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1. 什么是ROS
地球上富氧的大气决定了多细胞生命形式的进化，许多生物依靠氧气生存，与氧分子（O2）相关的生理过程无时无刻不在细胞中发生，O2不可避免地产生活性氧（ROS）随着电子和能量的变化（Raymond and Segrè， 2006; waszczak et al., 2018)。ROS 是源自 O2 的分子家族，其化学反应性比 O2 更具反应性（Waszczak 等人）。, 2018)。细胞中ROS的主要形式包括过氧化氢（H2O2），超氧自由基（O2）。）、单线态氧（1O2）、羟基自由基（Ho以及各种形式的有机和无机过氧化物（Mittler等人）。Anderson 等人，2022 年）（图 1）。由于ROS不稳定且反应性极强，这使得它能够破坏细胞的各种分子和结构，因此ROS在过去被认为是有氧代谢的有毒副产物。 随着研究的不断发展，人们发现ROS在植物的许多生理过程中发挥着积极的作用，细胞内异常高水平的ROS可能对植物细胞有毒（Foyer和Noctor，2005; mittler, 2017)。
图1 ROS的生成和化学结构（Waszczak等人）。, 2018)。这些点代表电子，3p680是光系统II的主要电子供体的三重态。
2.ROS在植物中的作用。
现在我们了解了 ROS 是什么，让我们来看看 ROS 是做什么的。 总体而言，ROS是一种关键的信号分子，可使细胞对不同的刺激做出快速反应。 在植物中，ROS在非生物和生物胁迫以及信号传导中起着至关重要的作用（Mittler等人）。, 2022)。需要注意的是，ROS不仅在植物对外界刺激的反应中发挥作用，而且在植物的正常生长发育中也起着重要作用。 此外，在异常情况下，ROS水平低或高也会对植物本身造成损害，但本文将不对此进行深入讨论。 接下来，我们将重点关注ROS对植物的积极影响（Mhamdi和Van Breusegem，2018; mittler, 2017)。
生物胁迫中的ROS
在谈论植物对生物胁迫的反应时，我们不得不提到植物先天免疫中的PTI（模式触发免疫）和ETI（效应触发免疫）的概念。 在植物与病原体对抗的过程中，植物为了抵抗病原体的感染，建立了两条“防线”。 第一道防线是由病原体相关分子模式（PAMP）激发的PTI，第二道防线是由效应器激发的ETI。 虽然PTI和ETI以前被视为独立的机制，但现在发现它们可以相互补充并协同工作，以帮助植物抵御病原体（Yuan等人）。Anderson 等人，2021 年）（图 2）。两者共有的下游免疫反应的一个重要方面是ROS的爆发。 ROS不仅可以直接对病原体造成损害，诱导植物细胞的程序性死亡，从而限制病原体，还可以作为信号分子传递信号并与其他防御物质协同作用（Kim等人）。, 2022; van breusegem and dat, 2006)。
图2 植物PTI和ETI诱导的ROS暴发（Yuan et al.）。, 2021)。
植物PTI反应中的ROS主要由膜结合的Nadph氧化酶RBOHs的活化产生，其催化O2从O2形成O2随后通过过氧化物酶转化为 H2O2（Wang 等人）。, 2020)。Nadph 已被研究为生产 H2O2 的原料。 2022 年 5 月，浙江大学 Yan Liang 课题组在 Molecular Plant** 上发表了题为“The receptor-like cytosolic kinase ripk activates nadp-malic enzyme 2 to generate nadph for fueling the ros production”的研究。 在这项研究中，作者在拟南芥中发现了一种催化NADPH产生NADPH的酶nadp-me2，并发现该酶的缺失导致其活性降低，进而导致NADPH含量降低（图3a，b）。 此外，在NADP-ME2突变体的PTI反应后，拟南芥ROS爆发显着减弱（图3C）。
图3 Nadp-Me2酶活性、NaDPH含量和ROS爆发的测定（Wu et al.）。, 2022)。
非生物胁迫中的ROS
当植物生活在复杂的环境中时，除了各种生物胁迫外，它们还需要应对各种非生物胁迫，如干旱、高温、高盐度和强光。 非生物胁迫中有两种主要类型的 ROS，包括由于代谢活动中断而导致的代谢 ROS 和作为响应非生物胁迫的信号网络的一部分的信号转导 ROS（Choudhury 等人）。, 2017)。与生物胁迫不同，ROS无法直接应对各种非生物胁迫的不利影响，因此ROS只能通过其他间接手段“救国”，帮助植物应对非生物胁迫。 代谢ROS可以直接改变限速酶的氧化还原状态并控制细胞内代谢通量，从而改变不同的代谢反应以抵消非生物胁迫的影响（Miller等人）。, 2010)。此外，ROS还可以通过氧化修饰（OXIPTMS）调节关键的调节蛋白，通过信号传导改善植物对非生物胁迫的适应（Noctor和Foyer，2016）（图4）。 更多关于Oxiptms的信息将在以下内容中向您介绍！
图4 非生物胁迫下的ROS（Choudhury等）, 2017)。
2023年9月，山东大学向凤宁课题组在《植物细胞》杂志上发表了题为“H2O2-dependent oxidation of the transcription factor GMNTL1 promote salt resistance in soy bean”的研究。 在这项研究中，作者在大豆中发现了一种膜结合转录因子GMNTL1，该转录因子可能与盐胁迫有关。 在盐和H2O2的诱导下，GMNTL1的定位从内质网转移到细胞核，进一步的研究发现GMNTL1介导的耐盐性是H2O2依赖性的。 为了加深**H2O2与GMNTL1在耐盐过程中的内在关系，作者首先推测H2O2是否直接氧化了GMNTL1，通过验证GMNTL1可能的氧化修饰位点，发现GMNTL1的第247个cys被H2O2氧化，该位点对GMNTL1的成核至关重要。 在阐明了GMNTL1的上游途径后，作者最终确定了GMNTL1下游调控耐盐性的关键靶点GMNHX1和GMCHX1。 综上所述，盐诱导的H2O2介导GMNTL1半胱氨酸的翻译后修饰和迁移，增强其转录激活下游靶基因的能力，从而提高大豆的耐盐性（图5）。
图5 H2O2介导的大豆GMNTL1氧化和耐盐性提高的模式（Zhang et al.）。, 2023)。
ROS在信令中的应用
在前两节中，小媛和大家**了ROS在植物应对胁迫中的作用。 细心的朋友会发现，ROS除了利用自身来应对各种胁迫外，还经常以信号分子的形式传递信号。 ROS信号转导可以分为细胞内信号转导和细胞间信号转导，小远接下来将介绍这两个方面。
1 细胞内 ROS 信号转导。
在植物复杂的亚细胞环境中，不同区域可以发生ROS感知和不同信号通路的激活。 总体而言，ROS 信号转导可分为外源性（质体和细胞壁）、内源性（细胞质和细胞核）和细胞器（叶绿体、线粒体、过氧化物酶体和其他细胞器）。 在应力条件下，这些不同区域中的ROS信号保持相互作用或彼此独立（Mittler等人）。, 2022)。
RBOHS、AQPS（水通道蛋白）和细胞壁结合过氧化物酶（Maurel 等人）在外源性 ROS 信号传导中起主要作用, 2015; mittler et al., 2022; wang et al., 2020)。此外，细胞膜上的Ca2+通道以及各种膜受体在信号的向下传递中也起着重要作用（Castro等人）。, 2021; r**i et al., 2023)。RBOHS被称为“ROS信号引擎”，其胞质氨基或羧基末端可以通过磷酸化和去磷酸化等过程进行调节，从而调节ROS的产生（Kimura等）。, 2020)。为了将信号向下传递到细胞中，ROS必须进入细胞，通常通过AQPS，但也通过内吞作用（Golani等人）。Anderson等人，2013）（图6）。
在内源性 ROS 信号转导过程中，细胞质基质接收来自外源性和细胞器的 ROS。 细胞质基质含有许多调节ROS产生和清除的酶（Mittler等人）。Anderson等人，2022），这些酶可以调节细胞质基质中ROS的量，从而调节细胞质基质中ROS下游的信号转导中心。除了细胞质基质外，细胞核还接收ROS信号并调节不同基因的表达。 此外，氧化还原调节蛋白也存在于细胞核中，可以调节细胞核中的ROS信号传导，因此也参与下游基因的调节（Gutsche和Zachgo，2016; murmu et al.Anderson等人，2010）（图6）。
在细胞器ROS信号转导过程中，细胞器作为ROS产生的主要场所，可以产生ROS，也可以自主清除ROS来调节自身的ROS水平（Waszczak等）。, 2018)。除了自主调节ROS的量从而调节信号传导外，ROS信号还可以在细胞器之间或从细胞器传递到细胞核，尽管一些ROS信号不会穿过细胞质或仅在很短的距离内穿过细胞质（Ding等人）。, 2019)。除此之外，不同细胞器之间的ROS也可以通过中间信号的介导进行传递，导致递送细胞器中ROS含量的改变（Mittler等人）。Anderson 等人，2022 年）（图 6）。
图6 细胞中的ROS信号转导过程（Mittler等人）, 2022)。
2 细胞间的ROS信号转导。
在上一节中，小媛和大家了解了细胞内ROS的传递，相信大家对细胞内ROS传递的过程都有一定的了解。 事实上，当ROS在植物中传播时，不可能局限于一个细胞，通常需要在远距离区域传播，因为当一个细胞感知到压力时，它需要将信号传递给其他细胞甚至整个植物，以应对压力。 然而，如前所述，ROS通常存在的时间很短（图1），因此不太可能长距离运输。 因此，ROS在细胞间的长距离传输首先是单个细胞ROS含量的变化，然后被相邻细胞感知到，导致其ROS含量也发生变化，并以这种方式在细胞之间传播，这也称为“ROS波”（Castro等人）。Anderson 等人，2021 年）（图 7a）。ROS波在相邻细胞之间的传播是通过胞间膜或质外体途径（Fichman等人）。, 2021)。此外，在谈到ROS信号的远距离传输时，很容易想到植物免疫中的系统获得性抗性（SAR），因为SAR的特征是刺激局部防御信号，导致植物远端甚至整个植物的防御反应。 不幸的是，目前的研究似乎在ROS波之间没有显着关系，ROS波是由N-羟基哌啶酸（NHP）和水杨酸（SA）等物质诱导的（Yildiz等人）。, 2021)。有趣的是，ROS波是一个非常快的过程，而NHP转移是一个相对滞后的过程。 此外，在番茄RBOHD和RBOHF突变体中，H2O2的水平随着NHP前体哌啶酸的含量而降低（Gilroy等人）。, 2014; wang et al., 2018)。这些说明 ROS 可以作为 SAR 的指示，并提醒工厂为 SAR 做好准备。
图7 细胞间ROS信号转导过程（Mittler等人）, 2022)。（A） 细胞间ROS信号转导示意图。 （b） 拟南芥胁迫后ROS局部向全株延伸的过程。
3 ROS信号的感知。
ROS信号传导后，小区需要接收并响应信号，这需要ROS信号被感知。 然而，由于 ROS 的性质，它不太可能以“配体受体”方式被感知，但更有可能通过氧化修饰被感知，其中细胞通过改变修饰蛋白的结构、定位和活性来响应 ROS 信号传导（Castro 等人）。, 2021; zhou et al., 2023)。
氧化修饰（氧化修饰）是指具有氧化还原活性的小分子（如H2O2等）对蛋白质半胱氨酸的巯基进行共价修饰。 常见的OXIPTM包括磺酸（-SOH）、磺酸（-SO2H）和磺酸（-SO3H）（图8），它们可以影响植物生长发育和胁迫反应过程（周等）。, 2023)。相关案例见“22 非生物胁迫中的 ROS “哦！
图8 氧化物的产生和相互转化（周等）。, 2023)。
ROS调节植物生长发育。
在前面的章节中，Xiao Yuan谈到了ROS在植物处于压力下的作用，以及如何发出信号和被感知。 这些对ROS的描述主要是针对受到胁迫的植物，但实际上，除了通过ROS响应外部胁迫外，植物本身还通过ROS信号传导调节生理过程，例如顶端分生组织分化，细胞壁木质化，气孔和花发育，种子萌发和根系发育（Mhamdi和Van Breusegem 2018; wang et al.等人，2023）（图9）。由于 ROS 信号的传输以及 2 中的感知它已经在 3 中介绍过了，所以我在这里就不多多介绍了。 如果想知道ROS调控植物生长发育的具体案例，可以自行查阅文献！
图9 ROS信号转导调节植物生长发育（Wang et al.）。, 2023)。
小结。
在第二部分，小媛介绍了ROS信号的作用、传输和感知方法，相信大家对ROS的工作原理已经有了大致的了解。 ROS最初被认为是一种有害物质，可以传递信号并帮助植物抵抗各种压力，而ROS因其在信号传递过程中的关键作用而逐渐得到广泛认可（Qi等人）。, 2024)。ROS何时对细胞有毒以及何时作为第二信使发挥重要作用的问题可能取决于细胞中ROS的量，异常高水平的ROS可能会产生负面影响，而低水平的ROS在信号传导中起积极作用（Wang等人）。, 2023)。此外，有趣的是，在前面的描述中，不同应力下的 ROS 信号似乎彼此分离，但已经发现 ROS 信号可以链接不同的应激（生物或非生物）（Berrios 和 Rentsch 2022）。
3.维持植物细胞中ROS稳态。
如前所述，ROS在细胞中的作用取决于其含量，ROS稳态的维持对其功能至关重要。 接下来，小媛将讨论细胞中产生ROS的位点以及如何维持其体内平衡。 在植物细胞中，ROS主要由质体体和各种细胞器（如线粒体、叶绿体和过氧化物酶体）产生（Castro等人）。Anderson 等人，2021 年），这些位点本质上含有抗氧化系统来缓冲局部氧化还原环境。此外，这种区域化更有助于降低高水平ROS对细胞的毒性，也有助于形成一个复杂的系统来应对不同的应激（Castro等人）。, 2021; waszczak et al., 2018)。接下来，小远将维持ROS生产主要部分的稳态。
图10 植物细胞中ROS产生的位点（Castro等）。, 2021)。
叶绿体中的ROS
众所周知，叶绿体是光合作用的场所。 在光照条件下，产生光系统和ROS，主要ROS类型为O2、H2O2 和 1O2 等（Castro 等人）, 2021)。对于这些 RO，叶绿体有相应的系统需要去除。 对于光系统产生的 O2和 H2O2、O2H2O2 可被类囊体膜基质中的超氧化物歧化酶 （SODS） 不成比例，或由超氧化物歧化酶 （SODS） 自发形成 （ASADA 2006）。 H2O2 被抗坏血酸过氧化物酶 （APXS）、谷胱甘肽过氧化物酶 （GPXLS） 和过氧化物酶 （PRXRS） 解毒 （ASADA 2006）。 对于光系统产生的1O2，虽然目前没有直接去除1O2的酶，但可以通过与其他分子反应来消除，例如生育酚和类胡萝卜素（Krieger-Liszkay和Trebst 2006; ramel et al., 2012)。
图11 叶绿体中的ROS（Waszczak等人）, 2018)。
线粒体中的ROS
线粒体是细胞呼吸的部位，其ROS的产生与线粒体电子传递链（METC）密切相关。 线粒体复合物 I、II 和 III 被认为会产生 O2所有三种复合物都产生 O2 并将其释放到线粒体基质中此外，复合物III还可以将O2释放到膜间空间中−(huang et al., 2016)。线粒体基质中的O2它可以转化为 H2O2，最终被一系列氧化酶清除，类似于去除叶绿体中的 H2O2。 然而，膜间空间中的 H2O2 可以被抗坏血酸 （ASC） 清除，并且由于线粒体外膜的通透性，可以转移到细胞质基质中（Wazczak 等人）。, 2018)。
图12 线粒体中的ROS（Waszczak等人）。, 2018)。
小媛叽叽喳喳地说道在这条推文中，小袁与您讨论了ROS在植物中响应各种压力和信号的作用，它是如何在细胞内传播和感知的，以及如何维持其体内平衡。 虽然对ROS有了更好的认识，但仍有许多问题需要深入研究，例如ROS如何在不同位置传输，细胞核如何区分不同的ROS信号，如何感知ROS信号，以及ROS在整个复杂的细胞内信号网络中的作用。 最初被认为对植物有害的ROS逐渐显示出其重要作用，现在可以在许多重要的研究中看到，例如铁死亡。 相信随着研究的深入，ROS的“真面目”将逐渐显露出来。
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