植物對(duì)低硫脅迫的響應(yīng)在表觀遺傳學(xué)層面同樣受到調(diào)節(jié)。MSA1基因受低硫脅迫高度誘導(dǎo)，MSA1蛋白位于細(xì)胞核，對(duì)于SAM產(chǎn)生和DNA甲基化是必需的。因此，在msa1突變體中，硫相關(guān)的代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)以及同化的相關(guān)基因，例如GSL合成與分解相關(guān)基因，BGLU、SDI、APR3和ATPS4都會(huì)發(fā)生DNA甲基化水平的改變。這些結(jié)果說明MSA1通過參與SAM的合成影響全基因組DNA的甲基化[24]。

4.2.3 其他低硫脅迫的響應(yīng)因子 TOR (target of rapamycin)是細(xì)胞自噬(autophagy)負(fù)調(diào)節(jié)因子。缺硫時(shí)，擬南芥葡萄糖的代謝下調(diào)，導(dǎo)致TOR的活性下降，繼而引起核糖體翻譯水平下降，分生組織活動(dòng)降低，細(xì)胞自噬增加以適應(yīng)低硫脅迫[43]。

當(dāng)受到硫脅迫的植物重新得到外源硫的補(bǔ)給時(shí)，硫缺乏的標(biāo)記響應(yīng)基因其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物會(huì)被迅速降解，但是在恢復(fù)的過程中，由哪些酶來(lái)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的降解目前尚不清楚[8]，這也是未來(lái)的研究方向之一。表1列出了植物遭受低硫脅迫時(shí)一些會(huì)參與低硫脅迫響應(yīng)相關(guān)的酶類和相關(guān)基因。

表1 硫代謝過程中重要的基因Table 1 Important genes in sulfur metabolism

5 硫與其他養(yǎng)分的互作

硫在植物體內(nèi)的吸收、同化、代謝的調(diào)控機(jī)制很復(fù)雜，受其他養(yǎng)分因子的影響。

5.1 硫與氮的相互作用

在氮硫營(yíng)養(yǎng)同時(shí)缺乏的情況下，玉米的產(chǎn)量受到影響。通過玉米的田間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在低氮和低硫的情況下，產(chǎn)量差距與氮硫缺乏程度呈負(fù)相關(guān)，但與養(yǎng)分利用效率呈正相關(guān)[50]。研究表明，施氮可以增加硫元素的含量及其吸收利用率，但是增加施硫量卻不影響玉米中氮相關(guān)值的變化。硫和氮的相互作用對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)以及提高養(yǎng)分利用率有重要的影響[51]。轉(zhuǎn)錄以及代謝層面也存在氮硫間的相互作用。低硫會(huì)抑制硝酸鹽的吸收和還原，反之硝酸鹽缺乏同樣也會(huì)抑制硫酸鹽的吸收和還原速率[52]。

5.2 硫與磷的相互作用

目前為止，對(duì)磷與硫在植物體內(nèi)相互作用的研究較少。通過對(duì)山龍眼科植物(Hakea prostrata)的研究發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)格控制硫的供應(yīng)可以滿足葉片中有機(jī)磷庫(kù)的需求。H.prostrata在低硫條件下積累精氨酸、賴氨酸和OAS，蛋白含量下降，從而降低對(duì)核糖體RNA (rRNA)的需求，減少對(duì)磷的需求[53]。這有助于植物在低磷環(huán)境下生存。

在低硫條件下，擬南芥木質(zhì)部中的Pi吸收增加，導(dǎo)致其地上部的Pi積累增加，說明低硫可以促進(jìn)磷從地下部到地上部的運(yùn)輸，并且此過程需要PHO1和 PHT1;9的參與[54]。此外，植物的硫酸鹽從葉到根的轉(zhuǎn)移受PHR1基因調(diào)控，是由于硫轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因啟動(dòng)子上存在PHR1的結(jié)合靶點(diǎn)，即P1BS元件[55]，因此，PHR1可通過調(diào)節(jié)硫轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的轉(zhuǎn)錄而影響硫的吸收。

5.3 硫與有毒元素的相互作用

近年來(lái)有研究發(fā)現(xiàn)，不僅硫酸鹽會(huì)影響MIR395的表達(dá)，鋁毒也能誘導(dǎo)MIR395的表達(dá)，從而抑制SULTR2;1的作用。在生理層面，三價(jià)有毒鋁(Al3+)含量較高的土壤會(huì)阻礙根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，而硫酸根可以與之形成硫酸鋁，起到解鋁毒的作用[7]。

鎘作為有毒微量元素，當(dāng)其游離于土壤中時(shí)會(huì)增強(qiáng)并誘導(dǎo)硫同化酶的表達(dá)，還能促進(jìn)根部對(duì)硫酸鹽的吸收。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鎘處理會(huì)上調(diào)野生型擬南芥SULTR1;2的表達(dá)，增加對(duì)硫酸鹽的吸收，不僅如此，用CdCl2處理的植物會(huì)在極大程度上改變硫酸鹽向葉片分配的情況[56]。

利用SULTR1;1和SULTR1;2雙突變體研究發(fā)現(xiàn)，硫缺乏可能會(huì)影響砷元素從根到莖的轉(zhuǎn)移及其代謝[57]。水稻astol1(arsenite tolerant 1)突變體是一種功能獲得型突變體。ASTOL1編碼一個(gè)定位葉綠體的OASTL酶，可以增加硫的吸收和同化，增加對(duì)砷的耐受性，減少砷在水稻種子的積累[58]。說明從合成生物學(xué)的角度出發(fā)，通過基因編輯調(diào)節(jié)硫營(yíng)養(yǎng)可改善植物的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，減少有毒元素砷在人體的積累。

5.4 硫與其他有益微量元素間的相互作用

多項(xiàng)研究表明，鐵與硫息息相關(guān)，這兩種營(yíng)養(yǎng)元素在維持植物體內(nèi)元素穩(wěn)態(tài)方面有共同的調(diào)節(jié)機(jī)制[59]。硬質(zhì)小麥如果缺鐵，相關(guān)基因的誘導(dǎo)響應(yīng)模式類似對(duì)硫缺乏的響應(yīng)模式；而番茄缺鐵時(shí)，一些硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相關(guān)基因會(huì)得到明顯的上調(diào)表達(dá)[60]。

硫與硅之間同樣也有相互作用，研究表明，經(jīng)過低硫脅迫和滲透脅迫的共同作用，硅會(huì)在轉(zhuǎn)錄水平上誘導(dǎo)硫轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因HvST1;1的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)硫代謝，從而促進(jìn)SO42-的吸收[61]。

施硫有助于提高水稻生物量和產(chǎn)量，同時(shí)還能促進(jìn)銅從根部轉(zhuǎn)運(yùn)到芽再到籽粒的相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)子表達(dá)，導(dǎo)致籽粒銅含量的提升[62]。

6 植物激素調(diào)節(jié)硫營(yíng)養(yǎng)的機(jī)制

已有研究揭示，植物激素生長(zhǎng)素、乙烯、茉莉酸(jasmonic acid, JA)、細(xì)胞分裂素(cytokinin,CTK)、脫落酸(absicisic acid, ABA)等都參與植物硫營(yíng)養(yǎng)的調(diào)節(jié)與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

6.1 生長(zhǎng)素與硫營(yíng)養(yǎng)

硫酸鹽缺乏會(huì)誘導(dǎo)與色氨酸和生長(zhǎng)素代謝有關(guān)的基因表達(dá)。生長(zhǎng)素還能導(dǎo)致與植物防御有關(guān)的茉莉酸酯生物合成。

硫營(yíng)養(yǎng)還會(huì)影響生長(zhǎng)素的產(chǎn)生。在缺硫的情況下，擬南芥的硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因NIT3的活性大幅度增強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生更多的生長(zhǎng)素，繼而使得側(cè)根的生長(zhǎng)得到促進(jìn)，這樣就可以使根系更多地吸收硫[63]。

6.2 乙烯與硫營(yíng)養(yǎng)

當(dāng)植物面對(duì)各種脅迫條件時(shí)，乙烯的生物合成會(huì)顯著增加[64]。乙烯的合成途徑與硫同化途徑有一定聯(lián)系。有研究表明，低硫脅迫下，乙烯可調(diào)節(jié)油菜中的硫轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)來(lái)改善油菜生長(zhǎng)狀況，主要表現(xiàn)為改善油菜的葉片顏色、光合作用以及乙烯合成相關(guān)酶基因表達(dá)[65]。在分子層面，SLIM1是乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的重要轉(zhuǎn)錄因子[38]，在低硫脅迫下，SLIM1和乙烯受體之間可能會(huì)發(fā)生串?dāng)_。根據(jù)前文所述，乙烯生產(chǎn)和硫同化途徑密切相關(guān)，并共享一些代謝物。研究表明，乙烯的產(chǎn)生受到含有硫酸化酪氨酸的生長(zhǎng)因子—植物磺基激酶PSK的抑制。此外，乙烯刺激參與硫同化的幾種酶的活性[66]。

6.3 脫落酸(ABA)與硫營(yíng)養(yǎng)

硫脅迫會(huì)促進(jìn)植物氣孔關(guān)閉，同時(shí)，在干旱脅迫條件下，ABA是氣孔關(guān)閉的觸發(fā)因子。在受到脅迫時(shí)，硫酸鹽和硫化物會(huì)刺激Cys的合成，繼而誘發(fā)ABA的產(chǎn)生，誘導(dǎo)植物氣孔關(guān)閉[67]。Cys有助于ABA的生物合成、誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，暗示了硫營(yíng)養(yǎng)對(duì)于植物水分生理的重要性[68]。

6.4 細(xì)胞分裂素(CTK)與硫營(yíng)養(yǎng)

CTK通過一系列磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)與各種轉(zhuǎn)錄因子相互作用，來(lái)調(diào)節(jié)靶向基因的表達(dá)[69]。研究表明，EIN3基因參與CTK信號(hào)負(fù)調(diào)節(jié)A型ARR基因的表達(dá)，可以抑制CTK的生成[70]。因此缺硫脅迫下，通過EIN3不僅影響了硫轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性，還影響了CTK的合成，從而調(diào)控對(duì)硫的吸收和同化。

6.5 茉莉酸(JA)與硫營(yíng)養(yǎng)

JA廣泛調(diào)控植物生長(zhǎng)、發(fā)育和防御反應(yīng)，增強(qiáng)植物對(duì)各種脅迫環(huán)境的抵抗力[71]。不僅如此，JA會(huì)影響硫代謝途徑中GSL的生物合成。通過用不同信號(hào)分子處理，發(fā)現(xiàn)乙烯對(duì)擬南芥中JA誘導(dǎo)的基因表達(dá)產(chǎn)生負(fù)面影響；內(nèi)源性水楊酸水平升高會(huì)拮抗JA依賴性的吲哚硫代葡萄糖苷的合成，但不會(huì)消除對(duì)JA響應(yīng)[72]。這一系列試驗(yàn)表明，JA與硫營(yíng)養(yǎng)的相互作用還涉及了其他生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)，它們之間形成一個(gè)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，共同調(diào)控硫的代謝。

6.6 其他生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)與硫營(yíng)養(yǎng)

當(dāng)植物處于硫脅迫狀態(tài)時(shí)，褪黑素(melatonin,MT) 能減少植物中活性氧(ROS)的積累，繼而減輕對(duì)細(xì)胞大分子以及超微結(jié)構(gòu)的損傷。不僅如此，MT還能通過調(diào)節(jié)參與硫運(yùn)輸和代謝相關(guān)基因的表達(dá)促進(jìn)硫的吸收和同化[73]。缺乏MT的植物體內(nèi)硫的積累會(huì)減少，會(huì)加劇Cd的毒性，但外源性MT可以增加植物體內(nèi)硫的吸收和同化，這樣就能改善植物的生長(zhǎng)并提高對(duì)Cd的耐受性[74]。

7 總結(jié)與展望

硫?qū)χ参锏纳L(zhǎng)發(fā)育有重大影響。在低硫脅迫的條件下，硫的吸收、同化和代謝環(huán)節(jié)會(huì)受到嚴(yán)密調(diào)控，以減緩硫脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的損害。研究發(fā)現(xiàn)，硫脅迫在不同程度上上調(diào)或下調(diào)某些與硫吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、同化相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄或蛋白的翻譯及降解，從而改變植物對(duì)硫的吸收利用，維持植物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高硫的吸收和利用效率。

但目前為止，在轉(zhuǎn)錄水平是否還有其他轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控植物低硫脅迫響應(yīng)還待挖掘；在轉(zhuǎn)錄后水平，是否存在新的miRNA可以調(diào)控硫響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄本豐度；在翻譯后水平，轉(zhuǎn)運(yùn)子是如何被定位、修飾和降解；在表觀遺傳層面，DNA甲基化、組蛋白修飾以及RNA修飾如何調(diào)節(jié)硫的吸收和同化相關(guān)基因和蛋白的活動(dòng)；以及硫與其他養(yǎng)分互作的分子機(jī)制等很多細(xì)節(jié)還不清楚。深入研究和回答這些科學(xué)問題，將是今后解析植物硫營(yíng)養(yǎng)分子生物學(xué)機(jī)制的研究重點(diǎn)。