新型气体信号分子H2S在植物中的研究进展

摘要：硫化氢（hydrogen sulfide， H2S）是新近发现的一种多功能气体信号分子，最初认为其对植物有害，但近期研究表明，低浓度的h2s可对植物的生长发育及外界逆境胁迫响应产生多方面的积极影响。本文综述了H2S在植物体内的产生途径及其生理功能，包括对离子、盐、干旱、逆温等非生物胁迫的响应及对气孔运动、生长发育、种子萌发等生理过程的调控，并对其研究前景进行了展望。

关键词：硫化氢；气体信号分子；非生物胁迫；植物

中图分类号：S184文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）09-0151-07

AbstractHydrogen sulfide （H2S）， a recent discovered gas signal molecule with multifunction， has long been considered as a phytotoxin. While recent researches indicated that H2S played many positive effects on plant physiological processes and the acquisition of plant stress tolerance at low concentration. In this paper， the generation of H2S and its potential physiological functions were summarized， including mediating the responses to abiotic stresses， such as ion， salt， drought， heating and low temperature， and mediating stomatal movements， plant growth and development， and seed germination. Its future prospects were also presented.

KeywordsHydrogen sulfide； Gas signal molecule； Abiotic stress； Plant

硫化氢（hydrogen sulfide， H2S）作为一种无色易燃有臭鸡蛋气味的气体，长久以来被认为危害动植物的生长和发育，但最近医学方面的研究表明，H2S作为重要的信号分子，在调控动物和人体神经系统、消化系统以及心血管系统方面具有重要功能[1，2]。在植物中，H2S的相关研究开展较晚但进展迅速。研究证实，在低浓度下，H2S可作为一种多功能的气体信号分子促进植物的生长发育并调控其对外界生物及非生物胁迫的响应[1]。随着研究的进一步深入，H2S的诸多新功能及其引发的生理效应逐渐引起人们的关注，被认为是继一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）之后的第三种内源性气体信号分子[3]。目前，H2S已成为生物学研究的热点之一。本文对H2S在植物中的最新研究进展进行了综述，以深入探讨H2S的相关作用机制。

1H2S的性质

H2S是一种具有臭鸡蛋刺激性气味的无色可燃有毒气体，分子量为34.09，密度为1.19，沸点是-60.3℃，熔点和冻结点分别为-82.3℃和-86.0℃[4]。H2S是一种水分子的硫类似物，可以通过一系列的氧化反应形成SO2、硫酸及其他硫化合物[1]。温度会影响H2S的溶解度，在室温（20℃）下，1 g H2S可溶解于242 mL水、94.3 mL无水乙醇或48.5 mL乙醚。37℃下H2S可溶于水中成为解离常数（pKa）为6.76的弱酸，既可以解离成H+和HS-，又可以解离成H+和S2-，水解平衡反应为H2SH++HS-2H++S2-[1]。H2S具高度亲脂性，可以自由通过细胞膜，也相对容易从溶液中蒸发，但是离子态的HS-不能自由通过细胞膜[1，5]。

2植物中H2S的产生

作为一种内源性的气体信号分子，H2S在黄瓜、南瓜、大豆、棉花等很多植物中都可检测到[1]。当植物叶片喷施过量的硫源，如硫酸盐、亚硫酸盐、半胱氨酸或SO2等，或当根系遭受机械伤害时，H2S的产生量大大增加；相比老叶，嫩叶可释放更多H2S[6]。

植物内源H2S的来源主要有：通过半胱氨酸脱巯基酶催化半胱氨酸降解生成H2S、丙酮酸盐和NH3；也可以通过叶片吸收大气中的H2S；或者在亚硫酸盐还原酶的作用下，将SO32-直接还原生成H2S；硫酸盐、亚硫酸盐、半胱氨酸、SO2和以羰基相连的含硫化合物均可作为H2S合成的底物[7]。研究表明，植物中半胱氨酸合成和降解酶类，如O-乙酰基-L-丝氨酸（硫醇）裂解酶（O-acetyl-L-serine （thiol） lyase， OAS-TL）、L-半胱氨酸脱巯基酶（L-cysteine desulfhydrase， L-CD）和3-巯基丙酮酸硫基转移酶（3-mercaptopyruvate sulfurtransferase， MS）与H2S的产生密切相关。当植物遭受病原体侵染时，L-CD活性和表达水平上调，是植物应激反应中释放H2S的重要因子[1]。目前，在拟南芥中已经克隆了一些与H2S产生直接相关的编码基因，包括以L-半胱氨酸为底物的L-CD编码基因（At3g62130）和以D-半胱氨酸为底物的D-半胱氨酸脱巯基酶1（D-CD1）编码基因（At1g48420）[7，8]。L-CD和D-CD1是目前植物内源H2S产生过程中功能最明确的两个酶[1，6]，二者最适pH值不同，对抑制剂的敏感度也有差别，且具有不同的底物专一性，在H2S释放过程中，D-CD1只分解D-半胱氨酸而不分解L-半胱氨酸[9]。

3H2S在植物非生物胁迫下的作用

植物在生长发育过程中会遭受各种生物及非生物胁迫，其中非生物胁迫主要包括重金属、盐害、干旱、逆温和机械伤害等[10，11]。本文主要探讨H2S作为气体信号分子对各种非生物胁迫的调控机制。

3.1H2S与干旱胁迫

干旱胁迫，即水分缺失，是限制植物生长、发育和产量的最重要的环境因素之一。研究表明，NaHS预处理显著降低干旱胁迫诱导的小麦幼苗MDA含量和电解质渗漏，并提高抗氧化酶（如APX、谷胱甘肽还原酶、脱氢抗坏血酸还原酶和γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶）的活性和还原型抗坏血酸、还原型谷胱甘肽总抗坏血酸和总谷胱甘肽的含量[12]。对干旱胁迫下拟南芥H2S生成相关基因的表达调控及相互关系进行研究，结果表明L-CD/D-CD1基因的表达模式与脱水诱导的干旱相关基因类似，而且H2S熏蒸处理能进一步刺激干旱相关基因的表达[13]。此外，干旱胁迫能显著诱导H2S含量的增加，而复水可逆转该过程；与对照相比，NaHS处理后幼苗的气孔孔径大幅减小，存活率显著提高[13]。

另有研究表明，PEG-6000模拟渗透胁迫下，随着渗透胁迫的增强，小麦种子的发芽率逐渐下降，NaHS处理能以剂量依赖的方式促进小麦种子在渗透胁迫下的萌发；而Na+和各种含硫成分（包括S2-、SO42-、SO32-、HSO4-和HSO3-）处理均不能提高小麦种子的萌发率，这表明NaHS释放的H2S或HS-对渗透胁迫下小麦种子的萌发具有保护作用[14]。进一步研究表明，NaHS处理能够显著提高小麦种子中CAT和APX活性，抑制脂氧合酶活性，降低MDA含量和H2O2的积累；并维持渗透胁迫下种子内源性H2S含量处于高水平[14]。除此之外，干旱胁迫下NaHS处理可提高蚕豆和苏丹凤仙花的相对含水量并缓解植物受到的干旱损害[15]；一定浓度范围的外源H2S能够影响玉米叶片及根系的水分特征，提高玉米叶片及根系的相对含水量，增强玉米幼苗的抗旱性[16]。

3.2H2S与盐胁迫

土壤盐碱化是世界范围内农业面临的主要非生物胁迫之一，盐胁迫常导致渗透胁迫、离子毒害、营养失衡和氧化胁迫。研究表明，NaHS预处理能显著缓解100 mmol/L NaCl胁迫对苜蓿种子萌发和幼苗生长的抑制作用，并提高根部K/Na比率，从而增强对盐胁迫的适应能力。而且，NaHS处理可差异性激活抗氧化酶同工酶或相应转录物活性，包括SOD、CAT、POD、APX等，从而缓解盐胁迫导致的氧化损伤，而加入NO专一性清除剂cPTIO可逆转上述作用，这表明H2S诱导的保护作用可能与内源NO密切相关[17]。此外，对盐敏感的鲁麦15研究表明，不同浓度的外源NaHS （0.01、0.05、0.09、0.13 mmol/L）预处理12 h明显减轻100 mmol/L NaCl胁迫对小麦种子发芽率、发芽指数、活力指数和幼苗生长的抑制，且其缓解作用具有明显的浓度依赖性[18]。

3.3H2S与离子胁迫

离子胁迫，尤其是镉（Cd）、铜（Cu）、汞（Hg）、铅（Pb）等重金属，是危害植物的主要非生物胁迫之一。较低浓度的离子胁迫就会造成过量的活性氧（ROS）积累从而导致氧化胁迫，如脂质过氧化、蛋白氧化、酶失活、DNA损伤等，从而对植物造成伤害[10，19]。研究表明，NaHS预处理可显著缓解铝（Al）对大麦幼苗根系伸长的抑制[20]，并明显减轻Al诱导的柠檬酸分泌、脂质过氧化等氧化胁迫及抗氧化系统激活引起的ROS爆发[19]。在水稻中，NaHS处理可有效缓解铝胁迫，提高植株生长效率如株高、根长、生物量等，并增加叶绿素、可溶性糖和蛋白含量，降低植株对铝胁迫的拮抗作用，从而维持幼苗的正常生长[21]。

在小麦中，外施NaHS可以剂量依赖的方式缓解铬胁迫下小麦种子萌发率的降低，提高淀粉酶、酯酶以及抗氧化酶如SOD、CAT、APX、POD的活性，降低脂氧合酶活性并抑制MDA产生，清除过量的H2O2，并保持较高的内源H2S水平。此外，NaHS也可以剂量依赖的方式减轻铜的抑制作用，NaHS释放的H2S或HS-而不是其他的衍生含硫化合物对促进铜胁迫下小麦种子的萌发具有重要作用。进一步的研究表明，NaHS能提高淀粉酶、酯酶、SOD和CAT活性，降低脂氧合酶活性，降低铜胁迫对胚根尖端细胞膜完整性的伤害，并在种子萌发过程中维持较低的H2O2和MDA水平[22]。而且，NaHS处理可以提高镉胁迫下苜蓿幼苗抗氧化物酶活性，降低MDA含量，缓解镉胁迫导致的氧化损伤，重建还原型谷胱甘肽和ROS代谢的平衡[23，24]。这些结果与铬胁迫下植物的反应相一致。此外，硼可明显抑制黄瓜幼苗根的伸长，增强果胶甲酯酶的活性并上调果胶甲酯酶基因（CsPME）和扩张蛋白基因（CsExp）的表达，而NaHS处理可以明显缓解上述负面效应[25]。

3.4H2S与高温胁迫

全球变暖使得高温成为影响作物的一个重要的环境因子，并严重限制作物产量。高温不仅会直接导致蛋白变性，增加膜脂的流动性，而且会间接损伤叶绿体和线粒体及膜的完整性，最终导致细胞损伤甚至死亡。研究发现，42℃高温胁迫草莓根系8 h，NaHS预处理可显著提高叶片的叶绿素荧光、气孔导度和相对含水量，减少离子渗漏和脂质过氧化[26]。另外，NaHS预处理能显著增加高温胁迫下烟草悬浮培养细胞的存活率以及高温胁迫后的再生能力，同时缓解细胞活力下降，减少电解液的渗漏和MDA的积累[27]。在玉米中，NaHS预处理明显提高高温胁迫下种子的萌发率及幼苗成活率，缓解高温胁迫引起的根系电解质外渗、根系活力的下降及胚芽鞘MDA的积累[28]。

H2S调控植物高温胁迫的过程可能与Ca2+信号转导有关。研究发现，外源Ca2+及离子载体A23187可明显增强NaHS诱导的耐热性，加入Ca2+螯合剂EGTA、细胞膜通道抑制剂La3+以及钙调蛋白（CAM）拮抗剂氯丙嗪（CPZ）和三氟吡啦嗪（TFP）均会减弱植物的耐热性，而加入胞内通道阻断剂钌红（RR）则没有类似效果[27]。此外，脯氨酸参与H2S调控植物高温胁迫的过程。NaHS预处理可提高吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）活性并降低脯氨酸脱氢酶（ProDH）活性，从而诱导玉米幼苗内源脯氨酸的积累。在玉米上应用外源脯氨酸可以提高内源脯氨酸含量，进而增加高温胁迫下幼苗的存活率[28]。上述结果表明，NaHS预处理提高了植物耐热性，而耐热性的增强可能与钙信使系统和脯氨酸的积累密切相关。

3.5H2S与低温胁迫

低温胁迫分为0℃以上的冷害和0℃以下的冻害。低温可造成植株生长发育减缓、MDA和H2O2含量升高，并抑制光合作用，诱发叶片衰老[29]。研究表明，在低温胁迫条件下，外源H2S处理能通过调节白菜幼苗光合作用相关基因的表达，增强叶片光合作用，增加有机物的累积，同时调节叶片细胞的渗透势，减少水分的丧失，提高幼苗对低温胁迫的耐受能力，缓解低温胁迫对白菜幼苗生长的影响[30]。

4H2S在植物组织生长发育中的作用

H2S对植物生长发育的调控作用具有剂量效应，高浓度的H2S具有毒害作用，不仅导致苜蓿、葡萄、生菜等许多植物落叶，而且可以抑制氧的释放和磷等营养物质的吸收，减缓植物生长[1，6]；而低浓度H2S可以促进植物的生长发育及营养物质的吸收[1]。

4.1调节气孔运动

气孔运动是影响植物蒸腾作用的一个关键因素，涉及Ca2+、H2O2、NO和ABA等诸多第二信使的相互作用。研究表明，H2S可能是调节气孔运动的一个重要因子，在气孔运动的信号转导途径中具有重要作用。Lisjak等[4]研究发现，NaHS和H2S缓释供体GYY4137可通过减少NO的积累引起光照条件下拟南芥叶片的气孔开放并抑制黑暗条件下气孔关闭；并且，NaHS与GYY4137可抑制拟南芥叶片中ABA诱导的NO的积累，这表明H2S可能通过抑制NO的产生促进气孔开放[4，31]。

在拟南芥中，H2S清除剂次牛磺酸（HT）和H2S合成抑制剂[氨基氧乙酸（AOA）、羟胺、丙酮酸钾、氨等]均可抑制干旱胁迫诱导的叶片气孔关闭。而且，干旱胁迫引起保卫细胞H2O2水平升高，并使H2S合成关键酶D-CD1/L-CD表达水平和酶活性增强，导致H2S含量增高，从而引起气孔关闭；但对突变体atrbohD、atrbohF及atrbohD/F没有影响[1]。与之相反，H2O2清除剂抗坏血酸、H2O2合成抑制剂水杨羟肟酸（salicylhydroxamic acid， SHAM）和二苯基碘（diphenylene iodonium， DPI）均可降低干旱胁迫下叶片中H2S的产生及D-CD1/L-CD酶的活性[1]。此外，通过药物处理结合激光共聚焦扫描显微镜（LSCM）和分光光度分析在蚕豆中也得到类似的结论[32]。上述结果表明，在植物气孔关闭的信号转导途径中H2S可能在H2O2信号的下游起作用。

在光照条件下NaHS可引起拟南芥气孔关闭，诱导保卫细胞胞质和叶片中H2O2的产生；而抗坏血酸和SHAM及DPI处理均阻止H2S诱导的气孔关闭和保卫细胞及叶片中H2O2含量的上升。而且，在atrbohD、atrbohF、atpao2和atpao4突变体中比在野生型中更为显著，而在超表达AtPAO2、AtPAO4的拟南芥株系中不显著[33]。上述结果表明，NADPH氧化酶（NOX）、细胞壁过氧化物酶和多胺氧化酶生成的H2O2参与H2S诱导的拟南芥气孔关闭的信号转导途径。Liu等[31]研究发现，ABA预处理提高了拟南芥叶片中L-CD/D-CD1酶的活性，从而诱导H2S产生并引起气孔关闭；而AOA、NH2OH、C3H3KO3+和NH3处理均抑制ABA诱导的L-CD/D-CD1酶活性的增加和H2S的生成，这表明ABA参与H2S调控气孔运动的信号转导过程。

4.2促进根的发育

许多研究表明，H2S可以促进番薯、旱柳、大豆等植物根的形成和发育过程[34]。Lin等[35]发现，NaHS和CO处理可以上调黄瓜中血红素加氧酶-1（HO-1）靶基因的表达，进而诱导不定根形成。血红素（HO-1诱导剂）和NaHS处理可促进IAA缺陷型黄瓜外植体中CsHO-1的表达，与CO作用相似，H2S以CsDNAJ-1和CsCDPK1/5为靶点，通过激活CDPKs调节Ca2+通道，促进黄瓜不定根生长；但加入HO-1专一性抑制剂锌原卟啉后，上述诱导作用明显降低，而加入H2S清除剂次牛磺酸（HT），对不定根的形成无明显影响。上述结果表明，H2S可作为CO的上游信号分子在诱导黄瓜不定根的形成过程中发挥作用。

此外，NaHS处理可增加甘薯茎尖内源H2S、IAA和NO含量，而加入生长素转运抑制剂NPA和NO清除剂cPTIO能分别逆转IAA和NO对不定根的诱导作用。由此表明，H2S可能位于IAA和NO信号转导途径的上游，通过IAA和NO来诱导不定根的发生[34]。可见，H2S、NO和CO三种气体信号分子并非各自孤立存在而是有着密切的关系，可能的相互作用途径如图1所示。

注：红色实线表示刺激效应；黑色实线表示抑制效应；

H2S和NO用虚线表示分子之间的相互作用。

图1 NO、CO、H2S三种信号分子的相互作用[1]

H2S对根的发育调控具有剂量效应。研究发现，低浓度（0～40 μmol/L）H2S可促进豌豆胚根生长，根尖组织可溶性蛋白质含量升高，SOD、APX和POD活性增加，CAT活性降低，根尖边缘细胞存活率上升，粘胶层相对面积变小；而高浓度（60～80 μmol/L）H2S可抑制胚根生长，可溶性蛋白含量和边缘细胞存活率明显下降，APX和POD活性降低，CAT活性升高，SOD活性无明显变化，粘胶层相对面积变大[36]。此外，适宜浓度的NaHS处理菠菜幼苗30 d可以促进根系生长量的大幅增加[37]。

4.3延缓衰老

适当浓度的NaHS处理可延长切花和一年蓬、丝棉木等枝条的保鲜期，延缓衰老。同时，MDA含量与内源性H2S浓度呈负相关，衰老的切花中MDA含量较高而内源H2S含量较低。另外，NaHS预处理可提高一年蓬切花和旱柳外植体叶片中CAT、SOD、APX、POD的活性，而H2O2和O-・2浓度处于低水平[38]。此外，外施一定浓度的H2S有利于大蒜保持较高的叶绿素含量和根系活力，促进根系对水分、矿质元素的吸收及光合产物的积累，提高叶片自由水含量，而且抗氧化物酶活性提高，从而延缓叶片的早衰[39]。这些结果表明，H2S可通过提高抗氧化酶活性来延缓衰老。

4.4促进种子萌发

研究发现，NaHS预处理可以提高常规条件及铬、铝、铜等重金属胁迫下小麦种子的发芽率，这与淀粉酶和抗氧化酶（SOD、CAT、APX和POD）活性的提高密切相关[20，22]；而且，外施NaHS可以有效地缓解NaHCO3胁迫对黑籽南瓜种子萌发的抑制作用[40]。另外，H2S还参与调控H2O2诱导的种子的萌发过程。H2O2浸泡麻风树种子能显著提高种子的萌发率，刺激L-CD活性的增加，从而诱导H2S的积累，而该作用可被H2S的合成抑制剂AOA所逆转[41]。这些结果表明，H2S可促进种子萌发，并提高植物在正常生长条件及非生物胁迫下的发芽率。

4.5促进光合作用

H2S可以促进植物叶片的气孔开放，从而间接增强光合作用[1]。研究表明，NaHS处理可增加菠菜叶片的叶绿素含量，促进光合作用，但其作用具有一定的剂量效应。最适NaHS处理浓度下，光饱和点（Lsp）、最大净光合速率（Pmax）、羧化效率（CE）和光系统Ⅱ最大光化学效率（Fv/Fm）均达最大值；而光补偿点（Lcp）和暗呼吸（Rd）显著下降[26，37]。同时，编码Rubisco大亚基（RBCL）、小亚基（RBCS）、铁氧还蛋白-硫氧还蛋白还原酶、铁氧化还原蛋白、硫氧化还原蛋白等基因的表达水平均上调，而编码丝氨酸乙酰基转移酶、乙醇酸氧化酶、细胞色素氧化酶的基因表达受到抑制[37]。这些结果表明，H2S可能通过调节Rubisco活性和巯基化合物的氧化还原状态来促进光合作用。

5 展望

尽管H2S在植物生长发育及逆境胁迫方面起着重要的作用，但关于其机理的研究仍然有限、不够全面，如环境刺激如何触发H2S的积累；细胞如何感知H2S信号；H2S在植物信号转导中的直接靶点和下游级联反应还未知；除半胱氨酸脱巯基酶途径外，是否还有其他H2S生成途径。此外，对H2S与NO、CO、Ca2+等信号分子的互作以及在整个信号转导网络中的作用的了解还有限。后基因组学、转录组学和蛋白质组学的发展为进一步深入阐明H2S与Ca2+、H2O2、NO及植物激素的相互作用打下基础。此外，植物相关突变体如H2S生成受损转基因突变体的应用将为进一步阐明H2S的生理功能另辟蹊径。

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