刘海[撰/译]，王继铖，刘建豪，刘彤，薛绍武
（华中农业大学生命科学技术学院，湖北武汉）
摘要
硫化氢（H2S）发现之初被认为是有毒气体，在过去的几十年中逐渐发现了其在哺乳动物细胞中的生物学功能。在最近的十年中，大量研究表明，H2S在植物中也具有多种功能。在这篇综述中，我们总结了H2S介导的硫代谢途径，以及其在植物生长和发育中的生物学功能，特别是其在生物和非生物胁迫响应中的生理功能的认识方面的进展。除了直接的化学反应外，一氧化氮（NO）和过氧化氢（H2O2）与H2S在植物信号转导中具有复杂的关系，他们都通过蛋白质翻译后修饰（PTM）攻击半胱氨酸残基。同时，还将讨论了三种类型的PTM及其在植物中的生物学功能的最新研究进展。最后，我们也罗列了未来研究中需要解决的问题。
关键词：H2S、NO、ROS、硫代谢、生物和非生物胁迫、生长发育、S-巯基化、S-磺化、S-亚硝基化
摘要图
文章链接：https://doi.org/10.1007/s42994-021-00035-4
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一. 植物内源H2S的产生
在哺乳动物中，H2S的产生发生在细胞质中，依赖于转硫途径中的酶 (胱硫-β-合成酶(CBS)、胱硫-γ-裂解酶(CSE)) 的催化。CBS催化半胱氨酸与同型半胱氨酸的 β-取代反应生成半胱氨酸和H2S。CSE 是一种同源四聚体酶，可以直接结合并催化同型半胱氨酸和半胱氨酸生成H2S。此外，3-巯基丙酮酸硫转移酶(3-MST)也有助于从3-巯基丙酮酸产生内源 H2S。上述已在哺乳动物体内证实的三种H2S生成酶中，CBS和3-MST在植物体内具有同源性，而CSE同源基因在植物中的存在，目前还缺乏确凿的证据。
1. D/L-半胱氨酸脱巯基酶（D/L-CDes）
20世纪60年代中期，Tishel和Mazelis (1966)鉴定了甘蓝叶片中D /L-半胱氨酸裂解酶的活性。1980年，Harrington 和 Smith用S35标记的L-半胱氨酸同位素法证实了烟草细胞中存在L-半胱氨酸脱巯基酶[ L-CDes; EC 4.4.1.28]。经过几十年的探索，D-半胱氨酸脱硫酸酶[D-CDes; EC 4.4.1.15]在拟南芥中被成功鉴定。在拟南芥中，已报道了四种半胱氨酸脱巯基酶基因，包括L-半胱氨酸脱巯基酶(LCD，At3g62130)、L-半胱氨酸脱巯基酶1(DES1，At5g28030)、D-半胱氨酸脱巯基酶1(DCD1，At1g48420)和D-半胱氨酸脱巯基酶2(DCD2，At3g26115)。这些基因的共同特征是，它们都需要辅酶5′-磷酸吡哆醛(PLP)的参与，降解半胱氨酸产生H2S。
2. O-乙酰丝氨酸(硫醇)裂解酶 (OAS-TL)
另一种酶是O-乙酰丝氨酸(巯基)裂解酶[ OAS-TL; EC 2.5.1.47]。在半胱氨酸的合成过程中，OAS-TL催化 OAS和硫化物(H2S)合成半胱氨酸。在拟南芥中，已鉴定出9个OAS-TL家族基因，包括上述DES1基因。半胱氨酸合成的主要催化剂包括 OASA1(At4g41880)、OASB (At2g43750)和 OASC (At3g03630)，它们分别亚细胞定位于细胞质、叶绿体和线粒体。其他家庭成员有不同的或不明的功能。由于OAS-TL在一些体外实验中可以产生 H2S，一些研究表明OAS-TL的酶促反应是一种可以产生内源H2S的可逆过程。
3. β-氰基丙氨酸合成酶 (β-CAS)
高等植物中，为了解除细胞内出现的氰化物，β-氰丙氨酸合成酶[ β-CAS; EC 4.4.1.9]催化L-半胱氨酸和HCN之间的反应，合成 β-氰丙氨酸和H2S。如上所述，哺乳动物体内的3-甲基转移催化剂也催化与硫供体3-巯基丙酮酸的类似反应。在拟南芥中，β-cas 基因，包括CYSC1、CYSD1和CYSD2，也是OAS-TL基因家族的成员，但具有不同的活性域。
4. 碳酸酐酶 （CA）
与上述三种酶不同，碳酸酐酶与H2S的关系似乎还没有被完全揭示。然而，有一些早期的报道，CA 催化羰基硫(COS)通过水解反应产生二氧化碳(CO2)和H2S。许多绿色植物可以通过气孔吸收空气中的 COS，然后通过 CA 催化反应吸收并储存所需的硫化物。通过测试22种植物对COS的气孔反应，Stimler 等人(2012)提出CA是一种可能的植物中产生H2S的酶。不过COS吸收和内源H2S在植物体内生成的机制尚缺乏直观的证据。
图1：H2S作为植物硫代谢中的关键节点
二. H2S在植物硫代谢中起重要作用
H2S作为一种信号分子，通过不同的信号途径参与多种生理活动。它既是一种内源性硫化物，也是生物体内硫代谢的关键节点。哺乳动物通过饮食摄入S-氨基酸，植物则通过还原硫酸盐的同化。
植物有两种S元素吸收途径，即根吸收和气孔的气*换，前者是主要途径（图 1）。在农业中，S以硫酸盐肥的形式被广泛应用，通过硫酸根转运蛋白（SULTRs）介将硫酸盐装载到木质部容器中并分配到整个植物中。吸收的硫酸盐被储存在液泡中，或进入叶绿体启动同化机制。叶绿体内，在ATP硫化酶的催化下，硫酸盐被活化为5'-磷酸腺苷（APS），后APS进一步经由APS还原酶（APR）与GSH作为还原剂还原成亚硫酸盐。随后，在亚硫酸盐还原酶（SiR）的催化下，亚硫酸盐被还原为硫化物。这些硫化物是合成半胱氨酸所需的S供体。由于H2S属于硫化物，因此SiR被视为H2S潜在的产生酶。此外，半胱氨酸可以降解产生H2S。S同化的第二条路线是通过气孔获得大气中COS，H2S，SO2和SO3等。其中，COS和SO2可通过不同的代谢途径促进植物内源性H2S的产生。
三. H2S对植物的生物胁迫和非生物胁迫有积极的响应
作为一种小分子信号，H2S 很容易进入细胞内，渗透细胞间隙，在调节植物细胞内稳态中起着关键作用。H2S 被认为是对抗干旱、高温、低温、重金属、渗透压和盐等不同胁迫的有效防御剂 (图2)。此外，越来越多的研究揭示了 H2S 和各种信号通路之间的关系，揭示了 H2S 在保护植物免受胁迫方面的关键作用。随着人们对 H2S 作用和调控机制认识的增加，H2S 在植物处于逆境中的保护作用已可以得到概述。
1. H2S 缓解植物非生物胁迫的经典模型
H2S 可帮植物抵抗各种非生物胁迫，有效地减轻它们的损害，这与H2S的经典“援救”模式密切相关。持续暴露于非生物胁迫会导致植物内氧化还原稳态失衡。活性氧(ROS)，如过氧化氢(H2O2)和超氧阴离子(O2-)的过度积累将进一步导致脂质过氧化、蛋白质氧化和对植物细胞的破坏，导致自噬和细胞程序性死亡(PCD)。许多研究表明，外源 H2S 处理可以通过增加抗氧化酶的表达和活性来缓解氧化应激，如：SOD、POD、CAT、APX、GR、PPO、MDHAR、DHAR和GPX (图2)。最近，H2S 被发现能增强植物中抗氧化酶的活性，这被认为与 H2S 介导的翻译后修饰(PTM)有关。
此外，H2S 可以通过动态调节 NADPH 氧化酶和抗氧化酶系统来维持氧化还原平衡，防止进一步的细胞凋亡。H2S 通过提高转录和酶活性促进 NADPH 氧化酶产生更多的 H2O2，并以类似的方式控制抗氧化酶以降低活性氧含量。这种功能差异似乎与 ROS 和 H2S 水平之间的比值有关。当活性氧累积导致氧化应激时，增加的 H2S 会通过酶和非酶途径降低活性氧水平。但是，当 H2S 作为调节气孔运动的驱动信号时，RBOHs 会诱导内源活性氧(ROS)增加，从而启动下游信号。对哺乳动物的研究表明，H2S 通过增强 γ-谷氨酰半胱氨酸(γ-CE)合成酶的活性和胱氨酸的转运来增强谷胱甘肽(GSH)的转运。最新的植物研究也表明，H2S 在低温胁迫下可以增加 GSH、GSH/GSSG比，以及促进 GSH 相关基因的表达。H2S 和 H2O2参与了植物组织中抗坏血酸(AsA)-谷胱甘肽(GSH)循环的上调，这是H2S调控活性氧(ROS)的下游信号。此外，非生物胁迫引起的丙二醛(MDA)、电解质渗漏(EL)和脯氨酸(Pro)的增加也是反映植物氧化损伤的重要指标。外源喷洒或用 H2S 熏蒸植物幼苗也能显著抑制MDA、EL 和Pro 的升高。
H2S 相关酶的激活也是外源 H2S 缓解不同胁迫效应的主要的方法。外源施用 NaHS 不仅可以提高 DL-CDes、 OAS-TL、 CAS 和 CA 酶的活性，还可以提高内源性半胱氨酸和 H2S 的含量，进而增强 H2S 的生理效应。如，在盐碱胁迫下，H2S 可诱导 DL-CDes、 OAS-TL 和 CAS。低温刺激可以激活 DL-CDes 并增加内源性 H2S 的含量。除了增强 H2S 信号外，内源 H2S 含量的显著增加将进一步调节植物的动态硫代谢，从而促进硫衍生物和含硫蛋白的生成。
在干旱、盐碱和高温胁迫下，叶片中叶绿素和类胡萝卜素的含量显著降低，表现为潜在光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率(φPSII)、光化学猝灭(qP)、电子转移(ETR)和非光化学猝灭(qN)的降低。有趣的是，这些影响可以通过 NaHS 来减轻。此外，光合色素、光合量子产率、气*换参数、 SPAD值和净光合速率 (Pn) 的增强也可证明 H2S 在有毒金属胁迫下对光合作用的修复。如，干旱胁迫下，PSII 损伤的敏感靶点 D1蛋白的表达增加，而在 NaHS 作用下，D1蛋白和磷酸化 D1蛋白的含量减少。此外，H2S诱导的黄瓜抗寒性表现出较高的光饱和 CO2同化率(Asat)、净光合速率(Anet)、 Fv/Fm 和 PSII，以及关键酶 Rubisco、 TK、 SBPase 和 FBA 的 mRNA 水平和活性。
2. H2S 参与干旱胁迫反应
对于缺水地区的许多植物来说，多种抗旱机制是必不可少的，H2S 已被确定为植物抗旱的新的关键因子。在早期的研究中，植物学家发现喷洒适当浓度的 NaHS 可以有效地提高各种植物的抗旱能力。目前，H2S抗旱研究主要集中在两个方面: 植物内源氧化还原平衡、离子稳态和产生H2S的酶，以及H2S对气孔运动的调节作用。
植物体内的水分通过气孔蒸腾作用蒸发到空气中。因此，气孔的运动是植物保水分的重要动作。Garca-mata 和 Lamattina (2010) 首次揭示了 H2S 在蚕豆、拟南芥和非洲凤仙花中诱导气孔关闭的功能，并将 H2S 与 ABA 联系起来。干旱诱导的激素，即 ABA、水杨酸(SA)、茉莉酸(JA) 和活性氧(ROS) 信号在不同植物中有所不同，它们促进保卫细胞中 H2S 的积累，并启动 H2S 下游信号诱导气孔关闭。此后，内源 H2S 开始发挥其自身功能，通过影响 NO、 H2O2、 eATP、 Ca2 、磷脂酸(PA)、碳水化合物、微丝和微管等第二信使信号，间接诱导保卫细胞的运动，从而促进气孔关闭。H2S 通过激活NO合成酶增加保卫细胞中的NO含量，H2O2也有同样的效果。最近的实验表明，H2S 可以通过促进 NADPH 氧化酶亚基和PLD亚基的产生和酶的活性来增加保卫细胞内源性 H2O2的含量。H2S 可以促进 DES1的生成，增强其产生 H2S 的能力，然后进一步促进OST1/ SnRK2.6，加速气孔关闭。最后，H2S 一方面直接或间接调节保卫细胞膜上的离子通道，从而改变保卫细胞的渗透势和膨压，导致气孔关闭。双电极电压钳 (TEVC) 检测表明 H2S 选择性地抑制烟草保卫细胞的内向整流钾通道。此外，H2S 还通过 OST1和胞浆游离 Ca2 激活拟南芥保卫细胞中的SLAC1。另一方面，H2S还通过影响细胞膜、细胞质和细胞壁的稳定性来改变保卫细胞的形态。稳定的细胞壁和细胞骨架结构对保卫细胞的运动至关重要。
3. H2S提高植物对高盐碱的抵抗力
高盐和碱性条件会导致植物中过多的离子涌入、营养紊乱和氧化应激从而产生渗透胁迫和细胞毒性。最近，H2S 被认为在植物对高盐度和碱度甚至硝酸盐的反应过程中，在细胞信号传导中起着关键作用。NO 信号的协调对于 H2S 保持稳定的氧化还原状态是必不可少的。H2S 不仅增加了盐碱胁迫下植物内源 NO 和总 S-亚硝基硫醇(SNOs)的含量，还增强了硝酸盐还原酶和乙醛酸酶 I 和 II 的活性，降低了S-亚硝基谷胱甘肽还原酶(GSNOR)的活性。NO 处理还能提高 H2S 的含量和产 H2S 酶的活性。
基因芯片和蛋白质组学分析表明，数千基因在 NaHS 处理后的盐胁迫幼苗中发生了特异性变化，包括代谢、信号转导、免疫反应、转录因子、蛋白质合成和降解、转运蛋白、细胞壁分解和聚合、激素响应、细胞死亡和能量代谢。盐碱胁迫对植物的一个不利影响是打破了离子平衡，导致大量 Na 内流，这将直接破坏质膜两侧的膜电势稳态，并促使胞内 K 外流。在许多植物中观察到，H2S 可以减少细胞内 Na 和 Na /K 比例的积累，并抑制细胞内 K 的外渗。一方面，H2S 增加盐胁迫下 PM H -ATPase 的活性，并诱导质膜质子泵基因的表达(CsHA2，CsH4，CsH8，CsH9和 CsHA10)。另一方面，盐过度敏感(SOS)通路相关基因(即，SOS1，SOS2，SOS3，SOS2-like，SOS3-like，SOS3-like，SOS4)被上调激活，这可以有效地从细胞中排出过量的 Na 。此外，SKORs 和 NSCCs 的过度表达和MPK途径的激活也有助于 H2S 从盐胁迫中拯救植物，这也抑制了植物幼苗中的 K 外流。
H2S 可以促进盐胁迫下黄瓜和秋葵叶片的光合作用、叶绿素生物合成和碳固定。此外，其他与代谢途径相关的蛋白质在高盐度下的H2S的作用下含量增加，如：APX、HSP、伴侣蛋白家族蛋白20和半胱氨酸合成酶1、氮代谢(谷氨酰胺合成酶1和2)、糖酵解(磷酸甘油酸激酶和磷酸丙糖异构酶)，以及 AsA-GSH 循环(类谷胱甘肽S-转移酶 U25-like)。然而，H2S 对蛋白质作用的潜在机制仍然不清楚。
图2：H2S积极响应植物生物及非生物逆境
4. H2S 有助于植物抵御极端温度
极端温度是植物生长和生产力的严重限制因素。植物不同于动物，它们缺乏逃避有害环境的活动能力。为了应对极端的环境，植物进化出了某些有效的调节机制。H2S 参与了植物抵御极端环境温度的复杂调控网络。
暴露于高温会造成蛋白质变性和聚集，脂质过氧化引起的膜损伤，酶失活，蛋白质合成抑制，氧化还原止血失衡和次级代谢紊乱等损害。此时，植物可以启动自主操作，以减轻高温造成的损害。在这一过程中，内源性 NO 和 H2S 的含量将显著增加。有趣的是，H2S 供体的应用增强了SNP诱导的玉米耐热性。H2S 似乎在NO诱导玉米幼苗耐热性的下游起作用。此外，添加 NaHS 导致玉米中 AsA，GSH，黄酮类化合物和类胡萝卜素的显著增加。H2S 诱导内源 Pro 的积累，主要是由于较高的delta(1)-吡咯酸5羧酸合成酶(P5CS)活性和较低的脯氨酸脱氢酶活性。H2S 还激活海藻糖-6-磷酸磷酸酶(TPP)和甜菜碱醛脱氢酶 (BADH) ，后诱导内源海藻糖和甜菜碱在高温胁迫下的积累。此外，H2S 预处理还诱导了一系列保护分子的基因表达，如热休克蛋白(HSP70，HSP80，HSP90)和水通道蛋白(PIP)。
外源 Ca2 和 CaM 与 H2S 共同作用可以通过增强 L-CDes 活性和 H2S 的积累来减轻高温胁迫对植物的损伤。H2S介导的耐热性的获得需要细胞外 Ca2 运输到细胞质来结合CaM。甲基乙二醛(MG)是植物体内糖酵解和光合作用的有毒副产物，施用 MG 或 NaHS 可以提高热胁迫下玉米幼苗的存活率和组织活力，说明：H2S 和 MG 之间存在着相互作用，从而启动了植物的耐热性。此外，一些传统的热耐受机制调节信号也与 H2S 信号有串扰，如 CO、 ABA 和 SA。
低温是另一种极端的温度条件。H2S 熏蒸可以显著增加与能量代谢有关的 H -ATPase、 Ca2 -ATPase、细胞色素C氧化酶(CCO)和琥珀酸脱氢酶(SDH)的活性。NaHS 处理还增加了小麦幼苗中的花青素和黄瓜中的葫芦素C (CuC)的含量。后者可能是由于 H2S 引起的 bHLH 转录因子(His-Csa5G156220和 His-Csa5G157230) S-巯基化水平的增加，以及它们与构建 CuC 的关键合成酶 Csa6G088690启动子的结合活性。H2S 还通过调节基因的转录，如葡萄 VvICE1和 VvCBF3基因，放大了寒冷诱导的信号传递。拟南芥中，H2S 上调 MAPK 的表达水平，H2S 和 MPK4都调节冷应答基因ICE1、CBF3、COR15A和 COR15B的表达水平。这一结果提示 MPK4可能是 H2S 相关冷应力抗性的下游分子，它将 H2S 信号与 MAPKs 调节的经典冷信号联系起来。
5. H2S 保护植物免受缺氧和内涝
洪涝灾害往往导致植物根系周围缺氧，这对作物是一个严重的胁迫。积水会对大多数陆生植物造成胁迫，导致光、CO2和O2供应不足，从而对植物的生存构成威胁。水涝会增加农作物周围环境中 N2O、 N2、 CH4和 H2S 等微量气体的排放。
植物在面对缺氧所造成的不利影响时，会进行一定的救援运动。一种可能的方法是通过提高 H2S 相关酶的活性来增加内源 H2S 的含量。外源施用H2S 的豌豆和桃可以逆转水胁迫诱导的ROS积累、细胞死亡、EL、乙烯快速合成和根系活力的降低。AsA-GSH 循环与 H2S 之间也存在类似的关系。低氧应激可导致细胞凋亡，这与乙烯合成有关。Jia 等人(2018a)表明 H2S 通过抑制ACC氧化酶(ACOs)的活性来减少乙烯的产生。H2S 以剂量依赖的方式诱导 LeACO1和 LeACO2的巯基化，从而抑制 LeACO1和 LeACO2的活性。
6. H2S 对有毒金属胁迫的反应
铜(Cu)、汞(Hg)、铅(Pd)、镉(Cd)、砷(As)、铬(Cr)和锌(Zn)等重金属在生物体内积累到一定程度时，会引起慢性中毒。由于类似的毒性，铝也包括在内，这些金属统称为有毒金属。在这里，我们系统地回顾了 H2S 是否以及如何缓解植物中的有毒金属胁迫(表 S1)。
一些有毒金属，如Cu、Co、Cr和Zn，是植物必需的微量营养素，尤其是在光合系统中，它们参与了色素和辅酶的组成。然而，过多的有毒金属会直接破坏植物细胞的光合系统和细胞器。在芸薹植物和大麦中，有毒金属破坏细胞中叶绿体结构的稳定性，使叶绿体海绵化，增加类囊体溶剂和淀粉，并导致根、茎和叶细胞中其他细胞器的破坏。应用 H2S后，可以观察到成熟的线粒体、内质网和高尔基体数量的增加。
H2S 缓解有毒金属胁迫的另一机制是增强有毒金属离子的锚定，这与细胞壁的功能、转运蛋白的调节以及植物螯合剂与其他信号的协同作用密切相关。细胞壁能结合固定细胞外环境中的镉离子，减轻其毒性。外源 H2S 能显著提高芸苔根中果胶含量和果胶甲酯酶活性。但是，在Al胁迫下，H2S 预处理通过降低根中果胶甲酯酶活性和根中果胶和半纤维素含量，降低了细胞壁的负电荷。植物细胞通过向液泡中运输有毒金属离子来减轻毒性，这种毒性依赖于液泡膜上的H -ATPase和柠檬酸转运蛋白的作用。这种效应将通过应用 H2S被放大，液泡膜 H -ATPase 的表达和活性的增强可以减少细胞质中的有毒金属离子。H2S 诱导大豆 GmMATE13、 GmMATE47和水稻 OsFRPL4可通过增加柠檬酸分泌缓解镉和铝胁迫。在铝胁迫下，H2S 也诱导了水稻 OsNRT1和 OsALS1，通过将铝转移到液泡中，降低了细胞质中铝的含量。植物应对有毒金属的最有效策略是通过 GSH 植物螯合素(PCs)和金属硫蛋白(MTs)暂时“失活”金属离子，这与以 H2S 半胱氨酸为核心的硫代谢途径密切相关。即使没有外源性 H2S，有毒金属胁迫也能诱导 CDes、 OAS-TL、 CAS 和 SATs 的活性，促使更多内源性 H2S 和半胱氨酸的产生。半胱氨酸是通过 γ-CEs 合成酶和 GSH 合成酶合成GSH的原料，H2S 可以通过转录调控增加与PC和 MTs 相关基因的表达。
在有毒金属胁迫下，其它信号与 H2S 有一定的相关性。NO是H2S 的主要相关信号，也会响应有毒金属胁迫起始内源合成。就像 H2S 一样，外源性应用 SNP 在缓解有毒金属胁迫方面具有与 NaHS 相似的作用模式，这可能与调节氧化还原平衡中 H2S 和 NO 之间的相互作用有关。钙离子还有助于 H2S 缓解有毒金属的胁迫。一些二价金属离子，如 Cd2 、 Mn2 和 Ga2 ，可以阻断植物体内钙通道的活性，Ca2 也可以介导解毒过程。例如，CDPK3可以增强LCD 活性。此外，通过调节 H2S 的合成来缓解有毒金属胁迫的信号还包括植物激素(SA，ABA)、气体分子(SO2，H2)、元素(Si)和一些特殊的有机化合物(Thiamine，Eugenol)。
近年来，H2S 合成关键基因启动子区反式作用因子的调控模式已被报道。WRKY18和 WRKY60在 LCD、 DCD1、 DCD2、 DES 和 NFS2的启动子中与W-box结合，WRKY40与 NFS1的启动子结合。LCD、 DES 和 DCD1基因 mRNA 水平上调，而 wrky18、 whky40或 wrky60突变体 DCD2 mRNA 水平下调。另一个 WRKY 家族基因 WRKY13是由镉诱导的，因此激活 DCD 表达以增加 H2S 的产生。同样地，bZIP 转录因子 TGA3通过与 LCD 启动子结合来提高 H2S 的生产效率以应对 Cr (VI) 胁迫。Ca2 /CaM2与TGA3互作增强 TGA3与 LCD 启动子的结合。
7. H2S 在生物应激反应中的作用
硫肥可以提高作物对病原真菌的抗性，它能显著提高芸苔植物体内总硫、硫酸盐、有机硫、半胱氨酸和谷胱甘肽的含量，但降低L-CDes 的活性。此外，感染芸苔菌可增加半胱氨酸和谷胱甘肽的含量以及 L-CDes 活性。接触真菌病会增加含硫气体H2S 和 COS的排放。
外源 NaHS 能有效抑制病原菌分裂，治疗植物病害。例如，H2S 熏蒸可以抑制桃果实褐腐病菌的孢子萌发、菌丝发育和致病性，还可以显著抑制梨病原真菌黑曲霉和青霉素。这些结果表明，H2S 可以增强植物对病原菌侵染的抗性，而内源 H2S 的产生是由免疫信号和外源硫化物诱导的。
一项关于大肠杆菌的研究发现，NaHS 处理刺激了活性氧的产生，降低了大肠杆菌中的谷胱甘肽水平，导致脂质过氧化和DNA损伤。同时，H2S 抑制大肠杆菌中 SOD、 CAT 和 GR 的抗氧化酶活性，诱导 SoxRS 和 oxyR 调节子的反应，与植物中 H2S 的抗氧化模式相反。Hu 等(2014b)从感染黑腐病或软腐病的甘薯中分离到3种病原真菌，包括鲁西阿努斯毛霉菌、黑色根霉菌和念珠地丝菌。2014年 Tang 等人在甘薯片表面接种了3种真菌后，H2S 熏蒸法极大地降低了真菌病的比例。令人惊奇的是，一些病原体甚至进化出了一定的抗 H2S 毒性的反应机制。植物病原体绿顶梭菌和鸡尾杆菌农杆菌利用 BigR 操纵子，这是由转录阻遏物 BigR 调控的，编码一种双功能硫转移酶和硫双加氧酶，氧化 H2S 生成亚硫酸盐。在一个反馈机制中，H2S 和多硫化物使 BigR 失活，然后启动操纵子转录。
四. H2S有助于植物的生长和发育
1. H2S促进种子萌发
种子萌发是植物生命周期中最关键、最脆弱的阶段，因为它极易受到伤害、疾病和环境胁迫。近年来，许多研究表明H2S参与了种子萌发过程。H2S以剂量依赖的方式影响种子萌发，但过高的浓度会导致萌发被抑制。H2S能促进黄瓜种子的发芽能力、发芽效率和幼苗生长。在大豆、玉米、小麦和豌豆中，H2S可以提高种子的发芽率和幼苗大小，缩短种子的发芽时间。有趣的是，没有施用外源硫肥的萌发种子内源 H2S含量增加。H2S的增加与D/L-Cdes和CAS的高活性有关。高粱发芽种子中CAS表达和生化特性再次证实了高CAS活性促进种子萌发。NaHS处理对打破种子休眠无效，因为ABA对des1和WT种子萌发的抑制程度几乎相同。令人惊喜的是，H2O2也能促进种子萌发，表明H2O2和H2S能协同促进种子萌发。用H2O2浸泡麻疯树种子，通过刺激L-CDes的活性，促进了H2S的积累，从而大大提高了种子的萌发率。反之，NaHS处理也增加了萌发种子内源H2S和H2O2的含量，H2O2的积累滞后于H2S，表明在绿豆种子萌发过程中H2S在H2O2的上游起作用。H2S和H2O2均能显著促进子叶蛋白酶活性和游离氨基酸总量的产生。这些结果表明，H2S和H2O2都可以通过活化贮藏蛋白促进绿豆种子的发芽。目前，H2S对种子发芽的影响机制仍然不清楚。植物激素串联、DNA修复、蛋白质PTMs、代谢产物合成和mRNA转录都对H2S信号有潜在的响应。
2. H2S对根系发育的双重作用
H2S对根系发育具有双重调节作用：低浓度时促进根系生长，高浓度时抑制根系生长。外源应用低浓度NaHS可促进根系细胞中L-CDes的活性，增加内源H2S的含量，直接促进根系的发育和生长。采用特异性荧光探针WSP-1对番茄根中H2S进行跟踪，结果证实H2S的积累与原基起始和侧根出现有关。此外，对内源H2S的原位荧光追踪显示，H2S只在出现侧根的初生根外层细胞中积累。采用药理和生化相结合的方法，研究了H2S、NO、CO、吲哚乙酸(IAA)和Ca2 对根系发育和生长的调节作用。结果显示，H2S和NO在NaHS处理后的甘薯幼苗茎尖中迅速增加。但是，IAA转运抑制剂NPA和NO清除剂cPTIO消除了H2S的诱导作用。Fang等(2014b)观察到，生长素缺乏诱导的SlDES下调会降低DES活性和内源H2S含量，并抑制侧根形成。相反，NAA或NaHS处理可以诱导内源H2S，从而以相同的方式刺激侧根的形成。通过HT预处理逆转了NaHS和NAA调控的细胞周期调控基因，包括上调的SlCDKA;1和SlCYCA2;1，以及下调的SlKRP2。这些结果表明H2S是生长素信号的下游成分，可触发侧根形成。
对于氧化信号，NO和CO促进根系生长的作用类似于低浓度的H2S。外源施用NaHS和血红素氧合酶-1(HO-1)诱导剂血红素通过触发细胞内信号事件诱导番茄幼苗侧根形成，这些信号事件涉及番茄HO-1的诱导和细胞周期的调节基因。因此，HO-1/CO可能参与了H2S诱导的番茄侧根形成。SNP可以刺激内源性H2S的产生和相关酶基因的表达。H2S缺乏可阻断NO对细胞内Ca2 和CAM1转录水平的刺激作用。此外，Ca2 螯合剂或Ca2 通道阻滞剂减少了H2S诱导的侧根形成。这些结果表明，在促进根系发育的过程中，H2S和Ca2 信号的相互作用是NO信号的下游。此外，甲烷(CH4)对根系生长和发育的影响也被发现与H2S信号有关，这与CA情况也一致。外源CH4通过刺激相应酶的活性增加内源H2S水平，从而诱导CsDNAJ-1、CsCDPK1、 CsCDPK5、 CsCDC6、CsAux22D-like和CsAux22-like的表达。最近的转录谱分析研究进一步证实了CH4和H2S之间的关系，具有代表性的细胞周期调控基因、miRNA及其靶基因被确定，这些基因主要参与CH4和H2S促进根的发育。
高浓度的H2S还可能作为抑制植物根系发育和生长的信号。这种情况与上述途径有不同的调节机制。高浓度H2S通过抑制生长素的运输来抑制初生根的伸长。PIN蛋白的囊泡转运和分布是一个肌动蛋白依赖的过程，而H2S通过控制几种肌动蛋白结合蛋白(ABPs)的表达和抑制拟南芥根中丝状肌动蛋白束(F-actin)的占用率来改变PIN蛋白的极性亚细胞分布，最终抑制生长蛋白的极性转运。另外，H2S对肌动蛋白F-actin的影响在T-DNA插入突变体cpa、cpb和prf3中部分缺失。过表达LCD/OASA1的株系中肌动蛋白束密度和肌动蛋白束/球状肌动蛋白比值较低。肌动蛋白ACTIN2(ACT2)在Cys-287处被巯基化，H2S的高积累导致微丝束的解聚，进而抑制根毛的生长。此外，高浓度的H2S通过触发一个包括ROS爆发、MPK6激活和NO积累的信号转导通路来抑制初生根的生长。
3. H2S在光合作用和光形态建成中的作用
当植物遭受各种非生物胁迫时，氧化还原状态的失衡和离子运输的紊乱将极大地限制植物的光合作用。Chen等(2011)已经揭示了H2S在菠菜光合作用中的作用。NaHS处理除提高叶绿素含量外，还促进了幼苗生长、可溶性蛋白质含量、光合作用和基粒片层堆积数量，同样，光饱和点(Lsp)、最大净光合速率(Pmax)、羧化效率(CE)和Fv/Fm均达到最大值，而光补偿点(Lcp)和暗呼吸(Rd)在NaHS处理下显著降低。H2S还能增强核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBISCO)的活性和RuBISCO大亚基的蛋白表达，与OAS-TL和L-CDes一样。此外，H2S对水稻的生长和生理也有积极的影响，包括光合作用、光呼吸、叶绿素荧光和气孔。H2S处理降低了光合作用的氧敏感性、CO2补偿点和乙醇酸氧化酶(GOX)活性，提高了光合速率和气孔导度。最近的一项研究表明，OASB或SERAT2;1的缺失经常诱导生化或分子特征的拮抗性改变。这些结果表明，H2S及其相关的S代谢对叶绿体光合作用和相关功能具有重要意义。
H2S与光的关系还反映在光信号的感知、植物的光形态建成，甚至光胁迫的缓解上。外源H2S能有效缓解铁皮石斛的光抑制作用。光合作用依赖于植物对光和相关信号转导的感知。H2S也被发现作用于植物光信号的下游，光信号是由特定波段的光诱导产生的，在谷子幼苗中，下胚轴中的H2S含量在红光、蓝光或白光下先增加，在白光下增加的持续时间比在红光或蓝光下增加的持续时间长。红光可以提高CDes的活性，蓝光和白光可以降低CDes的活性。LCD1和LCD2的表达受到红光或白光的促进，但受到蓝光的抑制。相反，DES基因受到白光的促进，而受到红光或蓝光的抑制。另外，在光感受器PHYB和CRY1/CRY2的介导下，磷酸化可调节LCDs的活性。这些发现表明光信号网络中H2S的产生有两种调节方式：一种是直接或间接由光受体介导的LCDs蛋白磷酸化的快速模式，另一种是涉及LCDs和DES基因mRNA转录调节的慢速模式。在光形态建成方面，H2S促进下胚轴伸长。NaHS处理阻断了COP1从细胞核向细胞质的外流，增加了HY5的降解，从而通过抑制ABI5的表达促进了植物的发育。目前，人们对H2S是否参与光合作用、光形态建成或光照信号转导还知之甚少。
4. H2S抵抗衰老和程序性细胞死亡
H2S在减缓细胞衰老和凋亡方面的功能已经在哺乳动物细胞中被广泛研究，如血管内皮细胞，神经细胞，肾细胞和肿瘤细胞。在植物中也观察到类似的现象。许多外部胁迫因素都可能导致植物的早衰，节律、气候和季节变化也促进了植物的自然老化。外源施用NaHS可以通过维持色素含量的稳定性以及降低植物细胞的呼吸速率、氧化损伤和后续PCD过程，显著延长各种切花、叶片和水果的离体存活时间。ROS的过度积累可诱导植物细胞自噬，H2S通过抗氧化酶清除ROS的能力依赖于转录和酶活性的增加。
例如，H2S处理通过维持较高的GPX、APX、CAT和GR活性，降低 LOX、PPO、PAL和蛋白酶的活性，减轻了暗促衰老。同样，糊粉层组织中的NaHS处理导致抗氧化基因HvSOD1、HvAPX、HvCAT1和HvCAT2的转录水平升高，HvEPA和HvCP3-31的转录水平降低。外源 H2S 可以通过代谢途径增加叶绿素、类胡萝卜素、花青素和抗坏血酸的含量，并下调与叶绿素降解相关的基因的转录，从而抑制黄化过程。赤霉素和乙烯等激素可以诱导衰老，H2S可以通过潜在的拮抗作用抵消它们的信号。在小麦糊粉层细胞中，H2S通过恢复H2S的产生，增加GSH和NO的含量，以及HO-1和α-淀粉酶的表达，减轻GA诱导的PCD。在哺乳动物细胞中，GSH在减轻自噬中的作用已被报道过。例如，一种GSH合成相关基因GCLM的缺失，可能导致成纤维细胞和卵巢细胞的过早衰老。NO在减轻植物衰老中的作用也多有报道。同时，D/L-半胱氨酸和H2S还通过减少乙烯的合成，可以延缓欧芹和薄荷的衰老时间。
另一种通过H2S延缓衰老的方法是减少呼吸率，恢复和加强能量代谢。H2S可以减轻碳饥饿诱导的自噬。随后，H2S 被发现可以通过维持植物的能量状态来延缓衰老。在拟南芥中，des1的线粒体受到严重破坏并在老叶中起泡，而OE-DES1具有完整的线粒体结构和均一的基质。另外，与WT和des1相比，OE-DES1分离的线粒体H2S产生率、H2S含量和ATP酶活性水平显著升高，肿胀水平和ATP含量显著降低。此外，DES1缺失引起的H2S减少也抑制ATPβ-1,2,3的表达，同时诱导ATPε的表达。在转录水平上，H2S通过调节衰老相关基因来延缓衰老进程。例如，H2S通过抑制SAG13、ATG8b和ATG12a的表达而减缓叶状细胞的老化，同时诱导SAG12的表达。近年来研究发现，H2S对番茄叶柄脱落具有剂量依赖性的抑制作用，在脱落过程的早期，可以上调SlIAA3和SlIAA4的表达，而下调ILR-L3和ILR-L4的表达。此外，ABA处理下的蛋白质组学分析表明，半胱氨酸蛋白酶ATG4的巯基化可以调节拟南芥的自噬。H2S诱导的ATG4蛋白酶的巯基化直接促进ATG8的翻译后加工，从而负面调节自噬的进程。还应该注意到，SO2缓解植物衰老的作用模式与H2S的作用模式相似，表明SO2和H2S之间的关系是通过硫代谢途径建立起来的。
5. H2S延缓果实成熟，延长果实采后保鲜
H2S供体NaHS或Na2S可显著抑制采后水果的腐烂和霉变，延长其贮藏时间。外源H2S能调节果实的氧化还原平衡、激素水平、硫代谢和能量代谢，维持各种次生代谢物的稳态，保持细胞壁和细胞膜的完整性，并通过抑制菌丝萌发来抵御各种真菌的入侵(表S2)。
H2S可以显著增强抗氧化酶的活性，包括CAT，SOD，APX和POD等。有趣的是，H2S调节氧化还原平衡的机制在不同的水果中是复杂而多样的。在草莓、猕猴桃、梨和甘薯的果实中，H2S通过降低LOX的活性抑制脂质的氧化。H2S熏蒸可以抑制苹果、香蕉、番茄和梨果实中PAL和PPO的活性。酚类化合物保持在低水平，这也有助于防止水果，如莲藕，苹果和梨切割后氧化褐变。H2S还可以提高草莓和猕猴桃中GR的活性。Aroca等(2015)表明，H2S可以通过S-巯基化物直接增强拟南芥中的CAT活性。Liu等(2017)指出，H2S增强百合科萱草SOD、CAT和APX的活性，其中APX可能直接受H2S诱导的巯基化作用调控。在大多数情况下，H2S增强了抗氧化酶的活性。此外，H2S还增加了番茄中SlAPX2、SlCAT1、SlPOD12和SlCuZn-SOD基因的表达。这些发现表明，H2S不仅通过PTM调节ROS，而且在转录水平上调节ROS。
外源H2S也影响不同的次生代谢过程。对于硫化物和硫酸盐的代谢，H2S增强了D/L-CDes的活性，从而增加了果实中内源H2S的含量。在苹果和葡萄果实的贮藏过程中，H2S熏蒸可以减少糖的积累和可溶性蛋白质的含量。然而，猕猴桃、草莓和桑椹的结果却相反，这可能与不同果实品种间糖酸比值的差异有关。H2S处理也增加了滴定酸和维生素C在猕猴桃，葡萄和桑椹果中的含量，这有利于降低糖/酸比，延长贮藏时间。在不同植物品种中，H2S对果实采后呼吸速率有明显的抑制作用，并能维持果实能量代谢的稳定性。H2S增强了香蕉果肉中H -ATPase、Ca2 -ATPase、CCO和SDH的活性，并参调节了果实能量代谢。
猕猴桃和香蕉中，H2S还通过延缓叶绿素的降解和抑制类胡萝卜素的生产，推迟果实颜色变化。H2S处理抑制了花青素的积累，也抑制了果实颜色的变化。H2S处理后，苹果和葡萄果实中黄酮类和酚类物质含量增加，延缓了果实衰老和腐烂。此外，H2S增强脯氨酸合成酶P5CS的活性，抑制SDH的活性来增加香蕉果肉中Pro的含量。苯丙氨酸的代谢受到H2S的影响，PAL活性升高，从而降低水果中苯丙氨酸的含量和EGase的活性，表明H2S通过保持细胞壁的完整性来维持果实的硬度。最近研究表明，内源H2S在番茄果实成熟中起着重要作用，因为SlLCD1基因编辑的突变体显示了加速果实成熟的作用。
抑制内源乙烯合成和信号转导是H2S处理延缓果实成熟的重要机制之一。H2S处理可以通过抑制乙烯合成相关基因(MdACS1，MdACS3，MdACO1和MdACO2)和信号转导基因(MdETR1，MdERS1，MdERS2，MdERF3，MdERF4和MdERF5)的表达，延长“红富士”苹果的贮藏时间，延缓苹果的成熟。同样，H2S抑制番茄中乙烯相关基因的表达(SlACO1，SlACO3，SlACO4; SlETR5，SlETR6，SlCRF2和 SlERF2)。H2S处理下调了香蕉果实乙烯生物合成基因(MaACS1、MaACS2、MaACO1和MaPL)，而上调了香蕉果实乙烯受体基因(MaETR、MaERS1和MaERS2)。
NO可以与ACC氧化酶结合形成稳定的“ACC-ACC氧化酶-NO”三元复合物，具有剂量依赖性。这种信号转导反过来导致乙烯在组织中的产生减少。H2S和NO供体处理减少了桃果实中乙烯的积累。NO-H2S串扰对乙烯诱导的果实成熟具有稳定的协同抑制作用。Zhang等 (2014) 报道了外源H2S和NO的组合可以缓解ROS胁迫，提高果实硬度，增强草莓果实的保鲜。Liu等 (2011) 阐明了H2S在ET-NO-H2S信号通路中的下游位置。在水果成熟过程中H2S与乙烯的信号转导已经被综述。在这些过程中，H2S与ROS和RNS应激信号相互作用。H2S和NO的S-巯基化和S-亚硝基化直接发生在植物中，这也是它们调节植物成熟的一个重要途径。
五. 植物中H2S、NO和H2O2信号的多重交叉
在地球历史上，生物进化了新陈代谢和调节机制，以适应不断变化的大气成分：从H2S到NO再到O2，从古至今。大量的研究证据表明，在生物体中留下的环境演化的痕迹可能会巧妙地演变成更复杂的信号串扰和调节机制。无论是在哺乳动物细胞还是植物细胞中，H2S (RSS)、NO (RNS)和H2O2 (ROS)的特殊作用、功能和机制都离不开它们固有的化学性质和氧化修饰PTMs。因此我们将重点关注这些线索，来帮助我们更好地理解植物中H2S、NO和H2O2参与的多重信号通路。
1. 化学特征和信号: H2S、NO和H2O2
H2S作为气体分子，具有典型的 “V型”分子结构。气态H2S具有活性化学性质，可溶于水形成弱酸，称为“硫氢酸”。其水溶液含有HS- 和S2-，如下:
