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1. 什麼是ROS
地球上富氧的大氣決定了多細胞生命形式的進化，許多生物依靠氧氣生存，與氧分子（O2）相關的生理過程無時無刻不在細胞中發生，O2不可避免地產生活性氧（ROS）隨著電子和能量的變化（Raymond and Segrè， 2006; waszczak et al., 2018)。ROS 是源自 O2 的分子家族，其化學反應性比 O2 更具反應性（Waszczak 等人）。, 2018)。細胞中ROS的主要形式包括過氧化氫（H2O2），超氧自由基（O2）。）、單線態氧（1O2）、羥基自由基（Ho以及各種形式的有機和無機過氧化物（Mittler等人）。Anderson 等人，2022 年）（圖 1）。由於ROS不穩定且反應性極強，這使得它能夠破壞細胞的各種分子和結構，因此ROS在過去被認為是有氧代謝的有毒副產物。 隨著研究的不斷發展，人們發現ROS在植物的許多生理過程中發揮著積極的作用，細胞內異常高水平的ROS可能對植物細胞有毒（Foyer和Noctor，2005; mittler, 2017)。
圖1 ROS的生成和化學結構（Waszczak等人）。, 2018)。這些點代表電子，3p680是光系統II的主要電子供體的三重態。
2.ROS在植物中的作用。
現在我們了解了 ROS 是什麼，讓我們來看看 ROS 是做什麼的。 總體而言，ROS是一種關鍵的訊號分子，可使細胞對不同的刺激做出快速反應。 在植物中，ROS在非生物和生物脅迫以及訊號傳導中起著至關重要的作用（Mittler等人）。, 2022)。需要注意的是，ROS不僅在植物對外界刺激的反應中發揮作用，而且在植物的正常生長發育中也起著重要作用。 此外，在異常情況下，ROS水平低或高也會對植物本身造成損害，但本文將不對此進行深入討論。 接下來，我們將重點關注ROS對植物的積極影響（Mhamdi和Van Breusegem，2018; mittler, 2017)。
生物脅迫中的ROS
在談論植物對生物脅迫的反應時，我們不得不提到植物先天免疫中的PTI（模式觸發免疫）和ETI（效應觸發免疫）的概念。 在植物與病原體對抗的過程中，植物為了抵抗病原體的感染，建立了兩條“防線”。 第一道防線是由病原體相關分子模式（PAMP）激發的PTI，第二道防線是由效應器激發的ETI。 雖然PTI和ETI以前被視為獨立的機制，但現在發現它們可以相互補充並協同工作，以幫助植物抵禦病原體（Yuan等人）。Anderson 等人，2021 年）（圖 2）。兩者共有的下游免疫反應的乙個重要方面是ROS的爆發。 ROS不僅可以直接對病原體造成損害，誘導植物細胞的程式性死亡，從而限制病原體，還可以作為訊號分子傳遞訊號並與其他防禦物質協同作用（Kim等人）。, 2022; van breusegem and dat, 2006)。
圖2 植物PTI和ETI誘導的ROS暴發（Yuan et al.）。, 2021)。
植物PTI反應中的ROS主要由膜結合的Nadph氧化酶RBOHs的活化產生，其催化O2從O2形成O2隨後通過過氧化物酶轉化為 H2O2（Wang 等人）。, 2020)。Nadph 已被研究為生產 H2O2 的原料。 2022 年 5 月，浙江大學 Yan Liang 課題組在 Molecular Plant** 上發表了題為“The receptor-like cytosolic kinase ripk activates nadp-malic enzyme 2 to generate nadph for fueling the ros production”的研究。 在這項研究中，作者在擬南芥中發現了一種催化NADPH產生NADPH的酶nadp-me2，並發現該酶的缺失導致其活性降低，進而導致NADPH含量降低（圖3a，b）。 此外，在NADP-ME2突變體的PTI反應後，擬南芥ROS爆發顯著減弱（圖3C）。
圖3 Nadp-Me2酶活性、NaDPH含量和ROS爆發的測定（Wu et al.）。, 2022)。
非生物脅迫中的ROS
當植物生活在複雜的環境中時，除了各種生物脅迫外，它們還需要應對各種非生物脅迫，如乾旱、高溫、高鹽度和強光。 非生物脅迫中有兩種主要型別的 ROS，包括由於代謝活動中斷而導致的代謝 ROS 和作為響應非生物脅迫的訊號網路的一部分的訊號轉導 ROS（Choudhury 等人）。, 2017)。與生物脅迫不同，ROS無法直接應對各種非生物脅迫的不利影響，因此ROS只能通過其他間接手段“救國”，幫助植物應對非生物脅迫。 代謝ROS可以直接改變限速酶的氧化還原狀態並控制細胞內代謝通量，從而改變不同的代謝反應以抵消非生物脅迫的影響（Miller等人）。, 2010)。此外，ROS還可以通過氧化修飾（OXIPTMS）調節關鍵的調節蛋白，通過訊號傳導改善植物對非生物脅迫的適應（Noctor和Foyer，2016）（圖4）。 更多關於Oxiptms的資訊將在以下內容中向您介紹！
圖4 非生物脅迫下的ROS（Choudhury等）, 2017)。
2023年9月，山東大學向鳳寧課題組在《植物細胞》雜誌上發表了題為“H2O2-dependent oxidation of the transcription factor GMNTL1 promote salt resistance in soy bean”的研究。 在這項研究中，作者在大豆中發現了一種膜結合轉錄因子GMNTL1，該轉錄因子可能與鹽脅迫有關。 在鹽和H2O2的誘導下，GMNTL1的定位從內質網轉移到細胞核，進一步的研究發現GMNTL1介導的耐鹽性是H2O2依賴性的。 為了加深**H2O2與GMNTL1在耐鹽過程中的內在關係，作者首先推測H2O2是否直接氧化了GMNTL1，通過驗證GMNTL1可能的氧化修飾位點，發現GMNTL1的第247個cys被H2O2氧化，該位點對GMNTL1的成核至關重要。 在闡明了GMNTL1的上游途徑後，作者最終確定了GMNTL1下游調控耐鹽性的關鍵靶點GMNHX1和GMCHX1。 綜上所述，鹽誘導的H2O2介導GMNTL1半胱氨酸的翻譯後修飾和遷移，增強其轉錄啟用下游靶基因的能力，從而提高大豆的耐鹽性（圖5）。
圖5 H2O2介導的大豆GMNTL1氧化和耐鹽性提高的模式（Zhang et al.）。, 2023)。
ROS在信令中的應用
在前兩節中，小媛和大家**了ROS在植物應對脅迫中的作用。 細心的朋友會發現，ROS除了利用自身來應對各種脅迫外，還經常以訊號分子的形式傳遞訊號。 ROS訊號轉導可以分為細胞內訊號轉導和細胞間訊號轉導，小遠接下來將介紹這兩個方面。
1 細胞內 ROS 訊號轉導。
在植物複雜的亞細胞環境中，不同區域可以發生ROS感知和不同訊號通路的啟用。 總體而言，ROS 訊號轉導可分為外源性（質體和細胞壁）、內源性（細胞質和細胞核）和細胞器（葉綠體、線粒體、過氧化物酶體和其他細胞器）。 在應力條件下，這些不同區域中的ROS訊號保持相互作用或彼此獨立（Mittler等人）。, 2022)。
RBOHS、AQPS（水通道蛋白）和細胞壁結合過氧化物酶（Maurel 等人）在外源性 ROS 訊號傳導中起主要作用, 2015; mittler et al., 2022; wang et al., 2020)。此外，細胞膜上的Ca2+通道以及各種膜受體在訊號的向下傳遞中也起著重要作用（Castro等人）。, 2021; r**i et al., 2023)。RBOHS被稱為“ROS訊號引擎”，其胞質氨基或羧基末端可以通過磷酸化和去磷酸化等過程進行調節，從而調節ROS的產生（Kimura等）。, 2020)。為了將訊號向下傳遞到細胞中，ROS必須進入細胞，通常通過AQPS，但也通過內吞作用（Golani等人）。Anderson等人，2013）（圖6）。
在內源性 ROS 訊號轉導過程中，細胞質基質接收來自外源性和細胞器的 ROS。 細胞質基質含有許多調節ROS產生和清除的酶（Mittler等人）。Anderson等人，2022），這些酶可以調節細胞質基質中ROS的量，從而調節細胞質基質中ROS下游的訊號轉導中心。除了細胞質基質外，細胞核還接收ROS訊號並調節不同基因的表達。 此外，氧化還原調節蛋白也存在於細胞核中，可以調節細胞核中的ROS訊號傳導，因此也參與下游基因的調節（Gutsche和Zachgo，2016; murmu et al.Anderson等人，2010）（圖6）。
在細胞器ROS訊號轉導過程中，細胞器作為ROS產生的主要場所，可以產生ROS，也可以自主清除ROS來調節自身的ROS水平（Waszczak等）。, 2018)。除了自主調節ROS的量從而調節訊號傳導外，ROS訊號還可以在細胞器之間或從細胞器傳遞到細胞核，儘管一些ROS訊號不會穿過細胞質或僅在很短的距離內穿過細胞質（Ding等人）。, 2019)。除此之外，不同細胞器之間的ROS也可以通過中間訊號的介導進行傳遞，導致遞送細胞器中ROS含量的改變（Mittler等人）。Anderson 等人，2022 年）（圖 6）。
圖6 細胞中的ROS訊號轉導過程（Mittler等人）, 2022)。
2 細胞間的ROS訊號轉導。
在上一節中，小媛和大家了解了細胞內ROS的傳遞，相信大家對細胞內ROS傳遞的過程都有一定的了解。 事實上，當ROS在植物中傳播時，不可能侷限於乙個細胞，通常需要在遠距離區域傳播，因為當乙個細胞感知到壓力時，它需要將訊號傳遞給其他細胞甚至整個植物，以應對壓力。 然而，如前所述，ROS通常存在的時間很短（圖1），因此不太可能長距離運輸。 因此，ROS在細胞間的長距離傳輸首先是單個細胞ROS含量的變化，然後被相鄰細胞感知到，導致其ROS含量也發生變化，並以這種方式在細胞之間傳播，這也稱為“ROS波”（Castro等人）。Anderson 等人，2021 年）（圖 7a）。ROS波在相鄰細胞之間的傳播是通過胞間膜或質外體途徑（Fichman等人）。, 2021)。此外，在談到ROS訊號的遠距離傳輸時，很容易想到植物免疫中的系統獲得性抗性（SAR），因為SAR的特徵是刺激區域性防禦訊號，導致植物遠端甚至整個植物的防禦反應。 不幸的是，目前的研究似乎在ROS波之間沒有顯著關係，ROS波是由N-羥基哌啶酸（NHP）和水楊酸（SA）等物質誘導的（Yildiz等人）。, 2021)。有趣的是，ROS波是乙個非常快的過程，而NHP轉移是乙個相對滯後的過程。 此外，在番茄RBOHD和RBOHF突變體中，H2O2的水平隨著NHP前體哌啶酸的含量而降低（Gilroy等人）。, 2014; wang et al., 2018)。這些說明 ROS 可以作為 SAR 的指示，並提醒工廠為 SAR 做好準備。
圖7 細胞間ROS訊號轉導過程（Mittler等人）, 2022)。（A） 細胞間ROS訊號轉導示意圖。 （b） 擬南芥脅迫後ROS區域性向全株延伸的過程。
3 ROS訊號的感知。
ROS訊號傳導後，小區需要接收並響應訊號，這需要ROS訊號被感知。 然而，由於 ROS 的性質，它不太可能以“配體受體”方式被感知，但更有可能通過氧化修飾被感知，其中細胞通過改變修飾蛋白的結構、定位和活性來響應 ROS 訊號傳導（Castro 等人）。, 2021; zhou et al., 2023)。
氧化修飾（氧化修飾）是指具有氧化還原活性的小分子（如H2O2等）對蛋白質半胱氨酸的巰基進行共價修飾。 常見的OXIPTM包括磺酸（-SOH）、磺酸（-SO2H）和磺酸（-SO3H）（圖8），它們可以影響植物生長發育和脅迫反應過程（周等）。, 2023)。相關案例見“22 非生物脅迫中的 ROS “哦！
圖8 氧化物的產生和相互轉化（周等）。, 2023)。
ROS調節植物生長發育。
在前面的章節中，Xiao Yuan談到了ROS在植物處於壓力下的作用，以及如何發出訊號和被感知。 這些對ROS的描述主要是針對受到脅迫的植物，但實際上，除了通過ROS響應外部脅迫外，植物本身還通過ROS訊號傳導調節生理過程，例如頂端分生組織分化，細胞壁木質化，氣孔和花發育，種子萌發和根系發育（Mhamdi和Van Breusegem 2018; wang et al.等人，2023）（圖9）。由於 ROS 訊號的傳輸以及 2 中的感知它已經在 3 中介紹過了，所以我在這裡就不多多介紹了。 如果想知道ROS調控植物生長發育的具體案例，可以自行查閱文獻！
圖9 ROS訊號轉導調節植物生長發育（Wang et al.）。, 2023)。
小結。
在第二部分，小媛介紹了ROS訊號的作用、傳輸和感知方法，相信大家對ROS的工作原理已經有了大致的了解。 ROS最初被認為是一種有害物質，可以傳遞訊號並幫助植物抵抗各種壓力，而ROS因其在訊號傳遞過程中的關鍵作用而逐漸得到廣泛認可（Qi等人）。, 2024)。ROS何時對細胞有毒以及何時作為第二信使發揮重要作用的問題可能取決於細胞中ROS的量，異常高水平的ROS可能會產生負面影響，而低水平的ROS在訊號傳導中起積極作用（Wang等人）。, 2023)。此外，有趣的是，在前面的描述中，不同應力下的 ROS 訊號似乎彼此分離，但已經發現 ROS 訊號可以鏈結不同的應激（生物或非生物）（Berrios 和 Rentsch 2022）。
3.維持植物細胞中ROS穩態。
如前所述，ROS在細胞中的作用取決於其含量，ROS穩態的維持對其功能至關重要。 接下來，小媛將討論細胞中產生ROS的位點以及如何維持其體內平衡。 在植物細胞中，ROS主要由質體體和各種細胞器（如線粒體、葉綠體和過氧化物酶體）產生（Castro等人）。Anderson 等人，2021 年），這些位點本質上含有抗氧化系統來緩衝區域性氧化還原環境。此外，這種區域化更有助於降低高水平ROS對細胞的毒性，也有助於形成乙個複雜的系統來應對不同的應激（Castro等人）。, 2021; waszczak et al., 2018)。接下來，小遠將維持ROS生產主要部分的穩態。
圖10 植物細胞中ROS產生的位點（Castro等）。, 2021)。
葉綠體中的ROS
眾所周知，葉綠體是光合作用的場所。 在光照條件下，產生光系統和ROS，主要ROS型別為O2、H2O2 和 1O2 等（Castro 等人）, 2021)。對於這些 RO，葉綠體有相應的系統需要去除。 對於光系統產生的 O2和 H2O2、O2H2O2 可被類囊體膜基質中的超氧化物歧化酶 （SODS） 不成比例，或由超氧化物歧化酶 （SODS） 自發形成 （ASADA 2006）。 H2O2 被抗壞血酸過氧化物酶 （APXS）、穀胱甘肽過氧化物酶 （GPXLS） 和過氧化物酶 （PRXRS） 解毒 （ASADA 2006）。 對於光系統產生的1O2，雖然目前沒有直接去除1O2的酶，但可以通過與其他分子反應來消除，例如生育酚和類胡蘿蔔素（Krieger-Liszkay和Trebst 2006; ramel et al., 2012)。
圖11 葉綠體中的ROS（Waszczak等人）, 2018)。
線粒體中的ROS
線粒體是細胞呼吸的部位，其ROS的產生與線粒體電子傳遞鏈（METC）密切相關。 線粒體複合物 I、II 和 III 被認為會產生 O2所有三種複合物都產生 O2 並將其釋放到線粒體基質中此外，複合物III還可以將O2釋放到膜間空間中−(huang et al., 2016)。線粒體基質中的O2它可以轉化為 H2O2，最終被一系列氧化酶清除，類似於去除葉綠體中的 H2O2。 然而，膜間空間中的 H2O2 可以被抗壞血酸 （ASC） 清除，並且由於線粒體外膜的通透性，可以轉移到細胞質基質中（Wazczak 等人）。, 2018)。
圖12 線粒體中的ROS（Waszczak等人）。, 2018)。
小媛嘰嘰喳喳地說道在這條推文中，小袁與您討論了ROS在植物中響應各種壓力和訊號的作用，它是如何在細胞內傳播和感知的，以及如何維持其體內平衡。 雖然對ROS有了更好的認識，但仍有許多問題需要深入研究，例如ROS如何在不同位置傳輸，細胞核如何區分不同的ROS訊號，如何感知ROS訊號，以及ROS在整個複雜的細胞內訊號網路中的作用。 最初被認為對植物有害的ROS逐漸顯示出其重要作用，現在可以在許多重要的研究中看到，例如鐵死亡。 相信隨著研究的深入，ROS的“真面目”將逐漸顯露出來。
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