植物中 H2O2与变异电位相互作用机制的突破性发现及其意义

本文通过微纤维有机电化学晶体管（fOECTs）研究发现，植物利用过氧化氢（H2O2）、变异电位（VP）和木质部流进行细胞信号传导。揭示了 H2O2与 VP 相互作用及依赖蒸腾的传播机制，为植物生理研究提供新视角。

　　

研究背景

过氧化氢（H₂O₂）作为植物中主要的活性氧物种（ROS），最初被认为是代谢和酶促活动的有毒产物，但如今越来越被视为在植物生理过程和应对生物或非生物胁迫（如伤口）中起关键作用的信号分子。H₂O₂信号的传播被认为与 Ca²⁺信号传导和变异电位（VP）相关，它们共同产生对胁迫的协调反应，但具体机制尚不清楚。同时，目前用于监测 H₂O₂、木质部流速和 VP 的方法存在诸多局限性，如荧光探针监测 H₂O₂时存在不可逆或缓慢的相互作用、光漂白导致无法长期监测以及受生理条件干扰难以校准浓度等问题；测量木质部流速的热耗散法（HDM）和同位素示踪技术也有各自的缺点；现有的固态电极记录 VP 时存在高阻抗、与植物组织机械不匹配等问题。因此，开发能够解决这些问题的新工具对于深入研究植物生理过程至关重要。

材料和方法

1. M⁺-fOECT 和 H₂O₂-fOECT 的制备与表征：以脱胶蚕丝纤维为基底，在其表面涂覆聚（3,4 - 乙撑二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）形成导电通道，通过添加表面活性剂 4 - 十二烷基苯磺酸（DBSA）、极性分子二甲基亚砜（DMSO）和乙二醇（EG）等优化其性能。制备阳离子响应性 fOECT（M⁺-fOECT）和 H₂O₂响应性 fOECT（H₂O₂-fOECT），并对其进行表征。
2. 植物材料、生长条件和原位测量：选用绿萝（Epipremnum aureum）作为实验植物，在特定条件下培养。通过缝纫针将微纤维穿入植物茎中，利用针刺造成伤口，用 50°C 水持续滴在植物茎上 30s 诱导热应激，使用太阳能光模拟器进行光照刺激实验，通过小孔向植物茎中注入试剂。记录 VP 时使用差分放大器，通过测量信号幅度、上升时间等参数计算信号传播速度。

结果和讨论

1. 用于连续植物体内监测的 fOECT 装置：为减少对植物组织的侵入性，开发了一维微纤维形状的 OECTs。以蚕丝纤维为基底的 M⁺-fOECT 具有良好的生物相容性、稳定性和响应性。在人工组织模型和植物模型（绿萝）中的实验表明，该装置能在不引发明显不良反应的情况下，稳定监测阳离子浓度变化，为研究植物生理过程提供了可靠工具。
2. M⁺-fOECT 监测蒸腾驱动的木质部流：M⁺-fOECT 能够快速响应阳离子变化，通过监测根 less 植物在 KCl 溶液中阳离子浓度的变化，发现木质部流对 K⁺的运输遵循蒸腾驱动的一维对流模型。此外，M⁺-fOECT 还能检测到通过控制气孔开闭调节蒸腾水平时木质部流速的变化，如光照和脱落酸（ABA）对气孔动态的影响，为研究蒸腾动力学和信号通路提供了新方法。
3. 使用 H₂O₂-fOECT 检测不同应激源诱导的 H₂O₂波：设计的 H₂O₂-fOECT 能够选择性地响应 H₂O₂，具有高灵敏度和良好的一致性。该装置能够时空分辨植物深层组织中 H₂O₂的产生和传播，不同应激源（如伤口、热应激、flg22 肽）诱导的 H₂O₂波具有不同的动力学特征，为研究 H₂O₂信号动力学和通路提供了有力手段。
4. H₂O₂波和 VP 信号的相互依赖性及应激强度依赖性：通过实验发现，H₂O₂和 VP 的产生相互依赖，阻断 RBOHD 依赖的 H₂O₂生成会阻止 VP 的产生和传播，阻断 VP 也会阻碍 H₂O₂波的传播。外源 H₂O₂不仅能触发 VP，还能剂量依赖性地决定 VP 的幅度和上升动力学。同时，H₂O₂和 VP 波的幅度和传播速度与初始应激强度正相关，且 VP 的动力学比 H₂O₂更快。
5. 木质部流对 H₂O₂和 VP 传播的影响：研究发现，木质部流对 H₂O₂和 VP 的传播有重要影响。H₂O₂波在下游方向的传播速度明显高于逆流方向，VP 传播也是下游更快。两者的幅度和传播速度都随传播距离呈指数下降，且上升时间与幅度呈负相关，这些结果表明 H₂O₂和 VP 的再生和传播密切相关。
6. 提出的新机制：基于实验结果，提出了一种依赖蒸腾和强度的 H₂O₂-VP 相互增强的传播机制。应激刺激 RBOHDs 产生 H₂O₂，H₂O₂激活 Ca²⁺通道，导致 Ca²⁺内流，进而刺激液泡通过 TPC1 通道释放内部 Ca²⁺。增加的细胞内 Ca²⁺进一步刺激 RBOHDs 产生更多 H₂O₂，并引起膜去极化，形成正反馈回路。木质部流运输的 H₂O₂触发下游细胞中 H₂O₂和 VP 波的相互增强再生，Ca²⁺离子通过胞间连丝（PDs）到达相邻细胞，促进了波的传播。

结论

本文利用柔性微纤维形状的 OECT 为植物动态生理过程的原位研究提供了多功能平台。通过设计阳离子响应性和 H₂O₂响应性 fOECTs，揭示了 H₂O₂和 VP 波的相互依赖和相互增强的正反馈回路以及强度依赖的动力学。发现 H₂O₂和 VP 波向叶片传播比向根部更快，这与木质部中 H₂O₂的定向长距离运输有关。提出的理论为进一步研究植物对胁迫的协调反应和木质部流实现的长距离信号传导提供了新的思路，未来结合微纤维电子学与分子和遗传学方法，有望更精确地解析植物各种生理过程的级联信号通路。