氫氣對植物也有非常多效應(yīng)，其中研究比較多的是南京農(nóng)業(yè)大學(xué)。另外甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)等機(jī)構(gòu)也有相關(guān)研究。本研究就是甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)最近剛發(fā)表的一篇研究論文。解釋了氫氣調(diào)節(jié)不定根生長可能是通過另外一個(gè)重要植物激素乙烯實(shí)現(xiàn)的。
 

有研究表明，氫氣和乙烯均在植物不定根中起著關(guān)鍵作用。然而，在這一過程中，氫氣和乙烯之間的關(guān)系還沒有得到探索，沒有得到充分理解。本研究以黃瓜苗為材料，探討其誘導(dǎo)生根過程中的蛋白質(zhì)組學(xué)變化。研究結(jié)果表明,乙烯釋放化合物(乙烯利)在適當(dāng)?shù)臐舛却龠M(jìn)外源加油,富氫水最大生物反應(yīng)發(fā)生在50%或0.5µM乙烯利。乙烯抑制劑AVG和AgNO3對氫氣誘導(dǎo)的不定根有部分抑制作用，提示乙烯可能參與了氫氣誘導(dǎo)不定根過程。雙向電泳和質(zhì)譜分析，富氫水處理中9個(gè)蛋白表達(dá)上調(diào)，15個(gè)蛋白表達(dá)下調(diào);乙烯利處理4個(gè)蛋白表達(dá)上調(diào)，10個(gè)蛋白表達(dá)下調(diào);在富氫水+AVG處理中，1個(gè)蛋白表達(dá)上調(diào)，9個(gè)蛋白表達(dá)下調(diào)。
 

對這些差異蛋白質(zhì)進(jìn)一步分析,發(fā)現(xiàn)包括光合作用相關(guān)蛋白二磷酸核酮糖羧化酶,氧氣進(jìn)化增強(qiáng)蛋白質(zhì),氨基酸代謝相關(guān)蛋白蘇氨酸脫水酶,壓力響應(yīng)相關(guān)蛋白胞質(zhì)抗壞血酸鹽過氧化物酶,和折疊,修改和降解相關(guān)蛋白。結(jié)果表明，乙烯可能是氫氣誘導(dǎo)的不定根過程中的下游信號分子，而多種重要功能蛋白可能在這一過程中發(fā)揮重要作用。
 

不定根是由非根組織如葉、莖和下胚軸形成的。不定根可增加根面積，提高其吸收養(yǎng)分和支撐植物的能力。不定根對優(yōu)良品種無性繁殖和農(nóng)林產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要促進(jìn)作用。因此，探討不定根形成機(jī)制是十分必要和有意義的課題。信號分子在不定根發(fā)育中的作用是近年來研究的熱點(diǎn)。對信號轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)一步研究將有助于我們理解不定根的機(jī)制。
 

乙烯是簡單的雙碳分子，在調(diào)控植物生長發(fā)育方面起著重要作用。乙烯可能在整個(gè)植物生命周期中誘導(dǎo)多種效應(yīng)，包括種子萌發(fā)、花衰老和果實(shí)成熟。乙烯還參與了植物對病原體或誘導(dǎo)子攻擊的防御反應(yīng)，以及對非生物脅迫的反應(yīng)，如創(chuàng)傷、缺氧、寒冷、凍結(jié)，表明乙烯可能是植物生長、發(fā)育和脅迫反應(yīng)的調(diào)節(jié)因子。
 

自從乙烯刺激不定根形成的研究首次被發(fā)現(xiàn)以來，這方面研究已經(jīng)有了大量成果。氫氣(氫氣)是最輕的氣體，是一種無色、無嗅、無味的雙原子氣體。Ohsawa等(2007)發(fā)現(xiàn)氫氣可以作為一種有效抗氧化劑用于大鼠腦缺血，此后氫氣在各種疾病的預(yù)防和控制方面的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。近年來，人們對高等植物中氫氣的生理功能也進(jìn)行了研究。氫氣經(jīng)常被證明對鹽脅迫、干旱脅迫、重金屬毒性、氧化應(yīng)激和UV-A照射等脅迫有反應(yīng)，誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉。最近，氫氣另一個(gè)功能被發(fā)現(xiàn):促進(jìn)不定根的發(fā)生。Lin等(2014)的研究結(jié)果表明，50%富氫水可以通過調(diào)節(jié)生長素信號相關(guān)基因和不定根相關(guān)基因的表達(dá)，模擬血紅素功能，恢復(fù)黃瓜不定根的形成。Zhu等(2016)報(bào)道稱，富氫水處理增加了不定根形成過程中一氧化氮(NO)的含量，上調(diào)了細(xì)胞周期激活。此外，Cao等(2017)認(rèn)為，富氫水通過調(diào)節(jié)依賴于nr的NO合成，參與調(diào)節(jié)生長素誘導(dǎo)的側(cè)根形成。
 

乙烯和氫氣參與了不定根的形成。然而，確切的機(jī)制仍不清楚。在本研究中，我們假設(shè)在黃瓜不定根過程中，乙烯和氫氣之間存在一定的關(guān)系。
 

為了證明這個(gè)假設(shè)，研究使用了乙烯抑制劑。蛋白質(zhì)組學(xué)方法已被廣泛應(yīng)用于在蛋白質(zhì)水平上確定遺傳和細(xì)胞功能。蛋白質(zhì)組學(xué)分析也被證明在識別與一系列生物和非生物應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的蛋白質(zhì)方面是有用的。我們使用2-DE和基質(zhì)輔助激光解吸電離離子源和飛行時(shí)間質(zhì)量分析器 (MALDI-TOFTOF)來比較乙烯和氫氣誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)組外生根過程中發(fā)生的定量和定性變化。通過綜合分析不同處理下的差異蛋白的功能和含量以及與這些蛋白相關(guān)的基因的表達(dá)，推測乙烯可能會影響某些蛋白的表達(dá)及其相關(guān)基因的表達(dá)。這些結(jié)果為不定根的生理和分子機(jī)制提供了新見解。
 

結(jié)果表明，氫氣和乙烯在促進(jìn)不定根發(fā)育中均起重要作用。乙烯可能是氫氣誘導(dǎo)生根過程中的下游信號分子。進(jìn)一步的蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明，光合作用相關(guān)蛋白、氨基酸和代謝相關(guān)蛋白、應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)蛋白以及折疊、修飾和降解相關(guān)蛋白可能在氫氣誘導(dǎo)下乙烯介導(dǎo)的不定根過程中發(fā)揮積極作用。氧進(jìn)化增強(qiáng)子蛋白可能在這一過程中起抑制作用。不定根發(fā)生的機(jī)制非常復(fù)雜，需要進(jìn)行更多的研究來充分理解不定根信號。
 

部分研究結(jié)果
 

不同濃度富氫水和乙烯利對不定根發(fā)育的影響
 

為了了解不同濃度的富氫水(0、1%、10%、50%和100%)對黃瓜外植體外植根發(fā)育的影響。如圖1所示，不同濃度富氫水影響不定根的發(fā)育。50%和100% 富氫水處理的黃瓜外植體比對照產(chǎn)生更多的不定根，但1% 富氫水處理的黃瓜根數(shù)明顯低于對照。50% 富氫水處理可觀察到最大根數(shù)(圖1)，并用于進(jìn)一步研究。
 

圖1:不同濃度富氫水對不定根發(fā)育的影響。
 

乙烯抑制劑AVG和AgNO的作用在氫氣-誘導(dǎo)不定根發(fā)育
 

為了進(jìn)一步研究乙烯在不定根形成中的作用，我們使用了乙烯抑制劑。結(jié)果如圖所示。S4和S5表明不同濃度的乙烯合成抑制劑AVG和AgNO3對生根有負(fù)作用。我們使用1µmol/L AVG和0.1µmol/L硝酸銀進(jìn)行進(jìn)一步的研究。從圖3可以看出，與對照相比，單獨(dú)使用富氫水或乙烯利處理的外植體的不定根情況有所改善。用富氫水+乙烯利處理的外植體根數(shù)較高，但與單獨(dú)用富氫水或乙烯利處理的外植體相比，根數(shù)無顯著差異。當(dāng)在富氫水中加入AVG (乙烯合成抑制劑)或AgNO3(乙烯作用抑制劑)時(shí)，乙烯對不定根的誘導(dǎo)作用發(fā)生逆轉(zhuǎn)(圖3)，由此推斷乙烯可能參與了氫氣誘導(dǎo)的不定根發(fā)育。
 

圖3:乙烯抑制劑對H的影響-誘導(dǎo)不定根發(fā)育。
 

氫氣的影響乙硫醚的產(chǎn)生及與乙硫醚相關(guān)基因的表達(dá)
 

如圖4A所示，50% 富氫水處理的乙烯產(chǎn)量約為對照的兩倍。此外，圖4B的結(jié)果表明，富氫水處理顯著提高了CsACS3的基因表達(dá)。與對照組相比，富氫水明顯提高了CsACO1的表達(dá)。這些一致的結(jié)果表明，乙烯可能在氫氣誘導(dǎo)的不定根形成的下游起作用。
 

圖4:富氫水對黃瓜外植體乙烯產(chǎn)量(A)和2個(gè)乙烯相關(guān)基因表達(dá)水平(B)的影響。
 

上內(nèi)容摘自《孫學(xué)軍 氫思語》，僅限于知識科普，不代表對本公司產(chǎn)品的宣傳。