综述：环境信号下活性物种在植物防御机制中的生物合成及多面性作用

本综述系统阐述了活性氧（ROS）和活性氮（RNS）作为关键信号分子在植物应对环境胁迫中的核心作用，强调了其生物合成、动态平衡调控及其与激素信号网络的交叉对话，为理解植物抗逆机制及作物改良提供了重要理论依据。

　　

活性氧（ROS）和活性氮（RNS）是植物有氧代谢的基本组成部分，它们在细胞中扮演着双重角色：既是潜在的破坏性分子，又是不可或缺的信号信使。这篇综述深入探讨了它们在植物生长、发育以及应对环境信号中的复杂功能，特别聚焦于其在植物防御机制中的多面性作用。

活性氧在植物生长和防御中的多样化作用

在植物生物学中，过氧化氢（H₂O₂）是ROS家族中的核心信号分子，在信号通路、应激反应和生长调控中发挥着多样化功能。它由多种酶产生，如酰基辅酶A氧化酶、乙醇酸氧化酶和过氧化物酶体黄素酶。尽管H₂O₂具有造成细胞损伤的潜力，但维持其受控水平对于正常生长发育至关重要，体现了ROS在植物生理学中的双重性。

超氧阴离子（O₂^•?）和羟基自由基（^•OH）等ROS是高度活性的氧化物种，可以与几乎所有细胞成分相互作用，对核酸、蛋白质和脂质造成显著损害。其中，^•OH是活性最强的自由基，由于其特殊的化学性质，能迅速与生物分子相互作用。单线态氧（¹O₂）是另一种重要的ROS，在光合作用过程中通过光敏剂吸收光产生，与叶绿体活性密切相关。研究表明，¹O₂作为一种应激信号，能触发特定基因反应，协调对环境挑战的适应机制。

传统的“氧化胁迫”概念已演变为“氧化信号”或“氧化还原信号”，这表明ROS的产生不再仅仅被视为有害过程，而是植物生长和响应环境胁迫信号通路的一个组成部分。植物通过其抗氧化剂生物合成能力，能够在抵消ROS毒性的同时，利用这些活性分子作为信号转导物。植物细胞拥有一套复杂的抗氧化防御系统，包括酶类和非酶类物质，以减轻ROS引起的损伤，并维持氧化还原稳态。

细胞中ROS产生的亚细胞起源与调控

植物细胞中约有1-2%的氧气通过各种代谢过程转化为ROS。ROS在质外体、线粒体、过氧化物酶体和叶绿体等细胞器中产生。氧化还原信号依赖于ROS的产生，对于细胞器与细胞核之间的通讯至关重要。

在线粒体中，ROS主要在线粒体电子传递链（mtETC）和光呼吸过程中产生，特别是在非光合组织如根中，是ROS的主要来源。交替氧化酶（AOX）和解偶联蛋白（UCP）在调节线粒体ROS水平和应激响应中起关键作用。

叶绿体是能量产生和ROS生成的重要场所。高光强和胁迫会通过过度还原氧气而损害光合作用，导致ROS浓度升高。叶绿体内的ROS产生主要通过单线态氧形成和超氧化物产生两种机制。类胡萝卜素是叶绿体中¹O₂的重要淬灭剂。

过氧化物酶体通过多种代谢活动显著贡献于ROS的生成，包括脂肪酸β-氧化、光呼吸等。乙醇酸氧化酶（GOX）在光呼吸途径中发挥关键作用，产生了过氧化物酶体中大部分H₂O₂。

内质网（ER）在特定的氧化环境中进行蛋白质折叠和二硫键形成，H₂O₂是氧化蛋白质折叠的副产物。内质网氧化还原蛋白1（ERO1）与蛋白质二硫键异构酶（PDI）相互作用促进二硫键形成，并催化分子氧还原为H₂O₂。

质外体主要通过NADPH氧化酶（NOXs），即呼吸爆发氧化酶同系物（RBOHs）产生H₂O₂。其他氧化酶如细胞壁相关过氧化物酶、醌还原酶、脂氧合酶（LOXs）、铜胺氧化酶（CuAOs）和草酸氧化酶也参与其中。

细胞质中，黄嘌呤氧化还原酶（XOR）和醛氧化酶（AO）有助于ROS的产生。尽管细胞质中的ROS产生速度较其他细胞器慢，但它在整合来自不同细胞器的氧化还原信号方面起着至关重要的作用。

活性氮物种：植物中的信号传导和防御机制

活性氮物种（RNS）包括一氧化氮（^•NO）、二氧化氮（NO₂^•）等自由基以及四氧化二氮（N₂O₄）、亚硝酸（HNO₂）等非自由基。在植物中，RNS作为信号分子在众多生理过程中发挥关键作用。

植物中RNS的合成通过多种途径进行。硝酸还原酶（NR）是关键贡献者，它在干旱、冷胁迫等条件下促进NO的产生。虽然植物中是否存在一氧化氮合酶（NOS）样酶仍有争议，但过氧化物酶体、线粒体和叶绿体等细胞器已被证实是NO产生的场所。

RNS，特别是NO，作为植物细胞内的关键信号分子，影响与生长、发育和衰老相关的进程。它们参与植物对环境胁迫的响应，并与ROS协同作用，在病原体防御机制中发挥作用。NO通过刺激基因转录或激活第二信使来调控众多过程。此外，RNS可以通过蛋白质的翻译后修饰（PTMs），如S-亚硝基化和硝基化，来修饰许多细胞信号组分，从而显著影响蛋白质功能。

植物细胞器中RNS的潜在来源

植物细胞中RNS的产生是一个高度区室化的过程。主要的细胞器包括叶绿体、线粒体、过氧化物酶体、质外体和细胞壁。

在叶绿体中，NO的产生与光依赖反应相关，由L-精氨酸和NADPH依赖的NOS样活性介导。NO与光合作用中产生的O₂^•?相互作用，生成过氧亚硝酸盐（ONOO^?）。NO通过促进叶绿素生物合成和叶绿体分化，在调节叶绿体功能中起关键作用，并介导酪氨酸硝化和S-亚硝基化等PTMs。

线粒体是植物细胞中RNS产生的重要场所，主要通过硝酸盐和亚硝酸盐的化学还原而非经典酶促途径产生NO。在胁迫或缺氧条件下，线粒体电子传递链中的电子泄漏增加，使得亚硝酸盐作为替代电子受体，增强了NO的产生。

过氧化物酶体是RNS产生的重要场所，通过NOS样活性、多胺分解代谢和嘌呤代谢产生NO。过氧化物酶体中ROS和RNS的共存促进了ONOO^?的形成。过氧化物酶体NO涉及花粉管生长、叶片衰老、生长素驱动的根器官发生以及非生物胁迫响应等关键生理过程。

质外体是RNS产生，特别是NO产生的关键细胞外区室。质外体NO的产生主要通过硝酸还原酶介导的亚硝酸盐还原以及多胺途径。质外体NO的产生对于防御信号和细胞间通讯至关重要。

氧化还原信使：植物信号网络中的ROS和RNS

ROS和RNS是植物信号网络的重要组成部分，尤其是在生理和环境胁迫条件下。这些分子参与众多过程，包括生长、发育以及对生物和非生物胁迫的响应。

ROS信号传导的主要模式涉及蛋白质的氧化翻译后修饰（oxPTM）。例如，蛋白质中的半胱氨酸巯基易被H₂O₂氧化。H₂O₂还可以在巯基之间形成二硫键，改变蛋白质构象、相互作用和功能。近期研究强调了H₂O₂氧化蛋白在应激适应反应中作为传感器或受体的功能。

转录组数据显示，在不同亚细胞位点产生的不同类型ROS会触发不同的基因表达谱。这种空间特异性反映了每个区室中由抗氧化系统和代谢塑造的不同氧化还原环境。受体样激酶感知细胞外ROS信号。细胞质和细胞核在检测细胞内H₂O₂水平和介导信号转导中至关重要。

RNS，特别是NO，也已成为植物防御和胁迫耐受中的重要信号机制。ROS和RNS作为细胞内信号级联中的第二信使，影响气孔关闭、重力性、程序性细胞死亡和胁迫耐受性发展等过程。它们还促进植物与微生物之间的共生相互作用。

ROS和RNS在胁迫耐受中的分子功能

ROS和RNS在植物胁迫耐受中的分子功能涵盖了广泛的机制，使植物能够适应并在各种环境胁迫下生存。这些分子是调节植物对非生物和生物胁迫条件响应的信号通路的核心。

在胁迫条件下，ROS的产生显著增加，可能对脂质、蛋白质、DNA和碳水化合物造成氧化损伤。尽管具有破坏潜力，ROS通过激活增强植物胁迫耐受性的通路，发挥关键的信号功能。

NO是RNS中的关键信号分子，在植物胁迫响应中具有重要作用。NO与ROS相互作用形成一个复杂的信号网络，调节包括植物防御机制和胁迫响应在内的各种生理过程。NO调节胁迫相关基因的表达，激活抗氧化酶系统，并调节气孔关闭，从而增强植物胁迫耐受性。

ROS和RNS信号通路之间的相互作用对于协调植物胁迫响应至关重要。这种交叉对话允许整合各种胁迫信号并协调防御机制。

ROS和RNS的动态交叉对话

ROS和RNS之间的交叉对话是植物信号传导的一个复杂方面，在协调胁迫响应和防御机制中起关键作用。这种相互作用整合了各种胁迫信号，使植物能够快速响应环境挑战和病原体攻击。

超敏反应和程序性细胞死亡

超敏反应（HR）是植物中一种特征明确的程序性细胞死亡（PCD）形式，是对抗病原体入侵的局部防御机制。HR的一个关键特征是ROS和RNS之间的相互作用，特别是NO和H₂O₂的相互作用。研究表明，NO在HR期间通过S-亚硝基化NADPH氧化酶AtRBOHD来调节ROS的产生。反之，ROS通过激活硝酸还原酶促进NO的产生。NO和ROS之间的平衡因此决定了HR的结果。

抗氧化酶活性的调节

ROS和RNS之间的复杂相互作用在调节植物抗氧化酶活性中起关键作用。这种调节对于维持细胞氧化还原稳态和减轻各种非生物胁迫的有害影响至关重要。

超氧化物歧化酶（SOD）在解毒O₂^•?中起关键作用。NO已被证明能增强多种植物在胁迫条件下SOD的表达和活性。过氧化氢酶（CAT）分解H₂O₂，其活性受ROS和RNS调节。抗坏血酸过氧化物酶（APX）清除H₂O₂，NO可上调其活性。谷胱甘肽还原酶（GR）参与再生还原型谷胱甘肽（GSH），其活性受ROS和RNS影响。此外，非酶抗氧化剂如抗坏血酸（AA）、谷胱甘肽（GSH）、类胡萝卜素等的合成和积累也可受ROS和RNS的影响。

基因表达的调控

ROS、RNS和环境胁迫因子之间相互作用的调控机制控制着基因表达。ROS和RNS之间的交叉对话深刻影响细胞通路和稳态，最终影响胁迫相关基因的表达。NO在调节胁迫相关基因表达中起关键作用，为细胞应对重金属胁迫提供了策略机制。

程序性细胞死亡通路的激活

ROS和RNS之间的相互作用已成为触发PCD通路的关键调节因子。研究表明，ROS是能够通过外源和内源途径启动类凋亡信号通路的关键信号分子。这些通路在受控清除受损、感染或不再需要以优化植物功能的细胞中起关键作用。

结论

本综述强调了ROS和RNS在调节植物对各种胁迫响应中的整合作用。两者都是有氧代谢的基本组成部分，作为双重功能分子，既可以造成损伤，也可以协调对生长和胁迫适应至关重要的信号网络。成像和分子技术的进步揭示了其时空调控及其与激素和其他通路相互作用的新细节。尽管取得了这些进展，关键差距仍然存在。虽然ROS生物合成通路已得到较好表征，但RNS的通路定义较少。需要更深入的研究来揭示ROS和RNS信号的特异性及其与其他信号通路的整合。未来的研究应强调遗传和功能基因组学方法，以识别植物-微生物相互作用过程中ROS和RNS的酶促来源。通过深化对ROS/RNS动力学的理解，植物科学家可以制定策略来增强胁迫耐受性和作物恢复力，这是面对气候变化和全球粮食安全挑战的紧迫优先事项。