氫氣生物醫(yī)學(xué)中非常重要的研究方向是弄清除氫氣作用的分子基礎(chǔ)，或者簡(jiǎn)單說(shuō)從分子水平上解釋清除為什么氫氣會(huì)產(chǎn)生作用。弄清除氫氣作用基礎(chǔ)，對(duì)理解氫氣的作用原因十分重要，對(duì)推廣和介紹氫氣作用的道理，對(duì)擴(kuò)大和推進(jìn)氫氣的臨床應(yīng)用都是非常必要的工作。
但是作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的氣體分子，弄清氫氣的分子作用也存在非常尷尬的困難。因?yàn)檫@種氣體沒(méi)有空間結(jié)構(gòu)，難以采用平常研究復(fù)雜分子的標(biāo)記方法。又因?yàn)闅湓邮撬杏袡C(jī)物的基本組成元素，在進(jìn)行追蹤研究中也容易受到背景的干擾。另外動(dòng)物細(xì)胞本身不能產(chǎn)生氫氣，目前也不掌握哪些蛋白參與氫氣在細(xì)胞內(nèi)的代謝過(guò)程，這導(dǎo)致難以采用針對(duì)性基因調(diào)控技術(shù)開(kāi)展研究。
比較起來(lái)，植物生物學(xué)效應(yīng)有自身的優(yōu)勢(shì)，尤其是研究發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞自身具有合成氫氣的能力，從植物合成氫氣的途徑研究氫氣效應(yīng)是動(dòng)物細(xì)胞不具有的優(yōu)勢(shì)。因此，在氫氣分子基礎(chǔ)研究方面，植物效應(yīng)研究或許能率先取得突破。我國(guó)氫氣植物學(xué)研究幾乎獨(dú)占和絕對(duì)領(lǐng)先于國(guó)際，也是氫氣生物學(xué)研究的特色之一，是我國(guó)氫氣生物醫(yī)學(xué)研究的幸運(yùn)和機(jī)遇。最近，從事氣體植物學(xué)效應(yīng)研究最活躍的團(tuán)隊(duì)，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)沈文飚教授課題組，在著名植物學(xué)雜志Environmental andExperimental Botany(環(huán)境和實(shí)驗(yàn)植物學(xué))發(fā)表最新研究論文，證明一氧化氮是氫氣發(fā)揮植物調(diào)節(jié)效應(yīng)的內(nèi)源性分子。
一氧化氮是生物學(xué)超級(jí)明星分子，最具有代表性的是關(guān)于該氣體研究的三名生理學(xué)家1998年獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng)。一氧化氮不僅是重要的植物信號(hào)分子，在植物生理調(diào)節(jié)中也發(fā)揮重要作用。例如各種植物抗逆效應(yīng)中，一氧化氮就是重要信號(hào)調(diào)節(jié)分子。氫氣也具有提高植物抗逆效應(yīng)。如氫氣和一氧化氮都具有提高植物耐受高滲透壓力的作用，但相應(yīng)因果關(guān)系尚不清楚。本研究結(jié)果表明，氫氣的效應(yīng)可能是通過(guò)著名的一氧化氮實(shí)現(xiàn)的。難道是明星分子之間的惺惺相惜?
聚乙二醇對(duì)種子萌發(fā)有促進(jìn)作用，本研究發(fā)現(xiàn)富氫水具有促進(jìn)聚乙二醇誘導(dǎo)苜蓿幼苗根的一氧化氮的產(chǎn)生，幼苗生長(zhǎng)抑制的也顯著改善，富氮水沒(méi)有這種效應(yīng)提示是氫氣的特異性作用，而并非由于氧氣不足導(dǎo)致的結(jié)果。硝酸還原酶是植物組織內(nèi)一氧化氮的合成酶，鎢酸具有抑制該酶活性的作用，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鎢酸能阻止氫氣造成的上述表型，說(shuō)明氫氣的效應(yīng)需要依賴(lài)于硝酸還原酶合成一氧化氮的作用。脯氨酸積累是許多生物，包括高等植物，在環(huán)境脅迫下的一種非常顯著的代謝適應(yīng)機(jī)制，被認(rèn)為對(duì)逆境中的植物起保護(hù)作用?！?-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)是脯氨酸合成酶，脯氨酸脫氫酶是線(xiàn)粒體內(nèi)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)脯氨酸的分解代謝。氫氣和一氧化氮都可以促進(jìn)P5CS的活性，也可以抑制脯氨酸脫氫酶活性。組織化學(xué)染色和活性氧產(chǎn)量測(cè)定證明氫氣和一氧化氮都具有提高植物抗氧化能力和減少氧化損傷的作用，能促進(jìn)重新建立氧化還原平衡。使用一氧化氮清除劑，能逆轉(zhuǎn)氫氣在脯氨酸合成、氧化還原平衡和滲透壓導(dǎo)致?lián)p傷等方面的保護(hù)效應(yīng)。氫氣誘導(dǎo)的S亞硝基化也因一氧化氮的清除而被取消。上述研究結(jié)果表明，內(nèi)源性一氧化氮誘導(dǎo)脯氨酸，促進(jìn)氧化還原平衡，是氫氣誘導(dǎo)植物對(duì)滲透壓抗逆效應(yīng)的分子基礎(chǔ)。
本圖是模型制備過(guò)程，加入PEG可導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受抑制。
這是本研究論文的模式圖
Su, Jiuchang, Zhang, Yihua, Nie, Yang, Cheng, Dan,
Wang, Ren, Hu, Huali, Chen, Jun, Zhang, Jiaofei, Du, Yuanwei, Shen, Wenbiao, Hydrogen-induced osmotic tolerance is associated with nitric oxide-mediated proline accumulation and reestablishment of redox balance in alfalfa seedlings.Environmental and Experimental Botany https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2017.12.022
