DES1源硫化氢通过调控气孔行为与光合效率增强植物基础耐热性

本文揭示了L-半胱氨酸脱硫酶1（DES1）介导的内源性硫化氢（H2S）在植物热胁迫应答中的核心调控机制。研究发现H2S通过调控钾离子通道基因（KAT1/KC1）诱导气孔关闭，同时通过激活气孔发育基因（SPCH/TMM）增加气孔密度，最终平衡蒸腾降温与水分保持矛盾，显著提升光合效率（RuBisCO活性）和基础耐热性。该研究为作物抗逆育种提供了新靶点。

　　

Highlight

时间进程分析表明，热胁迫（HS）会持续时间依赖性地增强内源性硫化氢（H₂S）的生成，同时上调L-半胱氨酸脱硫酶1（DES1）的转录水平并激活其酶活性。过表达DES1增强了拟南芥的基础耐热性，而DES1基因敲除突变体（des1）则表现出对热胁迫的高度敏感性。此外，热胁迫触发的气孔关闭和气孔密度升高现象在des1中大幅减弱，但在OE-DES1中更为显著。重要的是，des1的热敏感表型和有缺陷的热胁迫诱导气孔响应，可通过外源H₂S预处理来挽救。在热胁迫条件下，由DES1产生的H₂S通过调节内向钾离子（K⁺_in）通道编码基因（至少包括KAT1和KC1）的表达来触发气孔关闭，从而调控保卫细胞的钾离子（K⁺）稳态和膨压。同时，DES1-H₂S信号通路上调了与气孔发育相关的基因（SPCH和TMM）的表达，增加了气孔密度。相应地，在热胁迫期间，des1的相对含水量、叶绿素水平和核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）活性均有所下降，而OE-DES1则表现出相反的效果。总的来说，H₂S可能作为气孔开度和气孔密度的平衡器，以避免过度蒸腾并最大化气体交换，进而提升叶片在热胁迫下的光合效率。我们的研究阐明了H₂S如何通过优化气孔行为来提高基础耐热性，为H₂S信号传导及在抗热作物育种中的潜在应用提供了新的见解。

Introduction

全球变暖导致热浪愈发频繁。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）（2023年）的报告，全球气温在2021年至2040年间升高至或超过1.5℃的可能性很高（Tollefson, 2021）。高温已成为限制植物生长和产量的主要非生物胁迫，对全球粮食系统构成巨大威胁。因此，了解植物响应和适应热胁迫（HS）的分子基础，对于培育耐热作物品种具有重要意义。

气孔作为植物的关键守门员，与水分保持和光合作用有着内在联系，长期以来已知其在植物应对非生物胁迫的反应中起着关键作用（Nadeau and Sack, 2002, Hetherington and Woodward, 2003, Liu et al., 2023）。气孔的调控代表了植物应对热胁迫（HS）避免反应的主要机制（Kostaki et al., 2020, Sato et al., 2024）。普遍认为热胁迫会诱导气孔张开以增加蒸发冷却。然而，蒸腾作用的增加导致水分快速流失，从而引发干旱胁迫的发展，这通常通过激活脱落酸（ABA）信号诱导气孔关闭（Sato et al., 2024, Rizhsky et al., 2004, Mittler, 2006, Zandalinas et al., 2022）。看起来，气孔张开引起的蒸发冷却可能与热胁迫响应中同时发生的干旱诱导的气孔关闭相互作用。因此，蒸腾冷却和水分保持之间的平衡可能是热胁迫响应过程中气孔行为的一个重要衡量指标。先前的研究揭示了气孔运动对热胁迫的一系列响应，包括气孔张开（Teskey et al., 2015, Kostaki et al., 2020）到随着温度升高而气孔关闭（Hamerlynck and Knapp, 1996, Drake et al., 2018），或缺乏显著的温度响应（Sato et al., 2024）。据报道，离体表皮中的气孔开度具有很强的温度依赖性，在约35℃时达到峰值（Willmer and Mansfield, 1970），并且一些离子通道表现出温度依赖性（Ilan et al., 1995）。对大豆的研究揭示了一种称为“差异蒸腾”的策略，即在热和水分亏缺复合胁迫下，花和豆荚中的气孔开度或气孔导度仍然增加，而与叶片中的相反（Sinha et al., 2022, Sinha et al., 2023）。除了气孔开度，气孔密度也可以响应热胁迫。据报道，大豆叶片远轴面和近轴面的气孔密度都随着温度升高而显著增加（Jumrani et al., 2017, Sinha et al., 2022）。野生型水稻品种‘IR64’在40℃高温下生长时，气孔密度增加了40%，这可能是为了促进蒸发冷却（Caine et al., 2019）。在甘蓝（Brassica oleracea）中，卷心菜（B. oleracea capitata）的气孔密度在32℃时增加，而羽衣甘蓝（B. oleracea acephala）的气孔密度没有显著变化（Rodriguez et al., 2015）。对拟南芥的研究表明，YODA-HSP90模块通过在37℃时诱导SPEECHLESS（SPCH）的磷酸化依赖性失活来控制气孔发育。bHLH转录因子光敏色素相互作用因子4（PIF4）在温暖高温条件（28℃）下介导SPCH表达以抑制气孔谱系起始（Lau et al., 2018, Samakovli et al., 2020）。然而，两个拟南芥生态型，Bur-0（来自爱尔兰）和Kz-9（来自哈萨克斯坦），并未显示出热胁迫诱导的气孔发育抑制（Lau et al., 2018）。总的来说，气孔开度和密度对热胁迫响应的变化发生在不同的器官、物种、热胁迫程度和/或持续时间中（Lau et al., 2018, Marchin et al., 2022）。因此，理解气孔行为响应热胁迫的调控和机制变得越来越重要。

硫化氢（H₂S）作为一种多功能的信号分子，已被揭示在玉米、烟草细胞悬浮培养物和草莓等植物的热适应中扮演关键角色（Li et al., 2012, Li et al., 2013a, Li et al., 2013b, Christou et al., 2014, Liu et al., 2021）。在这些报告中，H₂S在耐热性中的功能涉及诱导内源性脯氨酸（Pro）、抗坏血酸（AsA）、谷胱甘肽（GSH）、类黄酮和类胡萝卜素的积累；上调编码保护性分子（如热休克蛋白HSP70、HSP80、HSP90和水通道蛋白PIP等）的基因表达（Christou et al., 2014）。然而，H₂S增强耐热性的潜在机制仍然很大程度上未知。由H₂S信号介导的气孔开度调控已被广泛报道（Shi et al., 2015, Aroca et al., 2021）。H₂S通过介导钾通道KAT1的过硫化，显著抑制内向钾离子（K⁺）电流，从而诱导气孔关闭（Liu et al., 2025）。一项有趣的研究表明，脱落酸（ABA）诱导H₂S的产生，后者进而正向调节OST1/SnRK2.6在Cys131和Cys137位点的过硫化，以促进ABA诱导的气孔关闭（Chen et al., 2021）。H₂S可以通过在干旱胁迫期间调节保卫细胞的膨压和体积来诱导气孔关闭（Jin et al., 2013, Jin et al., 2017）。一项关于大白菜的研究表明，H₂S信号诱导气孔关闭以减少干旱条件下的水分流失（Zhang et al., 2023）。在拟南芥中，H₂S已被证实通过磷脂酶Dα1（PLDα1）调节干旱介导的气孔关闭（Wang et al., 2024）。除了调节气孔开度，H₂S还可以通过介导表皮模式因子EPF2和EPFL9的过硫化来促进气孔发育（Bo et al., 2025）。相反，也有研究表明H₂S在茉莉酸（JA）信号下游抑制子叶的气孔发育（Deng et al., 2020）。因此，H₂S在调节气孔密度中的作用和机制仍不清楚，值得进一步研究。

因此，研究H₂S信号是否以及如何调节气孔行为，以及在极端热胁迫下的后续水分流失、气体交换和光合效率，为探索H₂S增强耐热性的机制提供了一个重要的视角。L-半胱氨酸脱硫酶1（DES1）催化L-半胱氨酸降解，在内源性H₂S生成中起重要作用（álvarez et al., 2010, Chen et al., 2020, Chen et al., 2021, Fang and Zang, 2024, Liu et al., 2024, Scuffi et al., 2014）。在本研究中，我们证明了热胁迫通过增强拟南芥中DES1的表达及其活性来激活内源性H₂S的产生。因此，我们利用拟南芥DES1 T-DNA插入突变体des1和DES1过表达转基因植株（OE-DES1）来检验DES1产生的H₂S在热适应中的功能和机制。我们研究并比较了在极端热胁迫（44℃）下气孔开度、气孔密度、水分利用效率和光合潜力的响应。结果表明，DES1-H₂S可以通过诱导气孔关闭以限制水分流失、增加气孔密度以最大化气体交换、以及增强光合色素含量和RuBisCO活性以增强光合作用，来显著增强植物对热胁迫的耐受性。这些发现表明，H₂S可能在热胁迫响应过程中作为气孔关闭和增强光合效率的关键调节器和/或平衡器。这项研究将为理解H₂S增强植物耐热性的机制提供基础，并为培育耐热作物提供指导。

Section snippets

Plant material and growth condition

本研究使用了拟南芥（Arabidopsis thaliana）野生型（WT, Columbia, Col-0）的种子，以及与H₂S生成相关的遗传材料，包括des1 (SALK_205358C) 和OE-DES1 (35S启动子驱动的DES1过表达株系)。des1 和OE-DES1 由山西大学裴雁曦教授惠赠。种子在? Murashige-Skoog (? MS) 培养基（用于耐热性研究）或装有土壤:蛭石 (1:1 v/v) 混合物的盆中（用于观察...

DES1 induced endogenous H₂S generation is activated by HS in Arabidopsis

在拟南芥中，热胁迫（HS）造成的损伤表型并非在胁迫后立即出现，而是在植株从热胁迫恢复正常条件后的恢复期才显现。为了探究H₂S信号是否参与拟南芥的热胁迫响应，我们不仅检测了胁迫期间（HS）的植株，也检测了恢复期间（HS-Recovery, HSR）的内源性H₂S含量和内源性H₂S生成潜力（图1A）。数据显示，H₂S含量最初...

Discussion

气孔行为的调控是植物适应热胁迫的重要机制，气孔张开对于热胁迫响应期间的叶片蒸发冷却似乎是合理的（Sadok et al., 2021）。然而，极端热胁迫会导致植物过度失水，迫使植物关闭气孔以维持水分状态（Rizhsky et al., 2002, Zandalinas et al., 2016, Sato et al., 2024）。因此，理解热胁迫响应中平衡蒸腾冷却和水分保持的机制...

Author contribution

HF构思了本研究的想法并撰写了手稿。WC和KX完成了大部分实验。XZ和YX进行了数据分析，YZ监督了项目，提供了关键反馈并帮助最终定稿。HF、YP和YZ通过建设性讨论帮助完成分析，并校对了手稿。所有作者讨论了结果并对稿件进行了评论。

Funding

这项工作得到了国家自然科学基金（项目编号32102367 给HF，以及32272742 给YZ）的资助。

CRediT authorship contribution statement

Huihui Fang: 评审编辑、撰写初稿、研究、获取资助。Wenjia Chen: 软件、研究。Yanxi Pei: 评审编辑、资源、形式分析。Yunxiang Zang: 验证、项目管理。Jianguo Wu: 评审编辑。Yunshuai Huang: 评审编辑。Kehong Xing: 软件、方法论、研究。Liai Xu: 评审编辑、资源。

Declaration of Competing Interest

作者声明不存在任何可能影响本工作报告的已知竞争性经济利益或个人关系。