H2S在植物抵御逆境胁迫过程中的作用

王春林，尚 菲，段春燕，李 丹

(1.陇东学院 生命科学与技术学院，甘肃 庆阳 745000; 2.陇东学院 农林科技学院，甘肃 庆阳 745000)

植物生存在自然环境中会不可避免地遭遇诸如寒冷、高温、干旱、盐渍、水涝及重金属等非生物逆境胁迫.逆境会伤害植物，主要表现在破坏膜系统，使细胞脱水，位于膜上的酶活性紊乱，导致各种代谢活动无序进行，活性氧( ROS)积累，导致细胞氧化损伤，光合速率下降、同化物形成减少，严重时会导致死亡.因此，研究植物在不良环境下生命活动规律及抗逆生理，对提高农业生产力具有现实意义.

硫化氢(H2S)长期以来被认为是一种有害气体，1996年，Abe等[1]首次证明H2S作为一种神经活性物质存在于人体，从此人们对H2S的偏见发生了变化，开始注重对其生理功能的研究.历经二十多年的研究，H2S被认为是继一氧化氮( NO)和一氧化碳( CO)之后的第3个气体信号分子， 广泛参与植物生长发育的许多过程,如促进种子萌发、调节根系发育、调节气孔关闭、光合作用、果实保鲜和延缓衰老、非生物胁迫的调节信号转导等[2-3].近年来，人们在黄瓜、番薯、菠菜、番茄、小麦、水稻、苜蓿等20多种植物上对H2S在植物抗逆生理中的作用做了大量的研究.笔者就近年来H2S对逆境胁迫下植物生理生化等方面影响的研究进展进行综述，以期为进一步开展该领域的研究提供一定的指导作用.

1 H2S与植物的抗盐性

盐胁迫对植物造成的伤害主要表现在吸水困难、生物膜破坏、生理紊乱甚至死亡. 大量研究表明，H2S可缓解盐胁迫对植物造成的伤害.

关于离子吸收方面，有研究发现外源H2S能缓解盐胁迫对小麦幼苗生长的抑制，主要原因是减少了小麦幼苗对Na+的吸收及向地上部分运转，增加Na+外排，从而减少Na+在植株体内的积累[4].朱会朋等[5]的研究则表明，H2S能够抑制盐诱导的K+外流和增强Na+外排, 使杨树在高盐环境下维持K+/Na+平衡，原因可能是通过提高质膜H+泵活性，为Na+/H+跨膜逆向转运提供质子浓度梯度,并且通过降低质膜的去极化而限制K+外流，Li等[6]对盐胁迫下拟南芥根系离子流研究也得到同样的结果.

外施H2S可缓解盐胁迫导致的番茄幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素等光合色素含量的降低，可缓解盐胁迫引起的光合作用的下降，增强盐胁迫下番茄光能利用率.主要原因是外源H2S提高了番茄幼苗光合电子传递效率，对PSⅡ反应中心起到保护作用，有效缓解了盐胁迫对加工番茄叶片PSⅡ的伤害，同时对于耐盐性弱的品种的作用强于耐盐性强的品种[14].刘计允[15]研究表明，H2S可解除盐胁迫对水稻光合作用的抑制，可使物质能量代谢相关蛋白表达上调，并且逆转盐胁迫对糖代谢的扰乱效应，为水稻抗盐提供能量和物质基础.同时，外施H2S可重塑细胞骨架、加强细胞壁木质化、强化蛋白质合成功能的恢复，功能蛋白的折叠、转运，损伤蛋白的降解加速，这都有助于细胞耐盐性的提高.

2 H2S与植物的抗旱性

干旱对农作物造成的损失在所有非生物胁迫中占首位[16].干旱可改变膜的结构及透性，破坏正常的代谢过程，对细胞造成机械损伤，甚至引起死亡.研究表明，外源H2S可减缓干旱对植物造成的伤害，而且有剂量效应，在不同作物或同一作物不同时期表现出不同最佳浓度：在大豆幼苗期40 μmol·L-1NaHS效果最佳[17]、在板栗幼苗期以0.5 mmol·L-1NaHS效果最佳[18]、在玉米种子萌发期以0.6 mmol·L-1NaHS效果最佳[19]、在玉米幼苗期以0.6 mmol·L-1NaHS效果最佳[20].进一步研究表明，在叶面喷施一定浓度的H2S供体NaHS溶液，能显著增强干旱胁迫下SOD、CAT、POD、APX、1-吡咯啉-5- 羧酸合成酶(P5CS)的活性，提高AsA、GSH、游离脯氨酸(Pro)含量，降低H2O2及MDA含量，说明H2S通过提高植物抗氧化能力，减少干旱胁迫对植物膜系统造成的伤害以提高植物的抗旱性[17-18,20].

Li等[21]在小麦上的研究表明，H2S不仅可以提高干旱胁迫下D1蛋白(PSII反应中心最易受损的蛋白)含量，还通过促进 D1 蛋白的快速周转缓解干旱胁迫对 PSII 的损伤,并通过农杆菌介导法将H2S合成关键酶基因TaLCD和TaDCD进行遗传转化，获得了拟南芥转基因植株.有研究表明，H2S信号能明显延缓赤霉素(GA)诱导的糊粉层细胞程序性死亡(PCD)进程，延长糊粉层细胞合成与分泌淀粉酶的时间，从而有利于干旱胁迫下小麦种子的萌发[22].

3 H2S与植物的抗热性

高温是限制植物生长、发育和产量的主要胁迫因子，H2S参与了植物耐热性形成的生理过程.H2S可增强杨树耐热性，主要是H2S处理提高叶片内S-亚硝基谷胱甘肽还原酶(GSNOR)的活性，抑制高温条件下活性氮(RNS)和活性氧(ROS)的积累对杨树叶片膜的伤害[23].实时荧光定量PCR检测高温胁迫后谷子幼苗H2S产生酶基因表达的结果显示，Lcd2基因受高温诱导，Western 印迹检测表明，外源H2S熏蒸和高温胁迫处理引起谷子幼苗蛋白质巯基化水平升高，说明H2S信号通过提高蛋白质的巯基化水平参与谷子对高温胁迫的响应[24].进一步研究表明，在植物耐热性形成过程中，H2S与其他信号分子相互作用，在烟草细胞耐热性形成过程中，H2S和Ca信使系统互作；脱落酸(ABA)和CO处理可通过提高L-半胱氨酸脱巯基酶(LCD)活性，进而提高烟草细胞和培养介质中H2S含量；类似地，SA和NO处理同样可以诱导玉米幼苗内源H2S的积累，进而提高玉米幼苗的耐热性.用丙酮醛(MG)、H2S和MG+H2S预处理均可提高植物的耐热性，MG、H2S合成抑制剂和清除剂均可减弱这种作用，同时，MG处理可通过提高H2S合成过程中关键酶的活性来提高小麦叶片内源H2S的含量，反过来H2S处理可提高小麦幼苗中内源MG的水平[25].说明H2S可作为一种信号分子调控MG水平提高小麦幼苗耐热性的过程.此外，H2S介导了H2O2对植物耐热性的提高，说明这些信号分子可能在植物耐热性形成过程中存在相互作用[26].

4 H2S与植物的抗冷性

目前，已有多项研究表明H2S可以增强植物耐冷性.周超凡等[27]探讨了H2S对低温条件下黄瓜耐冷性调控机制，结果表明，低温可诱导L-D-半胱氨酸脱巯基酶(CDes)催化合成H2S，外源H2S可增强CDes活性，促进内源H2S合成；H2S也可缓解低温胁迫对膜的伤害，提高黄瓜幼苗耐冷性；此外，叶面喷施NaHS后,叶片SOD、POD、 CAT、APX和GR活性及GSH和AsA含量明显高于对照,这与王鸿蕉[28]在白菜上的研究结果不一致，王鸿蕉等研究表明，H2S处理后白菜幼苗受到的氧化胁迫减弱，但在低温胁迫后抗氧化酶SOD、POD、CAT、APX活性并未因H2S的预处理而提高，说明H2S处理后白菜幼苗氧化损伤的减少可能并不是通过激活抗氧化酶活性而起作用.光合作用过程中，H2S减少了低温胁迫下过剩激发能的积累，提高了黄瓜幼苗叶片光能转化效率，减轻了黄瓜幼苗低温光抑制[29].此外，H2S诱导采摘后的香蕉果实的耐冷能力主要是基于H2S处理可提高香蕉果皮中抗氧化酶活性，减少活性氧的积累，进而缓解了低温对膜系统的伤害[30].

关于信号转导的研究表明，H2S与Ca2+信号间存在着复杂的联系,它们可以通过相互作用调控黄瓜幼苗的抗氧化系统，从而增强植株耐冷性[31].进一步研究显示，H2S位于H2O2上游参与低温诱导的信号转导，与NO和Ca2+可能存在“对话”机制，共同参与低温下黄瓜幼苗光合作用、抗氧化系统的调控[32].

5 H2S与植物的抗重金属性

近年来, 关于H2S提高植物对重金属耐性的研究已有了一些报道, 外源H2S能够增强黄瓜、紫花苜蓿、平邑甜茶、大麦、谷子对镉[10,33-36]，油菜、小麦、大麦对铝[37-39]，矮麝香鹿对铅[40]胁迫的抗性,减少作物中重金属的积累，显著缓解重金属胁迫引起的毒害症状.关于其机制主要有以下几个方面：(1)减少重金属离子的积累，促进营养物质的吸收. NaHS可通过减少根系对镉离子的吸收，缓解重金属镉对平邑甜茶幼苗的毒害作用[34]；H2S能够提高 Na+K+-ATPase和 H+-ATPase的活性,减少铝在植物体内的积累[35]；H2S可增加Pb胁迫下矮麝香鹿生物量，促进叶片和根系营养物质的吸收[40].(2)调节抗氧化系统.外源H2S通过激活抗氧化酶系统(SOD、POD、CAT、APX等)活性，促进了油菜苗对活性氧的清除，减轻了重金属诱导的氧化胁迫损伤[10，37-38].(3)减少膜脂过氧化物积累，保护线粒体的功能.H2S通过降低Zn胁迫辣椒叶片中膜脂过氧化物MDA积累、稳定线粒体结构和功能，减少电解质外渗，从而提高抗冷性[41-42].(4)激活重金属螯合系统.H2S能上调重金属螯合相关基因MT的转录，促进MTs的合成，增强植物对重金属的抗性[43].除此之外，外源H2S可使重金属胁迫下对细胞超微结构的破坏得到明显恢复[37]；H2S可增加重金属胁迫下叶绿素含量、净光合速率及最大光化学效率，提高光合能力等[35].

6 展 望

H2S作为一种新的信号分子在植物生长发育和抗逆境胁迫方面发挥重要作用.目前大量研究主要集中在对植物逆境生理过程的影响，关于H2S在信号转导过程中接受位点和上下游级联关系还不清楚，尤其是与其他信号分子如CO、NO、Ca2+之间互作的网络关系还需进一步研究.此外，应通过植物基因工程技术，将H2S合成基因导入植物体内使其过量表达，以提高植物抗逆能力、培育抗逆新品种；关于H2S在逆境胁迫下功能的研究应将室内试验与大田实践结合起来进行，充分考虑其安全性，以期能够尽快在农业生产中应用.