作為一種無(wú)毒、無(wú)色、無(wú)味的氣體，氫(氫氣)是一種新興的生物細(xì)胞信號(hào)分子，近年來(lái)因發(fā)現(xiàn)氫氣在植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)力、收獲后耐久性和抗逆性等方面具有多種功能，氫氣在農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。例如，氫氣信號(hào)級(jí)聯(lián)可以通過(guò)調(diào)節(jié)擬南芥(Arabidopsis thaliana)的離子和氧化還原穩(wěn)態(tài)來(lái)觸發(fā)褪黑激素誘導(dǎo)的植物耐鹽性。氫氣能夠通過(guò)重建氧化還原穩(wěn)態(tài)增強(qiáng)水稻幼苗的抗寒能力。此外，它還可以作為一種有效的抗氧化劑，快速跨膜擴(kuò)散，與細(xì)胞活性氧反應(yīng)，以防止內(nèi)源性氧化損傷。富氫水含有溶解的氫氣，被認(rèn)為是產(chǎn)生信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和抗逆性的原因。外源施用氫水可改善鋁對(duì)苜蓿幼苗根系的毒性及相應(yīng)的氧化損傷。氫水降低了荸薺(Eleocharis dulcis)中黃酮類化合物及其生物合成相關(guān)基因的濃度。氫水還參與擬南芥氣孔運(yùn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)控活性氧依賴性一氧化氮(NO)生成，誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉。然而，氫水誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉機(jī)制在很大程度上是未知的。
異源三聚體G蛋白，由α， β和γ亞基組成，在真核生物的多種信號(hào)通路中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在動(dòng)物中，信號(hào)感知發(fā)生在G蛋白偶聯(lián)受體(GPCRs)上，GPCRs有7個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域(7TMs)，并作為鳥(niǎo)嘌呤核苷酸交換因子(gef)促進(jìn)GDP/GTP的交換。擬南芥基因組中有4個(gè)Gα，包括1個(gè)典型Gα蛋白GPA1和3個(gè)特大Gα蛋白(XLG1、XLG2、XLG3)。GPA1在植物生理過(guò)程中具有多種功能。例如，GPA1參與調(diào)控細(xì)胞增殖。GPA1突變體顯示細(xì)胞分裂受損;然而，在擬南芥和煙草BY-2?細(xì)胞中過(guò)表達(dá)AtGPA1有助于細(xì)胞分裂。此外，許多研究發(fā)現(xiàn)GPA1與植物對(duì)各種生物和非生物脅迫的響應(yīng)有關(guān)。例如，GPA1和磷脂酶Dδ (PLDδ)是ja介導(dǎo)的滲透抗性和種子萌發(fā)調(diào)節(jié)所必需的。在滲透脅迫下，外源茉莉酸甲酯(MeJA)降低了Col-0的電解質(zhì)泄漏和丙二醛，但增加了gpa1-4和pldδ。此外，脫落酸(ABA)、褪黑激素和細(xì)菌鞭毛蛋白誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉需要gpa1介導(dǎo)的活性氧和NO產(chǎn)生的激活。
考慮到氫水在氣孔關(guān)閉過(guò)程中具有與ABA、褪黑激素類似的信號(hào)通路，且氫水誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉與GPA1的關(guān)系尚不清楚，我們研究了GPA1是否以及如何參與氫水誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉。我們提供了遺傳證據(jù)，表明GPA1通過(guò)激活活性氧和NO的產(chǎn)生來(lái)實(shí)現(xiàn)氫水誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉。
氫是擬南芥中通過(guò)刺激活性氧和一氧化氮(NO)的生成來(lái)調(diào)控氣孔關(guān)閉的一種新的信號(hào)分子。GPA1是在擬南芥基因組中發(fā)現(xiàn)的唯一異源三聚體G蛋白典型α亞基，在氣孔關(guān)閉中起作用。本研究估計(jì)擬南芥GPA1可能在富氫水誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉中發(fā)揮作用。我們的數(shù)據(jù)表明，氫水誘導(dǎo)Col-0保衛(wèi)細(xì)胞的氣孔關(guān)閉，以及活性氧和NO的生成。然而，在AtGPA1表達(dá)缺失的gpa1-4突變體中，氫水無(wú)法誘導(dǎo)活性氧和NO的產(chǎn)生以及氣孔關(guān)閉。相比之下，在gpa1-4中過(guò)表達(dá)AtGPA1 (AtGPA1- ha /gpa1-4)可恢復(fù)氫水存在下氣孔關(guān)閉和NO和活性氧的生成。結(jié)果表明，GPA1在擬南芥氫水誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉中是必要的。
論文作者來(lái)自昆明科技大學(xué)和廣東省農(nóng)科院等多家機(jī)構(gòu)。
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