综述：活性氧、抗氧化剂与植物发育的调控

《The FEBS Journal》：Reactive oxygen species, antioxidants and the regulation of plant development

　　

植物生长发育的可塑性受到内源因素，特别是植物激素（如生长素（auxin）和细胞分裂素（cytokinin））以及外源信号（调节腋芽萌发和休眠等过程）的精细调控。它们在茎尖积累（顶端优势（apical dominance）），抑制下方腋芽的生长。由活性氧（ROS）产生触发的氧化还原翻译后修饰（PTM）是生长素和细胞分裂素信号传导以及器官间通讯的重要调节因子。ROS 作为下游效应器，在某些情况下是细胞分裂素介导途径的抑制剂，而生长素信号蛋白 IAA3 的氧化还原依赖性多聚化影响与其他生长素信号成分的相互作用，从而抑制下游基因表达。抗氧化剂，抗坏血酸（ASC）和谷胱甘肽（GSH），不仅清除 ROS，还通过谷氧还蛋白（GRX）和其他氧化还原介质的参与，参与氧化还原信号网络。研究人员考虑了 ROS、ROS 加工蛋白和抗氧化剂在休眠和腋芽萌发调控中的作用，强调了管理作物株型和生产力的新策略。

**分生组织功能的氧化还原调控**
细胞氧化还原状态是氧化剂（如超氧化物和 H₂O₂）、氧化还原加工蛋白（如硫氧还蛋白（TRX）、谷氧还蛋白（GRX）和过氧化物氧还蛋白（PRX））以及抗氧化剂（如抗坏血酸（ASC）和还原型谷胱甘肽（GSH））之间的动态平衡。每个植物细胞区室均产生 ROS，而呼吸爆发氧化酶同源物（RBOH）和线粒体电子传递链是分生组织和非绿色组织中 ROS 的主要来源。H₂O₂ 是蛋白质氧化还原翻译后修饰（PTM）的核心调节因子，主要作用于蛋白质半胱氨酸（Cys）残基，不仅调节蛋白质结构和功能，还能促进液-液相分离，形成异型转录凝聚体以改变基因表达。ROS 和相关的氧化还原 PTM 调节细胞分裂、分化、细胞扩张，以及种子休眠萌发、根和芽的分枝及开花。这种调控通常涉及与植物激素（如生长素（auxin）、细胞分裂素（cytokinin）和脱落酸（ABA））的相互作用。蛋白质 Cys 残基的氧化可对蛋白质稳定性、结构和命运产生深远影响，并可改变特定蛋白质的相互作用组，形成二硫键连接的二聚体及更高阶结构（如应激颗粒）。Cys 氧化可由酶催化（如蛋白质二硫键异构酶）或通过硫醇过氧化物酶间接发生。转录因子（TF）是 Cys 和硫醇基氧化修饰的主要靶标，例如 ROS 和一氧化氮（NO）在生长素信号受体 TIR1/AFB 的保守 Cys 残基上诱导可逆氧化修饰，对受体核输入及与 Aux/IAA 阻遏蛋白的互作至关重要。Cys 氧化形成二硫键或次磺酸是可逆过程，由 TRX 和 GRX 催化。植物细胞核中转录因子和其他调节蛋白的 Cys 依赖性调控是控制生长发育的主要枢纽，例如 TERMINATING FLOWER（TMF）转录因子对 ANANTHA 启动子的调控，以及生长素阻遏蛋白 IAA3 的氧化还原依赖性多聚化。分生组织细胞（茎尖分生组织 SAM 和根尖分生组织 RAM）保持高度还原状态以促进基因组稳定性。ROS 的产生主要来源于线粒体和 RBOH 酶。RBOHC 和其他根定位 RBOH 调节根对环境刺激的反应，而 RBOHD 和 RBOHF 调节气孔关闭和免疫反应。超氧化物和 H₂O₂ 在分生组织中发挥不同信号功能：超氧化物维持未分化细胞，H₂O₂ 促进分化。UPBEAT1（UPB1）转录因子维持过渡区超氧化物与 H₂O₂ 的平衡。植物抗氧化系统由酶和低分子量代谢物（ASC 和 GSH）组成，不仅维持细胞氧化还原稳态，还调节生长。根尖分生组织静止中心（QC）的细胞保持高度氧化状态，ASC 和 GSH 仅以氧化形式存在，导致细胞周期阻滞于 G1 期。ASC 和 GSH 在 ASC-GSH 循环中常被关联，但具有独特且独立的功能。蛋白质 S-谷胱甘肽化（protein-SSG）是可逆 PTM，由 GRX 逆转。GRX 分为四类，其中 ROXY 蛋白（CC 型 GRX）通过调节 TGA 转录因子调控顶端发育。抗坏血酸合成途径的最后一步由 L-半乳糖-1,4-内酯脱氢酶（GLDH）催化，该酶定位在线粒体内膜，对复合体 I 组装必需。线粒体是分生组织能量代谢和信号传导的核心，线粒体 ROS（mtROS）通过电压依赖性阴离子选择性通道蛋白（VDAC）转移至胞质，作为关键的逆行信号。芽进入休眠时，线粒体代谢重塑，抑制氧化呼吸；芽萌发时伴随线粒体 ROS 产生。mtROS 是线粒体-核逆行信号（MRS）途径的关键组分，激活线粒体功能障碍刺激子（MDS）基因表达，如 ALTERNATIVE OXIDASE（AOX1a），以恢复稳态。

**腋芽静止与萌发的环境依赖性调控**
ASC 和/或 GSH 依赖的氧化还原过程调节参与激素信号途径的蛋白质。激素（如乙烯、ABA、生长素、细胞分裂素和赤霉素）的感知激活 RBOH，引发质外体 ROS 爆发，启动氧化还原信号通路。例如，生长素激活 RBOH 并导致 ASC 过氧化物酶的去亚硝基化，降低拟南芥根中的活性。生长素诱导的 ROS 积累导致 IAA 分解为 oxIAA，形成反馈环。番茄中，H₂O₂ 在质外体积累通过限速酶 FZY 促进顶端 IAA 合成，进而抑制茎节处细胞分裂素合成（IPT2），从而抑制腋芽生长。沉默 RBOH 基因限制 H₂O₂ 产生，导致 IPT2 表达增强和高度分枝表型。乙烯应答因子（ERF）在芽休眠释放中被诱导，ERF-VII 可能在能量短缺时被稳定，重塑细胞代谢以驱动芽萌发。在玫瑰中，静止芽维持高 H₂O₂ 含量，萌发诱导时 H₂O₂ 下降，由 ASC-GSH 循环活性和 GSH 生物合成上调驱动。外源 H₂O₂（5 mm）或抑制 GSH 合成（丁硫氨酸亚砜胺，BSO）均阻止芽萌发。细胞分裂素作为光信号早期靶标，刺激 GSH 合成，激活 ASC-GSH 依赖的 H₂O₂ 清除以促进芽萌发。综合来看，生长素和细胞分裂素通过 ROS–ASC–GSH 网络拮抗：生长素促进 RBOH 依赖的 H₂O₂ 产生以维持芽抑制；细胞分裂素促进 GSH 依赖的 H₂O₂ 清除以促进萌发。不同物种和 ROS 浓度处理显示出环境依赖性作用，例如高浓度 H₂O₂ 抑制玫瑰腋芽萌发但诱导葡萄芽萌发。

**芽休眠的氧化还原调控**
ROS 信号和氧化还原代谢通过调节激素功能、能量代谢、细胞周期和细胞间通讯在休眠动态中发挥重要作用。休眠由环境信号（温度和光周期）及内源信号（如 ABA）决定。光周期调控 ABA 水平，ABA 促进并维持休眠，通过调节细胞间通讯（胞间连丝）实现。乙烯利（Ethephon）人工诱导或延长休眠，导致 H₂O₂ 积累延长。不同苹果品种显示不同的 H₂O₂ 积累模式。葡萄芽中，H₂O₂ 水平在休眠建立期间升高，主要由于过氧化物酶（POD）活性增加，随后在芽萌发时下降。氰胺（HC）等处理引起的休眠打破与 H₂O₂ 瞬时增加相关。能量代谢是多年生芽休眠动态的核心决定因素，真实休眠阶段显示已糖水平降低和呼吸抑制，更活跃的静止阶段则伴有线粒体氧化磷酸化升高。ROS 和低氧参与此代谢调控，低氧条件下线粒体 ROS 产生驱动逆行信号强化静止，而休眠释放时氧化代谢转变产生 ROS 信号，与 T6P 感知的糖可用性增加协同促进细胞周期再进入。分生组织细胞在缺乏生长促进条件时细胞周期阻滞于 G1 期。HC 处理触发氧化应激相关基因表达，随后上调细胞周期和细胞壁降解基因，导致细胞壁松弛和芽萌发。氧化还原调控胞间连丝孔径是控制细胞间通讯的关键机制。光周期诱导的 ABA 积累导致胞间连丝中胼胝质沉积，阻断移动信号分子运输，维持休眠。生长素促进胼胝质水解，GA 依赖的胼胝质降解重新打开胞间连丝，允许 FLOWERING LOCUS T 等移动元件运输，促进休眠释放。

**结论与展望**
大量证据支持 ROS 是植物器官发育的关键调节因子，通过特定 RBOH 形式产生的超氧化物和 H₂O₂ 在平衡细胞分裂与分化中发挥特殊作用。许多物种中 RBOH 基因家族庞大且功能重叠，阻碍了特定 RBOH 形式的鉴定。地钱（Marchantia polymorpha）RBOH 基因较少，其双突变体表现出严重发育缺陷和形态异常。已鉴定的 ROS 调控因子包括丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）以及转录因子（如 BES1/BZR1 和 GRF8），它们通过氧化还原修饰调控活性。目前对每个细胞区室 ROS 积累如何贡献于腋芽分生组织发育和生长的整体调控仍存在重大知识空白。RBOH 酶和其他 ROS 产生系统对腋芽萌发是必需的，但其作用方式尚待阐明。此外，这些过程具有环境依赖性，ROS 可能促进生长或促进静止，取决于发育、环境和营养信号。光周期、温度和植物激素在调控芽萌发和休眠中起重要作用，但氧化还原信号如何与这些因素整合以控制腋芽萌发知之甚少。多年生植物腋芽萌发过程中细胞氧化还原变化的具体调控机制仍不明确。季节性细胞氧化还原状态变化与休眠转换相关的功能意义尚待阐明。全面了解腋芽萌发的氧化还原调控将为控制腋芽萌发提供更好见解，从而确定提高产量的新靶点。