王春林，尚 菲，段春燕，李 丹

(1.隴東學(xué)院 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000; 2.隴東學(xué)院 農(nóng)林科技學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

植物生存在自然環(huán)境中會(huì)不可避免地遭遇諸如寒冷、高溫、干旱、鹽漬、水澇及重金屬等非生物逆境脅迫.逆境會(huì)傷害植物，主要表現(xiàn)在破壞膜系統(tǒng)，使細(xì)胞脫水，位于膜上的酶活性紊亂，導(dǎo)致各種代謝活動(dòng)無(wú)序進(jìn)行，活性氧( ROS)積累，導(dǎo)致細(xì)胞氧化損傷，光合速率下降、同化物形成減少，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致死亡.因此，研究植物在不良環(huán)境下生命活動(dòng)規(guī)律及抗逆生理，對(duì)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力具有現(xiàn)實(shí)意義.

硫化氫(H2S)長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是一種有害氣體，1996年，Abe等[1]首次證明H2S作為一種神經(jīng)活性物質(zhì)存在于人體，從此人們對(duì)H2S的偏見(jiàn)發(fā)生了變化，開(kāi)始注重對(duì)其生理功能的研究.歷經(jīng)二十多年的研究，H2S被認(rèn)為是繼一氧化氮( NO)和一氧化碳( CO)之后的第3個(gè)氣體信號(hào)分子， 廣泛參與植物生長(zhǎng)發(fā)育的許多過(guò)程,如促進(jìn)種子萌發(fā)、調(diào)節(jié)根系發(fā)育、調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉、光合作用、果實(shí)保鮮和延緩衰老、非生物脅迫的調(diào)節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等[2-3].近年來(lái)，人們?cè)邳S瓜、番薯、菠菜、番茄、小麥、水稻、苜蓿等20多種植物上對(duì)H2S在植物抗逆生理中的作用做了大量的研究.筆者就近年來(lái)H2S對(duì)逆境脅迫下植物生理生化等方面影響的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為進(jìn)一步開(kāi)展該領(lǐng)域的研究提供一定的指導(dǎo)作用.

1 H2S與植物的抗鹽性

鹽脅迫對(duì)植物造成的傷害主要表現(xiàn)在吸水困難、生物膜破壞、生理紊亂甚至死亡. 大量研究表明，H2S可緩解鹽脅迫對(duì)植物造成的傷害.

關(guān)于離子吸收方面，有研究發(fā)現(xiàn)外源H2S能緩解鹽脅迫對(duì)小麥幼苗生長(zhǎng)的抑制，主要原因是減少了小麥幼苗對(duì)Na+的吸收及向地上部分運(yùn)轉(zhuǎn)，增加Na+外排，從而減少Na+在植株體內(nèi)的積累[4].朱會(huì)朋等[5]的研究則表明，H2S能夠抑制鹽誘導(dǎo)的K+外流和增強(qiáng)Na+外排, 使楊樹(shù)在高鹽環(huán)境下維持K+/Na+平衡，原因可能是通過(guò)提高質(zhì)膜H+泵活性，為Na+/H+跨膜逆向轉(zhuǎn)運(yùn)提供質(zhì)子濃度梯度,并且通過(guò)降低質(zhì)膜的去極化而限制K+外流，Li等[6]對(duì)鹽脅迫下擬南芥根系離子流研究也得到同樣的結(jié)果.

外施H2S可緩解鹽脅迫導(dǎo)致的番茄幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、胡蘿卜素等光合色素含量的降低，可緩解鹽脅迫引起的光合作用的下降，增強(qiáng)鹽脅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電子傳遞效率，對(duì)PSⅡ反應(yīng)中心起到保護(hù)作用，有效緩解了鹽脅迫對(duì)加工番茄葉片PSⅡ的傷害，同時(shí)對(duì)于耐鹽性弱的品種的作用強(qiáng)于耐鹽性強(qiáng)的品種[14].劉計(jì)允[15]研究表明，H2S可解除鹽脅迫對(duì)水稻光合作用的抑制，可使物質(zhì)能量代謝相關(guān)蛋白表達(dá)上調(diào)，并且逆轉(zhuǎn)鹽脅迫對(duì)糖代謝的擾亂效應(yīng)，為水稻抗鹽提供能量和物質(zhì)基礎(chǔ).同時(shí)，外施H2S可重塑細(xì)胞骨架、加強(qiáng)細(xì)胞壁木質(zhì)化、強(qiáng)化蛋白質(zhì)合成功能的恢復(fù)，功能蛋白的折疊、轉(zhuǎn)運(yùn)，損傷蛋白的降解加速，這都有助于細(xì)胞耐鹽性的提高.

2 H2S與植物的抗旱性

干旱對(duì)農(nóng)作物造成的損失在所有非生物脅迫中占首位[16].干旱可改變膜的結(jié)構(gòu)及透性，破壞正常的代謝過(guò)程，對(duì)細(xì)胞造成機(jī)械損傷，甚至引起死亡.研究表明，外源H2S可減緩干旱對(duì)植物造成的傷害，而且有劑量效應(yīng)，在不同作物或同一作物不同時(shí)期表現(xiàn)出不同最佳濃度：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]、在玉米種子萌發(fā)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].進(jìn)一步研究表明，在葉面噴施一定濃度的H2S供體NaHS溶液，能顯著增強(qiáng)干旱脅迫下SOD、CAT、POD、APX、1-吡咯啉-5- 羧酸合成酶(P5CS)的活性，提高AsA、GSH、游離脯氨酸(Pro)含量，降低H2O2及MDA含量，說(shuō)明H2S通過(guò)提高植物抗氧化能力，減少干旱脅迫對(duì)植物膜系統(tǒng)造成的傷害以提高植物的抗旱性[17-18,20].

Li等[21]在小麥上的研究表明，H2S不僅可以提高干旱脅迫下D1蛋白(PSII反應(yīng)中心最易受損的蛋白)含量，還通過(guò)促進(jìn) D1 蛋白的快速周轉(zhuǎn)緩解干旱脅迫對(duì) PSII 的損傷,并通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將H2S合成關(guān)鍵酶基因TaLCD和TaDCD進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，獲得了擬南芥轉(zhuǎn)基因植株.有研究表明，H2S信號(hào)能明顯延緩赤霉素(GA)誘導(dǎo)的糊粉層細(xì)胞程序性死亡(PCD)進(jìn)程，延長(zhǎng)糊粉層細(xì)胞合成與分泌淀粉酶的時(shí)間，從而有利于干旱脅迫下小麥種子的萌發(fā)[22].

3 H2S與植物的抗熱性

高溫是限制植物生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量的主要脅迫因子，H2S參與了植物耐熱性形成的生理過(guò)程.H2S可增強(qiáng)楊樹(shù)耐熱性，主要是H2S處理提高葉片內(nèi)S-亞硝基谷胱甘肽還原酶(GSNOR)的活性，抑制高溫條件下活性氮(RNS)和活性氧(ROS)的積累對(duì)楊樹(shù)葉片膜的傷害[23].實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)高溫脅迫后谷子幼苗H2S產(chǎn)生酶基因表達(dá)的結(jié)果顯示，Lcd2基因受高溫誘導(dǎo)，Western 印跡檢測(cè)表明，外源H2S熏蒸和高溫脅迫處理引起谷子幼苗蛋白質(zhì)巰基化水平升高，說(shuō)明H2S信號(hào)通過(guò)提高蛋白質(zhì)的巰基化水平參與谷子對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)[24].進(jìn)一步研究表明，在植物耐熱性形成過(guò)程中，H2S與其他信號(hào)分子相互作用，在煙草細(xì)胞耐熱性形成過(guò)程中，H2S和Ca信使系統(tǒng)互作；脫落酸(ABA)和CO處理可通過(guò)提高L-半胱氨酸脫巰基酶(LCD)活性，進(jìn)而提高煙草細(xì)胞和培養(yǎng)介質(zhì)中H2S含量；類(lèi)似地，SA和NO處理同樣可以誘導(dǎo)玉米幼苗內(nèi)源H2S的積累，進(jìn)而提高玉米幼苗的耐熱性.用丙酮醛(MG)、H2S和MG+H2S預(yù)處理均可提高植物的耐熱性，MG、H2S合成抑制劑和清除劑均可減弱這種作用，同時(shí)，MG處理可通過(guò)提高H2S合成過(guò)程中關(guān)鍵酶的活性來(lái)提高小麥葉片內(nèi)源H2S的含量，反過(guò)來(lái)H2S處理可提高小麥幼苗中內(nèi)源MG的水平[25].說(shuō)明H2S可作為一種信號(hào)分子調(diào)控MG水平提高小麥幼苗耐熱性的過(guò)程.此外，H2S介導(dǎo)了H2O2對(duì)植物耐熱性的提高，說(shuō)明這些信號(hào)分子可能在植物耐熱性形成過(guò)程中存在相互作用[26].

4 H2S與植物的抗冷性

目前，已有多項(xiàng)研究表明H2S可以增強(qiáng)植物耐冷性.周超凡等[27]探討了H2S對(duì)低溫條件下黃瓜耐冷性調(diào)控機(jī)制，結(jié)果表明，低溫可誘導(dǎo)L-D-半胱氨酸脫巰基酶(CDes)催化合成H2S，外源H2S可增強(qiáng)CDes活性，促進(jìn)內(nèi)源H2S合成；H2S也可緩解低溫脅迫對(duì)膜的傷害，提高黃瓜幼苗耐冷性；此外，葉面噴施NaHS后,葉片SOD、POD、 CAT、APX和GR活性及GSH和AsA含量明顯高于對(duì)照,這與王鴻蕉[28]在白菜上的研究結(jié)果不一致，王鴻蕉等研究表明，H2S處理后白菜幼苗受到的氧化脅迫減弱，但在低溫脅迫后抗氧化酶SOD、POD、CAT、APX活性并未因H2S的預(yù)處理而提高，說(shuō)明H2S處理后白菜幼苗氧化損傷的減少可能并不是通過(guò)激活抗氧化酶活性而起作用.光合作用過(guò)程中，H2S減少了低溫脅迫下過(guò)剩激發(fā)能的積累，提高了黃瓜幼苗葉片光能轉(zhuǎn)化效率，減輕了黃瓜幼苗低溫光抑制[29].此外，H2S誘導(dǎo)采摘后的香蕉果實(shí)的耐冷能力主要是基于H2S處理可提高香蕉果皮中抗氧化酶活性，減少活性氧的積累，進(jìn)而緩解了低溫對(duì)膜系統(tǒng)的傷害[30].

關(guān)于信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究表明，H2S與Ca2+信號(hào)間存在著復(fù)雜的聯(lián)系,它們可以通過(guò)相互作用調(diào)控黃瓜幼苗的抗氧化系統(tǒng)，從而增強(qiáng)植株耐冷性[31].進(jìn)一步研究顯示，H2S位于H2O2上游參與低溫誘導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，與NO和Ca2+可能存在“對(duì)話”機(jī)制，共同參與低溫下黃瓜幼苗光合作用、抗氧化系統(tǒng)的調(diào)控[32].

5 H2S與植物的抗重金屬性

近年來(lái), 關(guān)于H2S提高植物對(duì)重金屬耐性的研究已有了一些報(bào)道, 外源H2S能夠增強(qiáng)黃瓜、紫花苜蓿、平邑甜茶、大麥、谷子對(duì)鎘[10,33-36]，油菜、小麥、大麥對(duì)鋁[37-39]，矮麝香鹿對(duì)鉛[40]脅迫的抗性,減少作物中重金屬的積累，顯著緩解重金屬脅迫引起的毒害癥狀.關(guān)于其機(jī)制主要有以下幾個(gè)方面：(1)減少重金屬離子的積累，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收. NaHS可通過(guò)減少根系對(duì)鎘離子的吸收，緩解重金屬鎘對(duì)平邑甜茶幼苗的毒害作用[34]；H2S能夠提高 Na+K+-ATPase和 H+-ATPase的活性,減少鋁在植物體內(nèi)的積累[35]；H2S可增加Pb脅迫下矮麝香鹿生物量，促進(jìn)葉片和根系營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收[40].(2)調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng).外源H2S通過(guò)激活抗氧化酶系統(tǒng)(SOD、POD、CAT、APX等)活性，促進(jìn)了油菜苗對(duì)活性氧的清除，減輕了重金屬誘導(dǎo)的氧化脅迫損傷[10，37-38].(3)減少膜脂過(guò)氧化物積累，保護(hù)線粒體的功能.H2S通過(guò)降低Zn脅迫辣椒葉片中膜脂過(guò)氧化物MDA積累、穩(wěn)定線粒體結(jié)構(gòu)和功能，減少電解質(zhì)外滲，從而提高抗冷性[41-42].(4)激活重金屬螯合系統(tǒng).H2S能上調(diào)重金屬螯合相關(guān)基因MT的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)MTs的合成，增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的抗性[43].除此之外，外源H2S可使重金屬脅迫下對(duì)細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的破壞得到明顯恢復(fù)[37]；H2S可增加重金屬脅迫下葉綠素含量、凈光合速率及最大光化學(xué)效率，提高光合能力等[35].

6 展 望

H2S作為一種新的信號(hào)分子在植物生長(zhǎng)發(fā)育和抗逆境脅迫方面發(fā)揮重要作用.目前大量研究主要集中在對(duì)植物逆境生理過(guò)程的影響，關(guān)于H2S在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中接受位點(diǎn)和上下游級(jí)聯(lián)關(guān)系還不清楚，尤其是與其他信號(hào)分子如CO、NO、Ca2+之間互作的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系還需進(jìn)一步研究.此外，應(yīng)通過(guò)植物基因工程技術(shù)，將H2S合成基因?qū)胫参矬w內(nèi)使其過(guò)量表達(dá)，以提高植物抗逆能力、培育抗逆新品種；關(guān)于H2S在逆境脅迫下功能的研究應(yīng)將室內(nèi)試驗(yàn)與大田實(shí)踐結(jié)合起來(lái)進(jìn)行，充分考慮其安全性，以期能夠盡快在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用.