氢气对植物生理功能的影响及作用机制研究进展

孟凡虹，王伊帆，伍冰倩，刘妮妮，胡振宇，赵瑞瑞，卢 慧，赵 珩

(中央民族大学 生命与环境科学学院，北京 100081)

氢气对植物生理功能的影响及作用机制研究进展

孟凡虹，王伊帆*，伍冰倩，刘妮妮，胡振宇，赵瑞瑞，卢 慧，赵 珩**

(中央民族大学 生命与环境科学学院，北京 100081)

氢气(H2)作为一种新型抗氧化剂广泛用于临床治疗中且疗效良好。植物体内可产生H2，且在生长发育和胁迫应答等过程中发挥重要作用。综述了内源性H2在植物中的产生以及外源H2处理对植物的生长发育、抗逆性、根际微生物和采后保鲜等的影响及其作用机制，并进一步探讨了H2与其他植物激素和内源性小分子气体的交叉作用，为H2在植物生理作用中的深入研究和应用奠定理论基础。

H2； 植物； 生长发育； 抗逆性； 根际微生物； 采后保鲜

氢气(H2)是一种无色、无味、无臭、无刺激和高度易燃的弱还原性双原子气体。H2曾一度被认为是一种生理惰性气体，并被视为潜在的清洁能源之一。1975年，Dole等[1]首次报道了鳞状细胞癌患者的肿瘤暴露于高压H214 d后能显著消退。自此H2的生理作用逐渐受到重视。H2广泛分布于多种生物有机体内，并且具有多种重要的生理功能。在动物医学领域，H2的各种生物学活性已有了相当多的报道，截至2011年已经报道了H2对人体38种不同疾病或生理状态的有益效果，例如肝缺血、青光眼、动脉粥样硬化及帕金森病等[2]。在高等植物中，对H2的产生机制尚未见报道，但已有试验证明，H2对植物的生长发育、抗逆性有重要作用。植物中H2的生理作用研究刚刚开始，具有较大的研究空间。综述了内源性H2在植物中的产生以及外源H2处理对植物的生长发育、抗逆性、根际微生物和采后保鲜的影响及其作用机制,并进一步探讨了H2与其他植物激素和内源性小分子气体的交叉作用，为H2在植物生理作用中的深入研究和应用奠定理论基础。

1 植物中H2的产生

1964年，Giumarro等[3]发现,高等植物能够释放H2。高等植物幼苗、离体胚、根和胚轴中均可产生H2[4-5]。水稻幼苗、拟南芥幼苗及紫花苜蓿等均可以产生H2，H2的产生受激素和环境的影响[6-8]。但H2的产生机制尚未见明确报道。研究表明，藻类及微生物体内含有参与H2代谢的氢化酶，部分藻类中氢化酶基因已被鉴定[9-10]。在部分高等植物中发现了与藻类氢化酶同源的基因[6]，提示高等植物中存在氢化酶系统，可进一步推测高等植物中H2的产生也依赖于氢化酶系统。

2 H2在植物中的生理作用

近年来，有关H2在植物生长发育中的作用方面的研究越来越多。H2在植物种子萌发、胁迫耐受等重要生理过程中有着重要的作用。

2.1 H2在植物生长发育中的作用

植物生长发育过程受多种激素及信号分子调控，越来越多的研究表明，H2作为一种活跃的信号分子参与植物的生长发育过程。Zeng等[6]研究发现，低浓度富氢水(HRW)能促进绿豆幼苗的生长，而高浓度HRW则抑制幼苗的生长。用乙烯利处理绿豆种子时，HRW能增强乙烯对根及芽生长的抑制作用。同时，HRW显著抑制高浓度IAA造成的生长抑制，低浓度HRW能增强GA3的促进作用。同时，H2能够不同程度地改变JA、ABA、6-BA、2,4-D、KT、NAA等激素对绿豆种子的作用，且植物激素受体基因的转录也受到H2调控，表明，H2可能与植物激素存在协同或拮抗作用，最终影响植物的生长发育。

培养基中缺乏生长素时会抑制黄瓜外植体不定根的生长，50%HRW、血红素、血红素加氧酶-1(HO-1)均可恢复不定根生长抑制现象。且HRW的作用是依赖于HO-1的，HRW处理可以上调黄瓜外植体HO-1基因的表达量及其编码蛋白质含量。同时HRW可调控生长素信号和不定根形成相关基因，如DNAJ-1 (dnaj-like protein 1)、CDPK1/5 (calcium-dependent protein kinases 1/5)、CDC6 (cell division control protein 6)、AUX22B-like(auxin-induced protein 22B)。HO-1抑制剂处理后HRW作用受到抑制，而该抑制作用可由CO逆转，进一步证实HRW诱导不定根形成与HO-1/CO介导的应答相关。但抗坏血酸(ASA)不能影响HRW对不定根形成的作用，说明HRW不是通过氧化还原平衡参与不定根的生长[11]。研究证明，10%HRW能促进紫花苜蓿根的生长，增加其幼苗干质量及鲜质量，随处理时间延长这种效果越为明显[12-13]。50%HRW可促进拟南芥幼苗鲜质量的增加及主根的伸长[8]。且不同浓度HRW处理水稻种子时，其发芽率、根长、芽长均随HRW浓度的增加而增加[14]。

2.2 H2在植物抗逆过程中的作用

植物容易受到外界不同程度的生物和非生物胁迫，包括干旱、盐、涝及病虫害等。胁迫会影响植物生长发育，对植物造成不同程度的损伤，严重时可导致植物死亡。植物体自身对胁迫有一定的抵抗能力，但当胁迫程度超过植物的耐受范围时，植物自愈能力下降而不能保持正常生理活动，造成植物生长受到抑制和农作物减产。近年来研究发现，H2可能在植物耐受胁迫过程中起重要作用。

Xu等[14]研究表明，在100 mmol/L NaCl胁迫条件下，发芽的水稻种子内源H2释放量增加，HRW处理可以减缓NaCl胁迫对水稻种子发芽的抑制作用。进一步的研究结果显示，50%和100%HRW可激活α/β淀粉酶活性，从而促进还原糖和总可溶性糖的合成。同时，HRW增强了超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性，降低了水稻氧化损伤程度。另外，HRW处理增加了芽和根中的钾钠比值。Xie等[8]研究表明，50%HRW预处理可有效缓解盐胁迫造成的拟南芥生长抑制作用，H2增加了锌指蛋白基因ZAT10/12和相关抗氧化酶基因的表达，降低活性氧(ROS)积累和脂质过氧化程度，同时HRW能通过影响调节Na+区域化的逆向转运蛋白和H+泵来保持离子稳态，并推测SOS1(slat overly sensitive 1)和cAPX1(cytosolic ascorbate peroxidase 1)可能是H2信号的靶基因。Jin等[15]研究表明，百草枯能够诱导紫花苜蓿幼苗内源H2产量的增加，用外源H2或HO激活因子血红素处理苜蓿幼苗时，苜蓿对百草枯造成的氧化胁迫表现出很强的耐受性。H2能够减缓百草枯造成的根系生长抑制作用，降低脂质过氧化作用，增强抗氧化酶活性，并降低体内过氧化氢和超氧阴离子自由基含量。H2预处理还显著提高了紫花苜蓿MsHO-1的表达，增强HO活性。

2.3 H2在植物抵抗重金属毒害及积累中的作用

我国受重金属污染的程度越来越严重，目前约有2.0×107hm2耕地受到中轻度重金属污染。农田土壤受到重金属污染后，土壤肥力下降，导致农作物产量、品质均下降，最终重金属在人体内累积，对人体健康造成不同程度的危害。重金属毒害一直是农业生产过程中的难题，近年来越来越多的研究表明，H2可有效缓解重金属对植物造成的毒害，并降低重金属在植物体内的积累[16]。

Cd是一种重金属污染物质，过量的Cd会抑制植物的光合作用、呼吸作用，抑制氮代谢，进而抑制植物生长，导致黄萎病、组织坏死甚至程序性细胞死亡[17]。Cui等[13]研究表明，10%HRW可显著降低紫花苜蓿幼苗Cd胁迫造成的氧化损伤程度，降低Cd对根伸长和幼苗生长的抑制作用。10%HRW可提高Cd胁迫下抗氧化酶活性及抗氧化酶相应基因的表达，降低ROS含量，降低脂质过氧化程度，增加质膜完整性、增加谷胱甘肽(GSH)及其同系物(hGSH)的含量，最终改善紫花苜蓿对Cd的耐受能力。此外，相对于未加HRW的对照组，HRW处理紫花苜蓿的Cd积累程度显著降低。Qi等[18]研究表明，50%HRW可显著缓解白菜的Cd中毒状况，减缓Cd对根伸长和幼苗生长的抑制作用。50%HRW抑制了增强Cd吸收的IRT1(iron regulated transporter 1)和Nramp1(natural resistance-associated macrophage protein 1)基因的表达，从而减缓细胞对Cd的吸收，同时HRW也上调了可将Cd封存到根液泡的HMA3基因的表达量，并降低调节Cd运输的HMA2(heavy metal transporting ATPase 2)和HMA4(heavy metal transporting ATPase 4)的表达量。同时，HRW提高了抗氧化酶的活性，降低抗氧化损伤，最终降低了对Cd的吸收并增加了植物的抗氧化能力。

Cui等[12]研究表明，HgCl2处理导致苜蓿幼苗体内ROS含量和脂质过氧化程度均增加，这种影响在HRW处理后明显改善，并且HRW能够显著降低Hg造成的相对离子渗透率增加及体内Hg的积累量。HRW诱导过氧化物酶(POD)和APX活性的升高，提高GSH及hGSH、ASA含量和相应基因的表达量。Meng等[19]研究表明，紫花苜蓿在Al或NO供体SNP作用下内源性NO含量增加，并且根的伸长受到抑制。用50% HRW预处理苜蓿幼苗，可以减缓Al胁迫和SNP处理造成的根伸长抑制作用，同时植物体内Al的积累量减少。NO清除剂与HRW的作用相似，都能降低内源性NO的含量，减缓由Al和SNP造成的根伸长抑制，因而推测HRW是通过降低内源性NO的积累达到减缓Al损伤的效果。

以上研究表明，HRW通过三方面减轻植物重金属中毒：(1)上调抗氧化物质和抗氧化酶基因的表达和酶活性，降低ROS造成的氧化损伤，重建氧化还原平衡；(2)清除重金属造成的NO积累；(3)调节重金属吸收、转运和隔离相关基因的表达，最终抑制重金属的吸收和积累，减缓重金属积累造成的生长抑制现象。

2.4 H2与植物根际微生物的关系

H2是豆科植物根瘤固氮过程中的副产物。当豆科植物和根瘤菌共生时，豆科植物根瘤具有吸收性氢化酶时可以循环利用H2，当不具有吸收性氢化酶时H2扩散到根际土壤中，可增加微生物的生物量，改变微生物的群落结构[20]，同时促进植物的生长[21]，提高根际CO2的固定量[22]，增加O2的消耗量[23]。对刺槐林土壤样品进行H2处理，可显著提高处理组土壤中氢氧化细菌数量[24]。对菜园土进行H2处理后，土壤中根瘤菌的固氮能力、脲酶活性增强且有机质减少量变小[25]。Dong等[26-27]认为，H2可促进根际植物促生细菌尤其是氢氧化细菌的群落生长，从而促进作物的生长，并通过研究证实,H2可使多种植物(春小麦、油菜、大麦、大豆等)的干质量增加10%以上。

2.5 H2在植物采后保鲜中的作用

采后衰老是限制许多新鲜果蔬和鲜切花商品化的主要因素。研究表明，乙烯、氧化衰老、细菌浸染等是促使采后衰老的重要内源和外源因素[28-29]。近年来，由于H2在植物中的重要作用不断被发现，人们尝试将H2应用于延缓采后衰老中。蔡敏等[30]利用不同浓度HRW对香石竹切花进行预处理，结果表明，低浓度HRW可延长花期，减缓切花鲜质量减少及花瓣萎蔫，从而达到切花保鲜的效果。Hu等[31]用30%、80%和100%的HRW处理猕猴桃，结果表明，不同浓度HRW均可不同程度地抑制猕猴桃腐烂，且浓度为80%时最佳。HRW能有效缓解果胶溶解，降低细胞壁降解酶活性；另外，HRW能降低猕猴桃的呼吸强度，提高SOD活性，降低脂质过氧化水平，维持较高的ROS清除能力，保持内膜线粒体较好的完整性，最终增加猕猴桃货架期。推测HRW处理通过调节机体抗氧化系统从而延缓贮藏期间果实的成熟和衰老。

综上所述，H2作为一种新型调节植物生理过程的气体信号分子，可通过影响植物激素、调节离子平衡的转运蛋白和转录因子、抗氧化酶活性、根际微生物等参与和调节植物生长发育、成熟衰老、胁迫耐受等多种生理过程(图1)。

H2主要从以下几个方面参与植物的重要生理过程：(1)H2可通过与植物激素协同或拮抗作用调节植物的生长发育；(2)H2可调节抗氧化物质和抗氧化酶基因的表达及酶活性以重建氧化还原平衡；(3)H2能降低胁迫造成的植物体内ROS和NO的积累；(4)H2扩散到土壤中可以增加微生物生物量，改变微生物群落结构，从而促进植物的生长。

由于H2具有易燃、易爆、不易运输等缺点，H2在实际生产中的应用受到一定限制。秦秀军等[32]、徐礼鲜等[33]、张冬营等[34]初步建立了HRW的制备装置并对其保存方法进行了研究。但应用于农业生产的HRW制备方法还需进一步完善，同时对HRW在植物生长发育等过程中的作用机制也需要进一步研究，为H2在农业中的应用提供理论基础。

[1] Dole M,Wilson F R,Fife W P.Hyperbaric hydrogen therapy:A possible treatment for cancer[J].Science,1975,190(4210):152-154.

[2] Ohta S.Molecular hydrogen is a novel antioxidant to efficiently reduce oxidative stress with potential for the improvement of mitochondrial diseases[J].Biochimica Et Biophysica Acta,2011,1820(5):586-594.

[3] Giumarro C,Siegel S M.Hydrogen metabolism in higher plants[J].Plant Physiology,1964,39(3):303-306.

[4] Torres V,Ballesteros A,Fernández V M,etal.Expression of hydrogenase activity in cereals[J].Annals of the New York Academy of Sciences,1984,434(1):296-298.

[5] Torres V,Ballesteros A,Fernández V M.Expression of hydrogenase activity in barley(HordeumvulgareL.) after anaerobic stress[J].Archives of Biochemistry & Biophysics,1986,245(1):174-178.

[6] Zeng J,Zhang M,Sun X.Molecular hydrogen is involved in phytohormone signaling and stress responses in plants[J].PLoS One,2013,8(8):e71038.

[7] Sather M.Hydrogen evolution from field pea biological nitrogen fixation and the effect on nitrous oxide production in soil[D].Saskatoon:University of Saskatchewan,2012.

[8] Xie Y,Yu M,Lai D,etal.H2enhances arabidopsis salt tolerance by manipulating ZAT10/12-mediated antioxidant defence and controlling sodium exclusion[J].PLoS One,2012,7(11):e49800.

[9] Marc F,King P,Zhang L,etal.Expression of two [Fe]-hydrogenases inChlamydomonasreinhardtii,under anaerobic conditions[J].European Journal of Biochemistry,2003,270(13):2750-2758.

[10] Eroglu E,Melis A.Photobiological hydrogen production:Recent advances and state of the art[J].Bioresource Technology,2011,102(18):8403-8413.

[11] Lin Y,Zhang W,Qi F,etal.Hydrogen-rich water regulates cucumber adventitious root development in a heme oxygenase-1/carbon monoxide-dependent manner[J].Journal of Plant Physiology,2014,171(2):1-8.

[12] Cui W,Fang P,Zhu K,etal.Hydrogen-rich water confers plant tolerance to mercury toxicity in alfalfa seedlings[J].Ecotoxicology & Environmental Safety,2014,105:103-111.

[13] Cui W,Gao C,Peng F,etal.Alleviation of cadmium toxicity inMedicagosativaby hydrogen-rich water[J].Journal of Hazardous Materials,2013,260:715-724.

[14] Xu S,Zhu S,Jiang Y,etal.Hydrogen-rich water alleviates salt stress in rice during seed germination[J].Plant & Soil,2013,370(1/2):47-57.

[15] Jin Q,Zhu K,Cui W,etal.Hydrogen gas acts as a novel bioactive molecule in enhancing plant tolerance to paraquat-induced oxidative stress via the modulation of heme oxygenase-1 signalling system[J].Human & Experimental Toxicology,2013,36(5):956-969.

[16] 李剑睿,徐应明,林大松,等.农田重金属污染原位钝化修复研究进展[J].生态环境学报,2014,23(4):721-728.

[17] Michele R D,Vurro E,Rigo C,etal.Nitric oxide is involved in cadmium-induced programmed cell death inArabidopsissuspension cultures[J].Radioprotection,2009,150(1):217-228.

[18] Qi W,Su N,Cai J,etal.Hydrogen-rich water enhances cadmium tolerance in Chinese cabbage by reducing cadmium uptake and increasing antioxidant capacities[J].Journal of Plant Physiology,2015,175:174-182.

[19] Meng C,Cui W,Zhu K,etal.Hydrogen-rich water alleviates aluminum-induced inhibition of root elongation in alfalfa via decreasing nitric oxide production[J].Journal of Hazardous Materials,2013,267(1):40-47.

[20] Evans H J,Harker A R,Papen H,etal.Physiology,biochemistry,and genetics of the uptake hydrogenase in rhizobia[J].Annual Review of Microbiology,1987,41:335-361.

[21] Stein S,Selesi D,Schilling R,etal.Microbial activity and bacterial composition of H2-treated soils with net CO2fixation[J].Soil Biology & Biochemistry,2005,37(10):1938-1945.

[22] Zhang Y,He X,Dong Z.Effect of hydrogen on soil bacterial community structure in two soils as determined by terminal restriction fragment length polymorphism[J].Plant & Soil,2009,320(1):295-305.

[23] Dean C A,Sun W,Dong Z,etal.Soybean nodule hydrogen metabolism affects soil hydrogen uptake and growth of rotation crops[J].Canadian Journal of Plant Science,2006,86:1355-1359.

[24] 刘慧芬,王卫卫,曹桂林,等.氢气对刺槐根际土壤微生物种群和土壤酶活性的影响[J].应用与环境生物学报,2010,16(4):515-518.

[25] 刘薇.分子氢对土壤有效养分的影响及其机理初探[D].武汉:华中农业大学,2001.

[26] Dong Z,Layzell D B.H2oxidation,O2uptake and CO2fixation in hydrogen treated soils[J].Plant & Soil,2001,229(1):1-12.

[27] Dong Z,Wu L B,Caldwell C D,etal.Hydrogen fertilization of soils—Is this a benefit of legumes in rotation[J].Plant Cell & Environment,2003,26(11):1875-1879.

[28] Badiyan D,Wills R B H,Bowyer M C,etal.Use of a nitric oxide donor compound to extend the vase life of cut flowers[J].Hortscience,2004,39(6):1371-1372.

[29] Macnish A J,Leonard R T,Nell T A.Treatment with chlorine dioxide extends the vase life of selected cut flowers[J].Postharvest Biology & Technology,2008,50(2/3):197-207.

[30] 蔡敏,杜红梅.富氢水预处理对香石竹切花瓶插寿命的影响[J].上海交通大学学报(农业科学版),2015,33(6):41-45.

[31] Hu H,Li P,Wang Y,etal.Hydrogen-rich water delays postharvest ripening and senescence of kiwifruit[J].Food Chemistry,2014,156(11):100-109.

[32] 秦秀军,安全,张伟,等.富氢水制备及保存方法的初步研究[J].癌变·畸变·突变,2013(6):457-460.

[33] 徐礼鲜,徐浩.一种高氧富氢水及其制备方法和应用:CN103408122A[P].2013-11-27.

[34] 张冬营,朱忠华.一种富氢水的制备工艺:CN103910450A[P].2014-07-09.

Research Progress on Effects of Hydrogen on Plant Physiological Roles and Its Mechanism

MENG Fanhong,WANG Yifan*,WU Bingqian,LIU Nini,HU Zhenyu,ZHAO Ruirui,LU Hui,ZHAO Heng**

(College of Life and Environmental Sciences,Minzu University of China,Beijing 100081,China)

Hydrogen(H2),as a new type of antioxidant,has been widely used in many clinical treatments,and has achieved ideal therapeutic effect.H2can be produced in plants and play an important role in plant growth and stress response.This article reviewed the production of endogenous H2in plants,regulation of H2on plant growth and development,resistance,rhizosphere microorganisms and postharvest preservation and possible mechanisms.The interaction between H2and other plant endogenous gas molecules and plant hormones was analyzed.These studies provided theoretical basis for the further study of H2in plants.

hydrogen; plant; growth and development; stress resistance; rhizosphere microorganisms; postharvest preservation

2016-07-20

中组部“千人计划”项目

孟凡虹(1991-)，女，内蒙古赤峰人，在读硕士研究生，研究方向：植物学。E-mail:764052320@qq.com 王伊帆(1993-)，男，河南周口人，在读硕士研究生，研究方向：环境科学。E-mail:438387953@qq.com。*共同第一作者。

**通讯作者：赵 珩(1970-)，女，安徽合肥人，教授，博士，主要从事分子生物学研究。E-mail：hengzhao2000@gmail.com

TQ116.2

A

1004-3268(2017)02-0001-05