《Journal of Genetics and Genomics》：Current landscape of Cys-OxiPTMs in plants: from hormone signaling to phenotypic control and their potential in sustainable agriculture
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摘要将环境与发育信号整合为有序的生理反应，是植物生存的关键。如今，活性氧、氮物种和硫物种已被视为重要的信号分子，而不仅仅是具有细胞毒性的副产物。它们的特异性主要通过可逆的、位点特异性的半胱氨酸氧化翻译后修饰来实现，这些修饰构成了一种动态且复杂的“氧化还原代码”。本综述系统总结了目
摘要
将环境与发育信号整合为有序的生理反应，是植物生存的关键。如今，活性氧、氮物种和硫物种已被视为重要的信号分子，而不仅仅是具有细胞毒性的副产物。它们的特异性主要通过可逆的、位点特异性的半胱氨酸氧化翻译后修饰来实现，这些修饰构成了一种动态且复杂的“氧化还原代码”。本综述系统总结了目前植物中这类氧化还原修饰的研究进展，涵盖了化学、激素生物学、农学、检测技术以及工程学等多个领域。文中详细阐述了各类重要氧化还原修饰的化学与酶学机制，并探讨了它们如何通过时空上的相互作用来实现信号传递的特异性。此外，还分析了这些修饰如何解读并整合植物激素信号网络，从而调控关键的农艺性状。同时，也对那些推动氧化还原敏感半胱氨酸识别技术发展的前沿蛋白质组学技术进行了评估。最后，本文还探讨了通过合成生物学来“编写”氧化还原代码的可行策略。通过将这一领域从描述性研究推向预测性的“氧化还原育种”，本综述为通过操控氧化还原修饰培育出具有气候适应能力、高产的作物，进而实现可持续农业发展，提供了理论基础。
引言
数十年来，活性氧、氮物种和硫物种一直被视为有氧代谢产生的有毒副产物（Imlay, 2003）。但在过去三十年里，研究观点发生了转变：在低浓度下，这些分子实际上起着调节植物生长、发育以及应激反应的重要信号作用（Schieber and Chandel, 2014; Boscari and Frendo, 2025）。一些专门的酶系统能够产生这类活性分子，比如呼吸爆发氧化酶同源物、硝酸盐还原酶/一氧化氮合酶类似物，以及L-半胱氨酸脱硫酶及其类似物，这些酶的存在为它们在信号传导中的作用提供了遗传学依据。随着过氧化氢受体HPCA1的被发现，它能够激活阴离子通道，使得过氧化氢也被纳入主流的信号传导途径之中（Wu et al., 2020）。
那么，那些可以相互转化的活性氧、氮物种和硫物种是如何实现信号传递的特异性的呢？主要依靠可逆的、位点特异性的半胱氨酸氧化翻译后修饰（Cys-OxiPTMs）（Klomsiri et al., 2011; Boutin et al., 2024）。更广泛地说，翻译后修饰能够动态地控制蛋白质的活性、稳定性、定位以及相互作用（Mann and Jensen, 2003; Hunter, 2007）。由于这类修饰具有可逆性，因此植物能够在不改变基因表达或蛋白质更新速度的情况下，高效且快速地适应外界环境变化（Pawson, 1995; Finkel and Holbrook, 2000）。在这个框架下，Cys-OxiPTMs形成了一种复杂的氧化还原信号语言，其核心在于半胱氨酸硫醇独特的化学特性，尤其是其可极化的硫原子以及可变的质子化状态（Paulsen and Carroll, 2013）。
在所有构成蛋白质的氨基酸中，半胱氨酸是一种独特的化学开关。它的硫醇侧链上含有一个亲核性极强的硫原子，这使得它对活性氧、氮物种和硫物种的氧化作用极为敏感（Paulsen and Carroll, 2013）。半胱氨酸能够经历多种可逆的氧化反应：从硫醇变为S-磺苯基化形式，进一步变为S-亚磺酰化或S-磺酰化形式；不过过去人们认为后两种反应是不可逆的，但在某些情况下硫氧还蛋白也能够还原亚磺酸。值得注意的是，S-磺苯基化形式可以作为后续反应的枢纽，进而形成S-亚硝基化、S-谷胱甘肽化、S-过硫化反应，或者形成二硫键。这些不同的氧化修饰作用就像分子调节器一样，能够以极高的时空精确度动态调整蛋白质的构象、活性以及与其他分子的相互作用（Tonks, 2006; Cremers and Jakob, 2013; Cobley, 2024）。由于这类修饰具有可逆性，因此能够实现对蛋白质功能的刺激响应式控制（Sevilla et al., 2023）。正是这种化学多样性，使得简单的硫醇分子变成了可调控的调节器，为复杂的氧化还原信号传递提供了分子基础。
鉴于该研究领域的快速发展，当前亟需一篇整合化学、激素生物学、农学以及蛋白质组学知识的综述文章。本综述旨在系统阐述植物中的Cys-OxiPTMs相关内容，具体目标如下：首先，我们会详细介绍Cys-OxiPTMs如何调控激素信号传导，重点介绍已知的以及新发现的氧化还原节点。同时，我们也会分析Cys-OxiPTMs产生的时空动态特征、具体的作用靶标，以及它们与激素信号传导之间的相互作用网络。其次，我们会探讨这些分子开关如何转化为具体的农艺性状，阐明半胱氨酸的氧化还原状态与作物产量及品质之间的关系。第三，我们会对那些能够在蛋白质组水平上识别和定量氧化还原敏感半胱氨酸的蛋白质组学技术进行批判性分析，探讨区分功能性氧化反应与无关氧化反应的难点，以及目前在动态跟踪和系统层面解析方面的局限性。最后，我们会探索通过合成生物学、对氧化还原敏感半胱氨酸进行精准编辑，以及构建氧化还原调节因子等方式来“编写”氧化还原代码的可行性，同时也会分析相关风险和尚未解决的问题。只有克服这些障碍，弄清Cys-OxiPTM介导的激素信号网络与农艺性状之间的相互作用关系，才能建立起一个完善的理论框架。通过策略性地操控这些氧化还原节点，我们可以找到新的分子靶标，为培育具有抗逆性的作物提供新的思路。通过整合这些不同的研究视角，我们期望能够推动植物氧化还原研究从描述性分类向预测性的“氧化还原育种”和“氧化还原设计”发展，最终助力培育出具有气候适应能力、高产的作物。
本综述的后续内容将按照一定的逻辑顺序展开。首先，我们会阐述氧化还原代码的化学规则，然后分析激素信号传导途径是如何解读这些规则的。接着，我们会探讨氧化还原调节如何影响植物的生长发育过程，进而影响关键的农艺性状，重点分析那些已经明确从特定Cys-OxiPTM到表型特征的机制案例。之后，我们会评估那些有助于或限制相关研究进展的技术手段，最后探讨如何将这些知识应用到作物培育实践中。
章节要点
主要的Cys-OxiPTM类型
Cys-OxiPTMs早在150多年前就被首次发现，但很长一段时间里都被视为植物受损和衰老的标志（Sies et al., 2024）。最近的科研进展则将它们重新定义为一种活跃的“氧化还原代码”。与其他翻译后修饰类似，Cys-OxiPTMs也构成了一种动态的信号语言，帮助植物以极高的时空精确度感知并整合各种外界刺激（Wang et al., 2024a）。氧化还原信号传递依赖于硫元素的化学性质：其3p价电子以及可利用的3d轨道赋予了硫元素很高的极化能力，从而便于发生氧化反应
半胱氨酸氧化还原修饰在生长素代谢、感知与运输调控中的作用
目前人们已经认识到，氧化还原稳态与生长素信号传导之间的相互作用，主要是通过Cys-OxiPTMs来实现的，它们负责在生长素的稳态维持与信号传导之间起到调节作用。生长素会促使RBOH酶产生过氧化氢，同时通过FERONIA受体激酶以及胞质钙离子信号传导途径产生一氧化氮（Wang et al., 2023a; Lu et al., 2024）。此外，生长素还会通过促进抗坏血酸过氧化物酶1的脱亚硝基化反应来升高过氧化氢浓度，进而部分抑制这种具有清除过氧化氢功能的酶的活性
从静态目录到动态解析：构建高分辨率的4D氧化还原图谱
目前基于质谱的技术虽然能够检测出蛋白质上的修饰位点，但却无法区分那些具有功能意义的修饰与无关的氧化反应。未来的研究应该重点关注以下方向：第一，开发能够在多种植物物种和不同细胞类型中稳定表达的基因编码型氧化还原传感器，再结合微流控技术和光遗传学方法，实现亚细胞氧化还原动态变化的毫秒级监测。第二，利用邻近标记技术开展空间分辨型的氧化还原蛋白质组学研究，系统地分析不同区域内的氧化还原状态变化
结论
对植物Cys-OxiPTMs的研究已经从原本属于氧化应激研究范畴的边缘领域，发展成为一个连接化学、发育生物学、农学以及可持续农业发展的跨学科核心领域。如今，我们正处于一个绝佳的机遇时期：新一代的氧化还原传感器、精准的基因组编辑技术以及合成生物学技术都可以被整合起来，真正实现“编写”植物氧化还原代码的目标。未来作物改良的工作方式，将不再仅仅依赖于堆砌抗逆基因，而是要通过合理的基因工程手段来实现
未引用参考文献
Li et al., 2023; Wang and Chu, 2020a.
致谢
山东省自然科学基金（ZR2026QA02）、国家自然科学基金（32573008；32272697；32322008；32272557）、山东省重点研发计划（农业良种工程项目）（2026LZGC028）。作者们特别感谢中国科学院遗传与发育生物学研究所的左建儒教授，他对本综述的撰写提出了许多宝贵的建议。
Dan Zhao|Feifei Huang|Haimiao Zhang|Yanjie Xie|Guozhi Bi|Wen-Cheng Liu|Yi Han|Juan Chen|Yuan Zheng|Feihua Wu|Xinhua Ding|Biao Gong
