沈文飚, 裴雁曦
气体信号递质(gasotransmitters)又称气体信号分子,是一类细胞内源性小分子气体,参与细胞内诸多信号转导途径,在动植物代谢及其调控中发挥着不可替代的重要作用。经过二十多年的发展,科学家们已经逐步认识到除了一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)和硫化氢(H2S)三种经典气体信号递质外,氢气(H2)和甲烷(CH4)等多种气体均可能是潜在的气体信号递质。
总体看,越来越多的研究成果展示出气体信号递质在医学和农业等领域所具有的理论意义和巨大应用潜力。气体递质的相关研究加深了我们对医学领域细胞信号转导过程的理解,同时也引起了植物领域研究者的广泛兴趣。本专栏以气体信号递质为主题,除了特邀长期从事相关研究领域的专家总结研究进展外,还收集了5篇气体信号递质方面的研究论文,以期为相关领域的研究者提供参考。
南京农业大学生命科学学院谢彦杰教授等在“硫化氢调节植物氧化应激响应的作用机制”一文中总结了植物中H2S产生途径,以及H2S、活性氧(reactive oxygen species, ROS)和活性氮(reactive nitrogen species, RNS)在调节植物氧化应激响应中的研究进展;山西大学生命科学学院的裴雁曦教授等在“硫化氢信号对大白菜FLCs时空表达模式的调控作用”研究论文中发现H2S可能是通过调节大白菜中4个BrFLCs同源基因的表达影响植物开花;针对H2S在植物能量代谢中扮演的角色,山西大学生命科学学院金竹萍教授等在“H2S信号参与SDH调控能量和活性氧代谢过程的作用机制”研究论文中,初步揭示了H2S信号与电子传递链之间的关系,并探索H2S在能量代谢和ROS平衡过程中的相关调节机制;针对H2S是否通过氧化应激调节动物衰老过程这一问题,厦门大学医学院李鸿珠教授在“硫化氢抗衰老作用的分子机制”一文中,从抑制氧化应激、抗炎、保护线粒体功能、维持蛋白质稳态和上调自噬方面总结了H2S抗衰老的分子机制,讨论了目前研究存在的问题和未来研究方向,尝试为抗衰老和治疗衰老相关疾病提供新的思路。
与H2S相类似,NO在农产品保鲜中也具有抗衰老作用。甘肃农业大学廖伟彪教授等在“一氧化氮在延缓农产品采后衰老中的作用机制”中针对NO延缓农产品采后衰老的作用机制,系统地总结了NO与褪黑素、乙烯(ETH)、H2、H2S、过氧化氢和钙离子等信号分子的互作,从而为利用NO以及衍生物延缓农产品衰老、提高储藏品质的理论研究,以及农产品采后保鲜剂的研发提供参考;华中农业大学植物科学技术学院吴洪洪教授团队在“CeO2纳米颗粒调控活性氧稳态和一氧化氮水平提高水稻耐旱能力”研究论文中,从ROS和NO信号分子的角度,初步探索了氧化铈纳米颗粒提高水稻抗旱性的机制,从而丰富了纳米农业可持续发展的理论。
作物对重金属耐受和富集问题一直是现代农业生产实践中的重要命题。西北农林科技大学生命科学学院李积胜教授团队在“乙烯促进木质素合成减少镉吸收和积累提高番茄耐镉性”的论文中发现Cd2+胁迫提高了番茄幼苗ETH合成关键蛋白甲硫氨酸腺苷转移酶(methionine adenosyltransferase,MAT)活性,并提出MAT介导的ETH合成可能是番茄提高耐镉性的分子机制,从而为ETH在果蔬作物安全生产实践提供了初步的理论依据。
H2是近来发现的一种潜在的气体信号递质。针对上述热点问题,河南师范大学生命科学学院段红英教授等在“氢气处理促进地黄生长发育及主要药用成分积累”一文中的研究结果表明纳米富氢水处理不仅可以促进地黄生长发育,还可以通过调控环烯醚萜苷合成通路关键酶基因,提高地黄药用成分积累,为H2在中药材生产中的应用提供了新思路。
云南师范大学生命科学学院李忠光教授撰写的“气体递质:古老气体在植物响应温度胁迫中的新角色”一文,系统地总结了包括H2S、NO、CO、ETH、H2、CH4等9种具备气体信号递质基本特征的分子在植物代谢和胁迫应答中的作用和最新研究进展,详细介绍了信号分子的特性、合成代谢、分解代谢及其相互作用,并从抗氧化系统、渗透调节系统、离子平衡系统、水平衡系统、热激蛋白、翻译后修饰和生物膜修复与重建的角度,综述了气体信号递质生物学作用的生物化学和分子生物学基础。
与已知的气体信号递质不同,氩气作为一种具有潜在生物学功能的气体,逐渐引起了科学家的注意。南京农业大学生命科学学院沈文飚教授团队在“方兴未艾的氩气生物学”一文中总结了氩气生物学效应及其潜在的分子机制,包括氩气的不同施用方式以及在动物神经保护、心血管疾病、炎症性疾病和器官移植等临床模型中的正面作用,并总结了其在农产品采后保鲜和植物耐逆性方面的研究进展,提出酶蛋白的磷酸化与脱磷酸化修饰可能是其生物学效应的重要分子机制。
总体看,气体信号递质调控的生理和病理代谢是一个极其复杂的调控过程,其相关研究已经逐步从动物扩大到植物,体现其生物学作用的广泛性。希望通过本专栏的文章,让读者进一步认识气体信号递质的功能及其在农业实践和临床诊疗中的潜在应用,吸引更多的研究者投入到相关领域的研究中,以期全面、深入地解析气体信号递质的生物学功能和作用机理。
