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。

氩气(argon)是大气中含量最丰富的惰性气体。近年来,科学家发现并逐渐认可了氩气的生物学效应。作为一种具有细胞保护功能的气体分子,氩气对生理以及病理过程都有着不同程度的正面影响。相比于已知的气体信号分子,氩气具有无毒无害且含量丰富的特点,因此引起了人们的广泛关注。本文概述了氩气生物学效应及其潜在的分子机制,总结了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,及其在农产品采后保鲜和植物抵抗非生物胁迫方面的研究进展。氩气生物学的相关机制包括氩气可以影响信号转导的受体、离子通道蛋白质和相关基因的表达,以及重建氧化还原和离子稳态等,酶蛋白的磷酸化与脱磷酸化修饰可能是其重要的分子机制。由于氩气具有安全和相对便宜的特点,因此,氩气具有潜在的医学和农业方面的应用前景。

氧化应激是一种氧化还原失衡的状态,易引起生物体组织细胞发生氧化损伤。通过激活抗氧化系统调节氧化还原平衡是生物体内普遍存在的氧化应激响应机制。硫化氢(hydrogen sulfide, H₂S)是生物体内重要的信号分子,它能通过多种途径调节机体生理反应和胁迫响应。本文综述了植物中H₂S的产生途径,H₂S常见供体的特性,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;重点讨论了H₂S调节植物氧化应激响应的方式,及其与ROS和RNS在植物氧化还原平衡调节中的相互作用调控,为理解植物氧化应激响应过程中信号分子的作用机制提供参考。

9种气体分子硫化氢(hydrogen sulfide)、一氧化氮(nitric oxide)、一氧化碳(carbon monoxide)、乙烯(ethylene)、氢气(hydrogen gas)、氨(ammonia)、甲烷(methane)、氰化氢(hydrogen cyanide)和二氧化硫(sulfur dioxide),是40亿年前地球原始大气的主要成分。如今,这些气体被认为是有机体内的气体递质(gasotransmitter),即内源气体分子。气体递质不仅参与动物呼吸、血压、学习、记忆、炎症反应等许多生理和病理过程的调控,而且在气孔运动、种子的萌发、植物生长发育及响应逆境胁迫中也起着举足轻重的作用。本文基于这9种气体递质在植物中的代谢及响应温度胁迫中的最新研究进展,归纳了它们的一般特性、合成和分解代谢及其相互联系。讨论了抗氧化系统、渗透调节系统、离子平衡系统、水平衡系统、热激蛋白(heat shock protein)、翻译后修饰(post-translational modification)和生物膜的修复与重建,在缓解温度胁迫引发的氧化胁迫、渗透胁迫、离子胁迫、水分胁迫、蛋白质变性和生物膜损伤中的关键作用。这些伤害的缓解,能提高植物对高温和低温胁迫的抵抗能力。此外,本文也总结了气体递质间通过启动化学反应、竞争靶分子、调节彼此代谢酶、引发新信号等交互作用,调控植物温度胁迫耐性,并提出未来的研究方向。旨在进一步推动气体递质在植物生物学研究领域的迅速发展。

一氧化氮(nitric oxide,NO)对于缓解采后农产品的衰老、减少农产品储藏过程中的损失发挥重要作用。众多研究表明,NO可以延缓农产品衰老,在提高保鲜品质方面具有巨大应用潜力。因此,研究NO在农产品衰老过程中所发挥的作用及其机制,能为深入研发NO作为农产品采后保鲜剂提供理论依据。本文主要讨论了NO在延缓农产品采后衰老中的作用机制。延缓农产品采后衰老过程中NO主要通过硝酸还原酶(nitrate reductase, NR)和NO合酶(NO synthase-like, NOS)两种途径产生。在实际生产中,NO主要的提供形式有硝普钠(sodium nitroprusside, SNP)、S-亚硝基-N-乙酰基-DL-青霉胺(S-nitroso-N-acetyl-D-penicillamine, SNAP)、S-亚硝基谷胱甘肽(S-nitrosoglutathione, GSNO)和NO气体熏蒸。NO主要通过调节ROS代谢及增强抗氧化系统、减缓呼吸代谢、激活细胞壁代谢、抑制乙烯合成和促进能量代谢等途径和机制来延缓农产品衰老。最后,深入探讨了NO在农产品采后衰老过程中与其他信号分子,例如褪黑素(melatonin, MT)、乙烯(ethylene, ETH)、氢气(hydrogen gas, H₂)、硫化氢(hydrogen sulfide, H₂S)、过氧化氢(hydrogen peroxide, H₂O₂)和钙离子(calcium ion, Ca²⁺)相互作用进而调控衰老。本文旨在为利用NO延缓农产品衰老和提高储藏品质,以及农产品采后保鲜剂的研发等相关研究提供参考。

衰老的特征包括蛋白质稳态失衡、氧化损伤积累、干细胞衰竭、细胞间通信改变、慢性炎症和微生态失调等,且与心血管疾病、糖尿病和阿尔茨海默病等常见的增龄性疾病相关。硫化氢(hydrogen sulfide,H₂S)是一种内源性的气体信号分子,在细菌、动物和植物中均存在其相关代谢。众所周知,生理浓度下的H₂S通过对人体蛋白质的硫巯基化修饰调控细胞信号转导,维持内稳态。近年的研究发现,生物体衰老常伴随内源性H₂S产生的减少和蛋白质硫巯基化水平的普遍下降,补充外源性H₂S可抑制其衰老。例如,阿尔兹海默病、老年性重症肌无力、骨质疏松症等衰老相关疾病中,补充H₂S可改善其症状。上述现象提示生理浓度范围的H₂S具有抗衰老作用。本文从抑制氧化应激、抗炎、保护线粒体功能、维持蛋白质稳态和上调自噬等方面总结了H₂S抗衰老的分子机制,并讨论了目前对H₂S抗衰老机制研究存在的问题和未来研究方向,为抗衰老和治疗衰老相关疾病提供新思路。

作为新兴的气体信号分子,硫化氢(hydrogen sulfide, H₂S)能够调节植物生长发育,广泛参与植物抵御生物及非生物胁迫的过程。琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase, SDH)结合于线粒体内膜,既是参与三羧酸循环的关键酶,也是氧化磷酸化过程的重要电子载体,在植物响应各类胁迫中发挥着重要作用。鉴于H₂S与SDH参与调控的生理过程有很大相关性,本文以模式植物拟南芥为实验材料,对H₂S与SDH之间的关系进行了探索。结果表明,在AtSDH1-1-OE中,H₂S的关键生成酶编码基因LCD和DES1大量表达,且H₂S产率和含量较WT显著升高。SDH抑制剂TTFA 处理导致活性氧(ROS)大量产生,幼苗根的伸长受到极显著抑制,根发育生长基因RHD2、TRH和SCN1表达下调;而同时进行生理浓度的NaHS(H₂S供体)熏蒸,能够清除过量ROS,幼苗生长有所恢复。但在AtSDH1-1-OE中,施加HT(H₂S清除剂)后的结果与TTFA单独处理WT类似,ROS大量产生,幼苗根长变短。H₂S特异性荧光探针和非损伤微测技术NMT检测结果也显示,TTFA和HT诱导保卫细胞中H₂O₂增加,H₂S则可以促使其排出。此外,H₂S影响ATP合成相关基因表达,促使ATP大量产生;相应地,在AtSDH1-1-OE中施加HT处理,ATP含量显著降低。综上所述,SDH诱导植物H₂S的内源产生,进而参与SDH调控植物体内能量代谢和ROS的产生过程,最终影响植株根的伸长。

氢气(hydrogen gas,H₂)在提高农作物品质和产量方面发挥多样且积极的作用。由于栽培方式和化肥农药使用的不当,严重影响了地黄产量和品质。本研究以“金九”地黄为材料,探究氢纳米气泡水(hydrogen nanobubble water,HNW)对不同时期地黄生长发育及重要药用成分积累的影响。与对照组相比,HNW处理7 d后块根不定根数量和发芽率分别提升约217.59%和87.65%。与对照组相比,HNW处理60、75和90 d后,植株叶片冠幅分别增加约42.73%、53.02%和29.42%,最大叶面积分别提高约15.51%、19.74%和11.44%。HNW处理75和90 d后膨大根数较对照组分别增加约105.65%和66.82%。定量PCR分析环烯醚萜苷合成通路关键酶(1-deoxyxylulose-5-phosphate synthetase,DXS;geraniol 10-hydroxylase,G10H;1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductase,DXR;8-hydroxygeraniol dehydrogenase,10HGO)基因表达发现,HNW处理75 d后RgDXS2、RgG10H1和RgDXR1表达量分别约是对照组的2.61、1.27和3.32倍,HNW处理90 d后RgDXS2、RgG10H1和Rg10HGO1表达量分别约是对照组的4.11、1.24和1.77倍。高效液相色谱分析表明,HNW处理75和90 d后梓醇含量较对照组分别增加约103.96%和24. 94%,HNW处理75 d后地黄苷D含量提高约33.14%。此外,HNW处理120 d后膨大根数较对照组显著增加,同时RgDXR1、RgG10H1和Rg10HGO1表达量分别约是对照组的2.00、1.32和1.36倍。综上所述,HNW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,从而提高其重要药用成分积累。

硫化氢(H₂S)是一种气体信号分子,可以促进植物的开花,且这一过程与开花的关键因子FLOWERING LOCUS C(FLC)有关。大白菜中已报道的FLC同源基因有4种。本研究对这4种FLC同源基因进行了时空表达模式和功能分化研究,以及 H₂S 对 BrFLCs 的表达模式的调控作用进行了探讨。结果表明:4种BrFLCs同源基因的表达表现出不同的时空特异性。其中,BrFLC1、2和3的发育时期表达模式与拟南芥AtFLC相似,而BrFLC5未表现出发育时期特异性。BrFLC1只在叶中表达,而BrFLC2在不同组织中均有表达,BrFLC3在各组织中的表达量最高,但组织特异性差异不明显,BrFLC5表达量不高且不具有组织特异性。经外源H₂S处理,BrFLCs表达略有下调,叶片中的BrFLC2表达量最低。H₂S还能够不同程度地调节BrFLCs下游基因的表达,这可能和BrFLCs的表达模式改变有关。综上所述,H₂S可能通过调节大白菜中4个BrFLCs基因的表达模式影响其植株的开花时间。

镉(cadmium,Cd)胁迫强烈抑制植物生长发育,并且镉能够沿着食物链在人体中富集,对人体健康造成重大隐患。乙烯(ethylene,ETH)是一种重要的植物激素,在植物响应环境胁迫中发挥重要作用。但是,乙烯调节植物耐Cd的作用机制仍然未定论。本文发现3 mg/L Cd²⁺处理能够提高乙烯合成关键蛋白质甲硫氨酸腺苷转移酶(methionine adenosyltransferase,MAT)活性,导致根中乙烯含量上升约44.6%。进一步研究发现,10和50 μmol/L乙烯增强苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia-lyase,PAL)、4-香豆酸辅酶A连接酶(4-coumarate coenzyme A ligase,4CL)、肉桂醇脱氢酶(cinnamyl alcohol dehydrogenase,CAD)和愈创木酚过氧化物酶(guaiacol peroxidase,PPOD)等木质素合成关键酶的活性,使番茄根系木质素含量提高约52.1%和83.8%,导致胞壁木质化程度提升。与对照相比,乙烯减少根表皮细胞Cd²⁺内流40.2%~52.7%,显著降低体内Cd含量(P＜0.05)。此外,乙烯处理减少毒性高的水提取态和乙醇提取态Cd的含量,增加了毒性低的盐酸、醋酸、氯化钠提取态和残渣态Cd的含量,同时增加Cd在细胞壁中的占比,降低在细胞器中的占比,从而降低植株的离子渗透率(electrolyte leakage,EL)和丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量,增加叶绿素含量,提高了番茄植物对Cd²⁺胁迫的耐受性。综上,本研究发现了Cd²⁺胁迫之下MAT酶活性的变化,由此提出,MAT介导的乙烯合成与Cd²⁺胁迫之间可能存在关联,为乙烯缓解植物Cd损伤提出新的可能机制,也为其在果蔬作物安全生产中的应用提供了初步的理论依据。

干旱是影响水稻产量和品质的常见限制因素之一。氧化铈纳米颗粒在提高作物抗逆中已有广泛报道。然而,氧化铈纳米颗粒是否能提高水稻耐旱能力以及相应的机制目前仍不清除。本研究旨在分析氧化铈纳米颗粒是否可以通过影响活性氧稳态和一氧化氮水平提高水稻抗旱。结果表明,与无纳米材料对照相比,氧化铈纳米颗粒显著增加了干旱胁迫下的水稻幼苗的鲜重(19%, P < 0.05)。同时,干旱胁迫下,氧化铈纳米颗粒处理组水稻叶片的活性氧水平显著低于无纳米材料对照组(82%, P < 0.05),而其叶片一氧化氮荧光信号则显著高于对照组(46%, P < 0.05)。此外,与无纳米材料对照相比,干旱胁迫下,氧化铈纳米颗粒处理组水稻叶片细胞表现出更好的膜完整性,其死细胞数下降70%(P < 0.05)。本研究从活性氧和一氧化氮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,不仅进一步丰富了纳米材料与逆境条件下的作物相互作用的理论基础,而且有利于纳米农业的可持续发展。