這是英國(guó)生化學(xué)家 J T在Plant上寫(xiě)的最新。氫分子(氫氣)是一種非常小的分子，相對(duì)不溶于水和相對(duì)惰性。盡管如此，幾乎毫無(wú)疑問(wèn)，氫氣對(duì)從植物[1]到人類的一系列生物都有深遠(yuǎn)的影響。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，氫氣已被建議作為治療一系列疾病的治療藥物，包括神經(jīng)退行性疾病和COVID-19。甚至有人建議它可以作為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)充劑。
氫氣可以作為氣體或溶解在合適的介質(zhì)中噴灑到植物或植物組織中。對(duì)于后者，氫氣通常在水中鼓泡，形成富氫溶液，稱為富氫水(氫水)。這可以添加到土壤(或飼料溶液)或噴灑在樹(shù)葉上。Wu等利用該方法研究了氫氣對(duì)白菜鎘脅迫的影響。
利用這種方法，已經(jīng)有許多關(guān)于氫氣在植物中影響的報(bào)道。氫氣參與種子萌發(fā)，尤其是在鹽脅迫下。富氫水(氫水)促進(jìn)根的生長(zhǎng)，尤其是在各種脅迫條件下，例如當(dāng)存在過(guò)量的金屬離子時(shí)。有人認(rèn)為，氫氣的這種壓力緩解可能涉及植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。
氫氣是安全的。Sun等人給出了他們認(rèn)為氫氣對(duì)人類是安全的三個(gè)理由，因此，擴(kuò)展到用于糧食作物的植物處理也是安全的。首先，氫氣作為深海潛水的壓縮氣體已經(jīng)使用了幾十年，沒(méi)有任何不良影響的報(bào)道。其次，氫氣是一種內(nèi)源性氣體，產(chǎn)生于腸道。第三，有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明氫氣是安全的。（這個(gè)內(nèi)容是對(duì)我們《氫氣生物醫(yī)學(xué)》書(shū)中氫氣生物安全性的總結(jié)）另一方面，氫氣是高度易燃的，所以如果在密閉的地方使用，如在溫室中，需要謹(jǐn)慎。
氫氣是如何作用于植物的還不是很清楚。如果噴到葉子上，我們不知道有多少氫氣進(jìn)入了植物組織，但如果看到了效果，顯然它必須進(jìn)入。即使用作氫水, 氫氣也極有可能相對(duì)較快地進(jìn)入氣相，因此可能需要重復(fù)處理。氫氣的直接作用也很難理解，即氫氣的分子目標(biāo)是什么。氫氣可能太小了，不能以傳統(tǒng)的方式與蛋白質(zhì)受體相互作用。然而，有報(bào)道稱氫氣作為一種抗氧化劑，最有可能的目標(biāo)是羥基自由基或過(guò)氧亞硝酸鹽分子(ONOO−)。后者是由一氧化氮(NO)和超氧陰離子反應(yīng)形成的。據(jù)認(rèn)為，氫氣與其他活性氧(ROS)，如超氧陰離子或過(guò)氧化氫(氫氣O2)，或其他活性氮(如NO)反應(yīng)的可能性較小。氫氣也不太可能參與多肽中氨基酸的直接修飾，這可能是氫氣O2(通過(guò)氧化)或NO(通過(guò)s -亞硝基化的典型機(jī)理。其他人認(rèn)為氫氣作用于酶，如血紅素加氧酶，但其直接相互作用尚不清楚。
在此，本特刊(SI)邀請(qǐng)?jiān)擃I(lǐng)域的專家們就氫氣在植物科學(xué)中的作用和應(yīng)用進(jìn)行最新的研究和評(píng)價(jià)。
2. 氫氣對(duì)植物的影響
在這個(gè)SI中，和Lim詢問(wèn)氫氣是否可以用于延長(zhǎng)鮮花的花瓶壽命。收獲后是一個(gè)非常重要的話題。在一些國(guó)家，收獲后的廢物估計(jì)超過(guò)40%。作物必須具有商業(yè)可行性、食用安全以及為消費(fèi)者所接受。這后一點(diǎn)與鮮花非常相關(guān)，因?yàn)槿藗兤谕鼈兛雌饋?lái)很好，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)越好。和Lim回顧了各種用于向工廠輸送氫氣的方法，包括氫水、氫納米氣泡水(HNW)和鎂氫化物(氫化鎂)。研究中使用的植物包括玫瑰、康乃馨和百合?？傊?，氫氣的應(yīng)用提高了花卉的瓶插壽命，作者得出結(jié)論，這一工作應(yīng)繼續(xù)釋放氫氣在花卉業(yè)的使用潛力。有趣的是，作者還討論了氫氣使用的成本效益分析，并認(rèn)為勞動(dòng)力成本是一個(gè)問(wèn)題。當(dāng)然，隨著氫氣被更多地用于其他行業(yè)，如運(yùn)輸能源，氫氣的成本和交付可能會(huì)變得更便宜。
Li等延續(xù)了使用氫氣延長(zhǎng)鮮花花瓶壽命的主題。在這里，作者使用了HNW，他們說(shuō)，與傳統(tǒng)的氫水相比，HNW具有更高的溶解氫氣的濃度，氫氣的剩余溶解時(shí)間更長(zhǎng)，這兩種特性都將有利于廣泛使用。他們的數(shù)據(jù)顯示，5%的高凈值人群顯著延長(zhǎng)了切割康乃馨的花瓶壽命。該濃度優(yōu)于其他濃度的HNW，優(yōu)于水或氫水。他們的改善措施包括電解質(zhì)泄漏、氧化損傷和花瓣細(xì)胞死亡。作者認(rèn)為高凈值水果在采后保鮮方面具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)然，用氫分子進(jìn)行治療很可能比使用一些有爭(zhēng)議的替代品要安全得多，比如硫化氫，它已知有毒性[22]。對(duì)于花卉來(lái)說(shuō)，這可能不是一個(gè)太大的問(wèn)題，但如果同樣的處理方法用于糧食作物的收獲后保存，可能會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。
Cheng等人已經(jīng)將氫氣的應(yīng)用應(yīng)用到田間，并對(duì)這種處理是否會(huì)改善水稻進(jìn)行了試驗(yàn)。他們也用高凈值，把它比作水溝。他們的數(shù)據(jù)表明，HNW增加了糙米/粗米和白米的長(zhǎng)度、寬度和厚度。然后，他們研究了這些植物的基因表達(dá)，并將生理變化與分子變化聯(lián)系起來(lái)。在白米中，他們沒(méi)有看到總淀粉含量的差異，但淀粉酶下降。鎘的積累也減少，這也與基因表達(dá)模式相關(guān)。總的來(lái)說(shuō)，這樣的工作表明，氫氣處理可以進(jìn)行更大規(guī)模的研究，而不僅僅是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。作者得出結(jié)論，施用氫氣確實(shí)能提高水稻的品質(zhì)，應(yīng)該作為未來(lái)的一種處理方法。雖然在之前就有關(guān)于氫氣的田間試驗(yàn)的報(bào)道，但這是相對(duì)罕見(jiàn)的，如果要在農(nóng)業(yè)上更廣泛地使用氫氣處理，當(dāng)然需要進(jìn)行更大規(guī)模的工作，如這樣的工作。
毫無(wú)疑問(wèn)，氫氣處理植物是有益的，正如本SI中的論文和這些作者引用的其他論文所證明的那樣。越來(lái)越多的證據(jù)表明，在不同的物種上，氫氣的使用將被視為有利的，無(wú)論是在田間使用還是在收獲后使用。盡管分子機(jī)制還沒(méi)有被很好地理解，接下來(lái)的論文以某種方式揭示了氫氣可能在植物組織中做什么。
3.氫氣作用機(jī)理
細(xì)胞中使氫氣產(chǎn)生作用的機(jī)制也是本SI論文的重點(diǎn)。Zhao等人研究了氫氣與葡萄糖在黃瓜不定根中的相互作用。葡萄糖胺阻斷了氫水的作用，表明葡萄糖含量可能介導(dǎo)了根的發(fā)育。氫水增加了細(xì)胞內(nèi)一系列糖基代謝物的含量，包括葡萄糖、淀粉、蔗糖、葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸和葡萄糖-1-磷酸。氫水處理導(dǎo)致數(shù)種相關(guān)酶的活性增加，包括己糖激酶、丙酮酸激酶和蔗糖合酶，而且，基因表達(dá)模式與這些發(fā)現(xiàn)相匹配。有趣的是，作者指出，氫水的所有積極作用都被葡萄糖胺抑制，他們得出結(jié)論，氫氣通過(guò)促進(jìn)葡萄糖代謝來(lái)調(diào)節(jié)不定根的生長(zhǎng)。
關(guān)于氫氣效應(yīng)的文獻(xiàn)傾向于支持氫氣增加細(xì)胞抗氧化水平的觀點(diǎn)。例如，Wu等人報(bào)告了鎘脅迫下白菜的抗氧化能力增加，而Chen等人表明采后使用氫水提高了(蘑菇)的抗氧化能力。在這期SI中，Jiang等人也研究了抗氧化能力，以及如何通過(guò)使用韭菜進(jìn)行氫氣處理來(lái)提高抗氧化能力。與上面的花瓶壽命工作類似，這也是在收獲后進(jìn)行的。與空氣相比，用不同濃度的氫氣處理韭菜。通過(guò)測(cè)定腐爛指數(shù)、重量損失率和蛋白質(zhì)含量，結(jié)果表明氫氣最多可提高3%的貯藏期。在保持總酚、總黃酮和維生素C含量的同時(shí)，提高了超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)和抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)的活性。顯然，氫氣處理通過(guò)增加抗氧化能力來(lái)保護(hù)植物材料，就像其他人提出的那樣。
Zhang 等研究了植物中的農(nóng)藥殘留。利用番茄和擬南芥，他們發(fā)現(xiàn)氫氣增加了多菌靈(一種苯并咪唑農(nóng)藥)的降解。氫氣增加了谷胱甘肽的代謝，導(dǎo)致多菌靈的降解增加。谷胱甘肽是植物中非常重要的抗氧化劑，因此所看到的任何影響也可能改變細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)。多菌靈是一種殺菌劑。Zhang等人認(rèn)為多菌靈的抗真菌作用不受氫氣處理的影響，但他們相信谷胱甘肽對(duì)該殺菌劑的氫氣解毒作用很重要。因此，正如作者指出的那樣，這是氫氣在植物細(xì)胞中的一種以前未知的作用。
五指茅桃(Ficus hirta Vahl)是曾和宇的重點(diǎn)研究植物。在中國(guó)，這種可食用植物也有藥用價(jià)值。用氫氣(作為氫水)處理后，將根的轉(zhuǎn)錄組模式與對(duì)照進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)，173個(gè)基因下調(diào)，138個(gè)基因上調(diào)。作者還進(jìn)行了代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)近200種代謝物的水平被氫氣處理改變。進(jìn)一步分析表明，苯丙素的生物合成和代謝是氫氣處理控制的主要途徑。雖然作者建議，為了這種藥用植物的未來(lái)生長(zhǎng)，應(yīng)該考慮氫氣的施用，但數(shù)據(jù)也表明，當(dāng)植物被氫氣處理時(shí)，可以報(bào)告的影響規(guī)模。如此多的基因被上調(diào)或下調(diào)，氫氣一定對(duì)植物細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄因子有深遠(yuǎn)的影響。哺乳動(dòng)物細(xì)胞的研究也得到了類似的結(jié)果，毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)這些基因表達(dá)變化背后的機(jī)制將被解開(kāi)。
最后，作為專刊的一部分，發(fā)表了氫氣對(duì)植物的直接作用的綜述。有報(bào)道稱，氫氣可以作為一種直接的抗氧化劑，但其化學(xué)性質(zhì)一直存在爭(zhēng)議。有人認(rèn)為，氫氣通過(guò)其氧化還原態(tài)起作用，在細(xì)菌系統(tǒng)中也有這樣的先例。另外，氫氣可能通過(guò)其自旋態(tài)起作用，但沒(méi)有證據(jù)表明這一點(diǎn)。顯然，這里有很多值得探索的地方，氫氣研究的一些重點(diǎn)需要指向這個(gè)方向。
無(wú)論何種機(jī)制，如果氫氣的直接作用機(jī)制得到解決，將會(huì)加強(qiáng)在農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用氫氣的論點(diǎn)，但毫無(wú)疑問(wèn)，這類證據(jù)，無(wú)論是支配機(jī)制的還是支配機(jī)制的，都將在未來(lái)出現(xiàn)。
4. 結(jié)論與未來(lái)展望
從本期特刊發(fā)表的論文可以看出，氫氣對(duì)植物有有益的影響。氫氣似乎可以提高作物產(chǎn)量，并可用于改善作物的收獲后貯藏，這里對(duì)花卉的研究就是例證。因此，氫氣的使用在農(nóng)業(yè)環(huán)境中應(yīng)該有一個(gè)光明的未來(lái)。
植物可能通過(guò)細(xì)胞酶的作用，或通過(guò)該位置的其他生物(如土壤)的代謝，自然暴露于氫氣。另外，氫氣也可以作為一種處理施用于植株——土壤或葉片上。從本?？恼撐闹锌梢钥闯觯卸喾N方法可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。氫氣可以作為氣體使用，也可以在富溶液中使用，即氫水。然而，該領(lǐng)域最近的進(jìn)展已經(jīng)看到了其他解決方案的發(fā)展，這些解決方案可以使用，如高凈值凈值。另外，氫氣也可以從供體分子中提供，比如氫化鎂。毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)會(huì)有更好的供體化合物被開(kāi)發(fā)出來(lái)，這些化合物可以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)提供更多的氫氣，而不是給組織一個(gè)彈丸效應(yīng)。
報(bào)告氫氣的影響需要保持一致的一個(gè)方面是引用所用的氫氣濃度。通常會(huì)引用氫水的百分比，但如果不確切知道原液濃度，就很難對(duì)不同的研究進(jìn)行比較。氫氣在溶液中持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，因此引用氫氣在所用溶液中的實(shí)際濃度將非常有利于推動(dòng)這一領(lǐng)域的發(fā)展。
本?？幸蔡岢隽艘恍┓肿臃矫娴淖C據(jù)，包括通過(guò)葡萄糖代謝、谷胱甘肽代謝作為一種抗氧化劑和在基因表達(dá)控制中的作用。然而，不僅在植物科學(xué)中，而且在生物系統(tǒng)中氫氣作用的各個(gè)方面，氫氣的直接靶點(diǎn)仍然難以捉摸。有人提出了一些想法，但目前還沒(méi)有什么證據(jù)。未來(lái)的工作需要集中在氫氣生物學(xué)的這一方面，因?yàn)檫@將真正加強(qiáng)使用氫氣的論點(diǎn)。它還可以保證氫氣處理的安全性，特別是如果建議將其用作消耗作物的處理，無(wú)論是在田間還是在收獲后。
最后，還需要對(duì)一系列作物進(jìn)行更多的大型大田試驗(yàn)。氫氣在世界上的一些國(guó)家正在研究，尤其是中國(guó)，但需要更廣泛地研究，在不同的地點(diǎn)和不同的工廠。氫氣雖然易燃，但似乎是安全的，但在氫氣被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和花卉業(yè)之前，需要充分確定其成本效益。氫氣有很多好處，尤其是當(dāng)植物受到壓力時(shí)，毫無(wú)疑問(wèn)，大規(guī)模的試驗(yàn)將解開(kāi)未來(lái)采用氫氣應(yīng)用的猶豫。
J T. for Issue:“ and Role of in ”[J]. , 2022, 11(15): 2047.
| Free Full-Text | for Issue: “ and Role of in ” | HTML ()