乙烯经Gα蛋白激活的H2O2和H2S合成介导独脚金内酯诱导的气孔关闭

《Frontiers in Plant Science》：Ethylene participates in strigolactone-triggered stomatal closure via Gα protein-activited hydrogen peroxide and hydrogen sulfide synthesis in Arabidopsis

本综述系统揭示了拟南芥中独脚金内酯（SL）诱导气孔关闭的复杂信号级联。研究表明，GR24（一种SL类似物）通过上调ACS基因促进乙烯生物合成，继而激活异源三聚体G蛋白α亚基（Gα）。激活的Gα通过NADPH氧化酶AtrbohD和AtrbohF触发过氧化氢（H2O2）的产生，进而促进L-/D-半胱氨酸脱巯基酶（L-/D-CDes）催化合成硫化氢（H2S），最终导致气孔关闭。该研究明确了“SL→乙烯→Gα→H2O2→H2S→气孔关闭”的核心信号通路，为理解SL调控植物抗旱性及与其他激素信号（如乙烯、G蛋白）的互作提供了新的理论框架。

　　

独脚金内酯诱导拟南芥气孔关闭

SL诱导拟南芥气孔关闭

作为一种植物激素，独脚金内酯（SL）在调节植物多种生理过程和应激反应中扮演着重要角色。研究表明，SL合成类似物GR24能以浓度和时间依赖的方式有效诱导拟南芥野生型（Col-0）的气孔关闭，其中1 μmol/L GR24处理3小时效果最为显著，气孔开度可减少约42%。-1 GR24 for 3 h were transferred to MES buffer alone for another 3h After treatment, stomatal apertures were recorded. The Data are represented as means ± SEs of three replicates (n = 90, 30 stomata each). Means with different letters are significantly different at P < 0.05."> 此外，该过程是可逆的，移除GR24后气孔可重新开放。这些发现证实了SL是气孔运动的一个有效调节因子。

乙烯和Gα是SL诱导气孔关闭所必需的

深入研究发现，乙烯信号通路和异源三聚体G蛋白α亚基（Gα）是SL诱导气孔关闭过程中的两个关键组分。通过使用乙烯生物合成抑制剂（AOA、AVG）、乙烯感知抑制剂（AgNO₃、1-MCP）以及Gα抑制剂百日咳毒素（PTX），可以显著抑制GR24诱导的气孔关闭。反之，乙烯前体ACC和Gα激活剂霍乱毒素（CTX）则能模拟GR24的效应，诱导气孔关闭。遗传学证据进一步支持了这一结论：GR24能在乙烯过量合成突变体eto1-1以及Gα过表达株系cGα1和wGα1中诱导气孔关闭，但在乙烯不敏感突变体etr1-1、etr1-3以及Gα功能缺失突变体gpa1-1、gpa1-2中则无效。分子水平上，GR24处理显著上调了乙烯生物合成关键酶ACC合酶（ACS）基因家族（ACS2, ACS4-9, ACS11）以及Gα亚基基因GPA1的转录水平，并促进了乙烯的生成。-1 PTX, or 400 ng·ml^-1CTX, without or with GR24 for 3h. (B) Epidermal strips of WT (Ws) and mutants gpa1-1, gpa1-2, cGα1, and wGα1 were incubated without or with GR24 for 3h. (C) Leaves of WT (Ws) and mutants gpa1–1 and gpa1–2 were treated with MES buffer alone or containing GR24 for 3 h, GPA1 transcript levels were analyzed by RT-PCR.">

乙烯在SL诱导的气孔关闭中激活H₂O₂和H₂S的合成

过氧化氢（H₂O₂）和硫化氢（H₂S）是植物中重要的气体信号分子，参与多种刺激引起的气孔运动。本研究阐明了乙烯在SL信号通路中位于H₂O₂和H₂S的上游。在野生型中，乙烯合成或感知的抑制剂能够明显抑制GR24诱导的保卫细胞H₂O₂积累、H₂S生成以及L-/D-CDes酶活性的升高。在eto1-1突变体中，GR24仍能引发这些反应，但在etr1-1和etr1-3突变体中则完全失效。此外，ACC（乙烯前体）诱导的气孔关闭、H₂O₂积累、H₂S合成及L-/D-CDes活性增强在NADPH氧化酶突变体AtrbohD、AtrbohF、AtrbohD/F以及半胱氨酸脱巯基酶突变体Atl-cdes、Atd-cdes中被完全废除。2O₂production. (A, B) Fluorescence images and H₂DCF pixel intensities in guard cells. (C) Stomatal apertures of WT and Atrboh mutants with or without ACC. (D, E) Fluorescence images and H₂DCF pixel intensities in guard cells of same genotypes. (F) Stomatal apertures of WT and ethylene-insensitive mutants under Control, H2O2, GR24, and H2O2 plus GR24."> 最关键的是，外源施加H₂O₂或H₂S供体NaHS，能够有效“挽救”GR24在etr1-1和etr1-3突变体中诱导气孔关闭的缺陷。这些结果综合表明，乙烯通过促进H₂O₂的产生和随后的H₂S合成来介导SL诱导的气孔关闭。2S synthesis. (A–C) H₂S content, L-CDes activity, and D-CDes activity. (D) Stomatal aperture in WT and mutants with -ACC and +ACC. (E–G) H₂S content, L-CDes activity, and D-CDes activity in WT and mutants with -ACC and +ACC. (H) Stomatal aperture among WT and ethylene-insensitive mutants under Control, NaHS, GR24, and NaHS+GR24.">

Gα在SL诱导的气孔关闭中激活H₂O₂的产生和H₂S的合成

研究进一步揭示了Gα在H₂O₂和H₂S信号通路中的上游作用。在野生型中，PTX处理显著抑制了GR24诱导的保卫细胞H₂O₂积累、叶片H₂S含量增加以及L-/D-CDes酶活性的提升。GR24能在Gα过表达株系cGα1和wGα1中引发这些反应，但在Gα缺失突变体gpa1-1和gpa1-2中则无效。另一方面，Gα激活剂CTX能够诱导野生型气孔关闭、H₂O₂积累、H₂S生成及L-/D-CDes活性增强，但这些效应在AtrbohD、AtrbohF、AtrbohD/F突变体以及Atl-cdes、Atd-cdes突变体中被消除。2O₂production. (A, B) Fluorescence images and H₂DCF-DA pixel intensities in guard cells. (C) Stomatal apertures of WT and Atrboh mutants with or without CTX. (D, E) Fluorescence images and H₂DCF pixel intensities in guard cells. (F) Stomatal apertures of WT and Gα mutants under Control, GR24, H₂O₂, or both."> 互补实验显示，外源添加H₂O₂或NaHS可以恢复GR24在gpa1-1和gpa1-2突变体中诱导气孔关闭的能力。这些数据共同证明，Gα通过激活H₂O₂的产生和H₂S的合成来介导SL诱导的气孔关闭。2S synthesis. (A–C) H₂S content, L-CDes activity, and D-CDes activity. (D–F) H₂S content, L-CDes activity, and D-CDes activity in response to CTX. (G) Stomatal apertures of WT and mutants with or without CTX. (H) Stomatal apertures of WT and Gα mutants under Control, GR24, NaHS, or both.">

Gα是乙烯在SL诱导气孔关闭中发挥作用所必需的

为了厘清乙烯和Gα在信号通路中的上下游关系，研究者进行了精密的遗传互补和生化分析。研究发现，CTX（Gα激活剂）能够“绕过”乙烯信号受阻的环节，成功恢复GR24在经乙烯抑制剂（AOA, AVG, AgNO₃, 1-MCP）处理的野生型植物以及etr1-1、etr1-3突变体中诱导气孔关闭的能力。然而，ACC（乙烯前体）却无法挽救PTX（Gα抑制剂）处理的野生型植物或gpa1-1、gpa1-2突变体中GR24诱导气孔关闭的缺陷。更重要的是，GR24处理能够显著增加PTX处理的野生型植物以及gpa1-1、gpa1-2突变体中的乙烯产量，这表明Gα功能的缺失并不影响SL促进乙烯合成，但乙烯发挥作用需要依赖Gα的激活。这些实验结果强有力地证明，在SL诱导的气孔关闭信号通路中，乙烯位于Gα的上游，其功能通过激活Gα来实现。

结论

综合本研究及先前发现（H₂O₂位于H₂S上游），研究者提出了一个完整的SL诱导拟南芥气孔关闭的信号通路模型。2O₂production by AtrbohD and AtrbohF, and then causes H₂S synthesis catalyzed by AtL-CDes-/AtD-CDes, finally leading to stomatal closure."> 该通路可概括为：SL（以GR24为代表）首先上调ACS基因表达，促进乙烯的生物合成；产生的乙烯进而激活异源三聚体G蛋白的α亚基（Gα）；激活的Gα通过刺激质膜NADPH氧化酶AtrbohD和AtrbohF，触发过氧化氢（H₂O₂）的爆发性产生；随后，H₂O₂作为信号分子，进一步促进L-半胱氨酸脱巯基酶（AtL-CDes）和D-半胱氨酸脱巯基酶（AtD-CDes）的活性，催化生成硫化氢（H₂S）；最终，H₂S导致气孔关闭。这项研究不仅深化了我们对SL激素调控植物水分流失和胁迫适应机制的理解，揭示了乙烯、G蛋白、H₂O₂和H₂S等多个信号模块之间精密而有序的协作关系，也为未来通过调控SL相关信号通路来增强作物抗旱性提供了潜在的理论靶点和策略思路。当然，该模型中仍有一些环节有待进一步阐明，例如SL精确上调ACS表达的分子机制、Gα激活下游NADPH氧化酶和脱巯基酶的具体方式，以及蛋白激酶、钙离子等其他信号分子在此通路中的潜在作用等。