热胁迫通过钙信号和脂氧合酶驱动大麦根尖缺氧诱导的铁死亡样细胞死亡

《Environmental and Experimental Botany》：Drought stress modulates the molecular response of Arabidopsis plants to root-knot nematode infection

本研究针对高温和强降雨同时发生加剧作物涝害的问题，探讨了水涝/缺氧条件下大麦根尖细胞死亡的分子机制。研究人员发现，热胁迫加速了根际缺氧，诱发了一种依赖于胞外Ca2+内流、由脂氧合酶(LOX)驱动的铁死亡样细胞死亡过程，该过程涉及铁依赖性ROS生成和脂质过氧化。结果表明，未来气候变化可能导致高温和涝害协同发生，对包括大麦在内的作物生产构成严重威胁。

　　

随着全球气候变暖，极端天气事件变得更加频繁和剧烈。其中，短时强降雨和随之而来的涝害，与高温天气的协同作用，对农业生产构成了严峻挑战。作物根系对土壤水涝极其敏感，水涝导致根际氧气迅速耗尽，形成缺氧环境，进而引发根系损伤甚至死亡。大麦作为重要的粮食作物，其根系对水涝胁迫的响应机制尚不完全清楚。以往的研究表明，缺氧可诱导根尖细胞死亡，但其具体的分子执行方式，特别是在高温加剧缺氧的条件下，仍有待深入探索。细胞死亡有多种形式，铁死亡是近年来在哺乳动物细胞中发现的一种铁依赖性、脂质过氧化驱动的调节性细胞死亡方式，其在植物中的存在及在逆境胁迫中的作用正逐渐被揭示。在此背景下，由??ubica Liptáková、Ladislav Tamás等研究人员组成的研究团队，在《Environmental and Experimental Botany》上发表了他们的最新研究成果，深入揭示了热胁迫如何通过加速缺氧，进而触发大麦根尖发生铁死亡样细胞死亡的关键机制。

为开展此项研究，研究人员主要运用了几项关键技术：首先，他们建立了模拟水涝和热胁迫的实验体系，通过将大麦幼苗根系浸入水中并在不同温度（25°C至40°C）下培养，利用溶解氧测量仪实时监测根际氧浓度变化。其次，他们采用药理学方法，使用了一系列特异性抑制剂，包括铁螯合剂（如deferoxamine, DFO和ciclopirox olamine, CPX）、脂质过氧化抑制剂（如ferrostatin-1, Fer-1和liproxstatin-1, Lip-1）、脂氧合酶(LOX)抑制剂（如naproxen和propyl gallate）以及钙离子螯合剂（EGTA），来干预潜在的细胞死亡通路。第三，通过Amplex UltraRed (AUR)过氧化氢检测试剂盒定量根尖活性氧(ROS)水平，通过硫代巴比妥酸反应物(TBARS)法测定脂质过氧化程度，并通过Evans blue染色和SYTOX Green染色来定量和定位细胞死亡。第四，使用BODIPY? 581/591 C11荧光探针可视化脂质过氧化的空间分布。第五，采用改良的比色法测定脂氧合酶(LOX)活性。最后，利用普鲁士蓝染色法检测根尖细胞中三价铁(Fe³⁺)的积累。所有实验数据均经过统计学分析，以确保结果的可靠性。

3.1. 热胁迫加速水涝下大麦根尖缺氧的发展以及缺氧诱导的ROS产生、脂质过氧化和细胞死亡

研究人员发现，将大麦幼苗根系浸入水中后，根际溶解氧浓度迅速下降，形成缺氧环境（氧浓度低于3 mg/L）。在25°C下，60分钟即可达到缺氧状态，120分钟后氧浓度降至临界低水平（低于2 mg/L）。重要的是，温度升高显著加速了氧气的消耗，在40°C时，水涝仅30分钟后氧浓度就已降至约2 mg/L。这种缺氧条件引发了根尖ROS产生、脂质过氧化和细胞死亡的增加，且这些过程在40°C下比在较低温度下发展得更快。相比之下，在常氧条件下，短时热应激（40°C，2小时）虽能增加ROS生成，但并未诱导脂质过氧化和细胞死亡。通过荧光染色观察发现，缺氧诱导的脂质过氧化和细胞死亡始于根过渡区（包括周围的分生组织和伸长区），随后扩散至几乎整个根尖。

3.2. 水涝下大麦根尖缺氧诱导铁死亡样细胞死亡

为了探究细胞死亡的类型，研究人员使用了铁死亡的特异性抑制剂。铁螯合剂DFO和CPX能浓度依赖性地显著抑制缺氧诱导的脂质过氧化和细胞死亡。同时，缺氧诱导的细胞死亡伴随着根尖细胞中Fe³⁺的积累，这是铁死亡的一个特征。此外，脂质过氧化抑制剂Fer-1和Lip-1（10 μM）也能有效抑制缺氧诱导的脂质过氧化和细胞死亡。值得注意的是，NADPH氧化酶抑制剂DPI对缺氧诱导的ROS生成、脂质过氧化和细胞死亡没有影响，提示ROS来源可能不是质膜NADPH氧化酶。这些药理学证据共同表明，缺氧诱导的根尖细胞死亡具有铁死亡的关键特征。

3.3. 水涝下大麦根尖的铁死亡样细胞死亡由Ca²⁺信号诱导并由LOX驱动

研究进一步揭示了铁死亡样细胞死亡的上游信号事件。研究发现，缺氧条件能迅速诱导根尖LOX活性升高，且LOX活性的增加先于显著的脂质过氧化和细胞死亡。LOX抑制剂naproxen和propyl gallate（0.1 mM）能显著降低缺氧诱导的LOX活性、脂质过氧化和细胞死亡。更重要的是，使用Ca²⁺螯合剂EGTA螯合胞外Ca²⁺，能强烈抑制缺氧诱导的ROS生成、脂质过氧化和细胞死亡，并且EGTA处理也显著降低了缺氧诱导的LOX活性。在防止缺氧诱导的根尖死亡方面，DFO、naproxen和EGTA效果最为显著。这表明，胞外Ca²⁺内流在启动缺氧信号通路中起着关键作用，并通过调控LOX活性来驱动铁死亡样细胞死亡。

综合讨论与结论，本研究证实了在高温加剧的水涝/缺氧胁迫下，大麦根尖会发生一种铁死亡样细胞死亡。该过程的核心机制涉及：热胁迫加速根际缺氧；缺氧触发胞外Ca²⁺内流进入细胞质；Ca²⁺信号激活脂氧合酶(LOX)；LOX活性升高驱动脂质过氧化；同时，铁依赖性ROS生成进一步加剧膜脂损伤，最终导致细胞死亡。这项研究的重要意义在于，首次系统地揭示了Ca²⁺信号在植物缺氧诱导铁死亡中的起始作用，并明确了LOX是此过程中的关键效应器。研究结果指出，即使在相对温和的高温（30°C）下，水涝诱导的铁死亡样细胞死亡也可能在1-2小时内发生。这预示着，未来气候变化导致高温和强降雨同时发生的频率增加，可能会通过诱发作物根系的快速铁死亡，对全球粮食安全构成严重威胁，也为通过调控铁死亡通路来提高作物耐涝性提供了新的思路和潜在靶点。