全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (2): 141~152　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0385 141
收稿 2014-08-28　　修定 2015-01-23
资助 转基因生物新品种培育重大专项(2012ZX08011002)、环
保公益性行业科研专项(201309038)和环境基准与风险评
估国家重点实验室自主研究课题基金项目。
* 通讯作者(E-mail: liuyb@craes.org.cn; Tel: 010-84910906)
氢气在植物抗胁迫中的作用
刘方, 刘勇波*, 李俊生, 黄海
中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京100012
摘要: 近年来, 一些研究发现氢气作为一种新的信号分子参与植物抗胁迫网络并具有重要作用。本文综述了近年来氢气参
与植物胁迫应答的研究, 总结氢气主要通过调节活性氧(ROS)来参与植物抵御胁迫的过程。在植物抗干旱过程中, 氢气通
过促进ROS的产生来调节气孔的闭合; 而在植物抗盐渍、金属离子和农药损伤过程中, 氢气通过去除ROS来修复氧化损伤;
氢气还对植物抗病虫害相关基因的表达有调节作用。
关键词: 氢气; 植物抗胁迫; 活性氧; 分子机制; 农业应用
The Role of Hydrogen in Plant Stress Tolerance
LIU Fang, LIU Yong-Bo*, LI Jun-Sheng, HUANG Hai
State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,
Beijing 100012, China
Abstract: In recent years, some studies have found that hydrogen as a new signal molecules involved in
plant stress resistance network and played an important role. Here, we reviewed the research of hydrogen
involved in plant stress response in recent years, and summarized the hydrogen participated in the process of
plant resistance to stress mainly through regulation of reactive oxygen species (ROS). Hydrogen promotes
the ROS production to regulate stomas closure in plant drought tolerance, whereas it scavenges ROS to
decrease oxidative damage from saline, metal ions and pesticides. Hydrogen also involves in regulating the
expression of genes related with insect- and disease-resistance.
Key words: hydrogen; plant stress tolerance; ROS; molecular mechanism; agricultural application
在自然环境中, 植物整个生命周期都处在一
个不断变化的环境中。适宜的环境条件能保证植
物的正常发育和生长, 但如果环境条件变化超过
植物正常生长发育所能忍受的范围, 就会影响植
物的生长。对植物生长发育不利的环境条件称之
为逆境或胁迫。植物逆境胁迫分为生物胁迫和非
生物胁迫。生物胁迫指病原体的感染、动物的取
食以及杂草的竞争等; 非生物胁迫包括高温、寒
冷、干旱、盐渍以及有毒物质等。胁迫会对植物
造成损伤, 如细胞脱水, 膜系统破坏、光合速率下
降、呼吸速率发生变化等, 甚至导致死亡。由于
植物的不动性, 不能逃避外部环境的变化, 为了生
存, 只有改变本身的形态及内部结构来适应周围
环境。经过长期的适应与进化, 植物形成了错综
复杂的机制来感应外界信号, 从而选择最优的应
对方式来适应不良环境(潘瑞炽等2004)。
由于人类活动的影响, 加之自然灾害时有发
生, 使得环境变化加剧, 严重影响到植物的生长发
育。植物如何通过细胞感受并传导逆境胁迫信
号、激活一系列分子途径并调控相关基因表达和
生理反应等, 已成为植物生物学研究的热点领域之
一。氢气具有抗氧化、抗炎症、抗过敏等作用, 经
常作为一种医疗气体, 应用于疾病治疗(Ohsawa等
2007; Hong等2010)。研究发现, 氢气可能作为一种
新型的信号分子参与植物胁迫应答网络中。氢气
可能在植物抵御胁迫中具有重要的作用, 如抵抗干
旱环境(Xie等2014), 减轻盐胁迫带来的氧化损伤
(Xie等2012; Zeng等2013), 减轻金属离子和农药带
来的氧化损伤(Chen等2014; Cui等2014), 参与激素
综　述 Reviews
植物生理学报142
抗病虫害信号相关基因的表达(Zeng等2013)。
本文综述近年来氢气参与植物抗胁迫的研究,
探讨氢气参与植物抵抗干旱、盐渍、毒性物质和
病虫害等过程。深入了解植物抵御胁迫的分子机
制有助于人们开发新的栽培手段、培育新型栽培
作物和研究绿色农药, 提高粮食产量与质量, 同时
也有利于环境保护。
1 植物应对胁迫的方式与途径
经过长期的适应与进化, 植物可调节体内激
素信号网络, 形成防御素、抗病蛋白等, 提高植物
抵抗各种胁迫的能力。这种植物应对胁迫的途径
一般可分为三个阶段: 感知阶段、信号传递阶段
和生物合成阶段(图1) (Wu和Baldwin 2010)。
感知阶段是指植株对外界胁迫信号的识别。
胁迫种类不同, 植物的感知方式也不同, 如感知干
旱的渗透感受器(赵咏梅2008; 杨洪强等2001; Bar-
tels和Sunkar 2005); 感知盐胁迫的离子通道和跨膜
蛋白激酶(Shi等2000; Xie等2012); 感知病原微生物
的细胞膜外受体蛋白和细胞内效应蛋白(Dodds和
Rathjen 2010); 对昆虫取食的感知主要是识别昆虫
口腔中的激发子(elicitor) (Wu等2007; Skibbe等
2008)。在信号传递阶段, 许多离子和化合物参与
其中, 主要有钙离子(Ca2+)、蛋白激酶和植物激素,
它们之间相互影响共同促进下游与抵抗相关的物
质的合成。在真核生物中, Ca2+是信号网络中重要
的第二信使, Ca2+浓度的变化通过Ca2+感应蛋白传
递给下游, 改变体内蛋白激酶的活性, 并诱导相关
基因的表达(Lecourieux等2006; 蒋廷惠等2005)。
参与抵御胁迫的激素主要包括: 水杨酸(salicylic
acid, SA)、茉莉酸(jasmonic acid, JA)、乙烯(eth-
ylene,ET)、脱落酸(abscisic acid, ABA)和一氧化氮
(NO) (Kunkel和Brooks 2002; 张晓磊等2008), 植物
利用不同的激素信号抵抗不同类型的胁迫。经过
感知和信号传递, 植物体内会合成一些小分子物
质来帮助抵抗胁迫, 这个过程为生物合成阶段。
合成与渗透调节有关的小分子物质、功能蛋白(水
通道蛋白、LEA蛋白、调渗蛋白、抗氧化酶)和调
节蛋白(转录因子、蛋白激酶、磷脂酶C和一些信
号分子) (周宜君等2006)。活性氧(ROS)的产生是
植物胁迫应答中的重要环节, 它可以促进组织坏
死, 使病原体得不到合适的环境而死亡; 在细胞壁
和细胞膜之间积累胼胝质 , 阻止病原体的入侵
(Bestwick等1995; Brown等1998)。病虫害还会引
起植物激素SA、JA和ET的合成, 这些激素对植物
建立局部和系统性免疫是必需的(Mishina和Zeier
2007; Tsuda等2008), 激素信号会激活下游基因的
图1 植物应对胁迫的信号通路
Fig.1 A model of stress signaling pathways in plants
刘方等: 氢气在植物抗胁迫中的作用 143
表达以帮助植物抗病, 如病原相关蛋白(pathogene-
sis-related protein, PR)、蛋白酶抑制因子(protease
inhibitor, PI)和多酚氧化酶(polyphenol oxidase,
PPO)等(Felton和Korth 2000)。
2 氢气参与植物胁迫应答
2.1 植物的氢气代谢
在复杂的植物胁迫应答网络中, 氢气作为一
种新型的信号分子参与其中(表1)。氢是自然界中
丰富的化学元素，其单质形态是氢气，氢气是一
种惰性气体, 无色、无味, 是未来替代有限化石燃
料的潜在新能源(Dutta等2005; Huang等2010)。一
直以来, 人们认为从远古细菌到真核微藻类均可
通过光合作用或非光合作用产生氢气(Gaffron
1939; Eroglu和Melis 2011)。光合生物的氢气代谢
最初报道于绿藻中(Gaffron 1939; Gaffron和Rubin
1942), 之后发现在光合细菌中也存在(Gest和
Kamen 1949; Melis和Melnicki 2006)。这些微生物
体内执行氢气代谢的是氢化酶(hydrogenase), 氢化
酶种类各异 , 被广泛了解的是细菌、蓝藻中的
[NiFe]氢化酶和专性厌氧细菌、绿藻中的[FeFe]氢
化酶(Eroglu和Melis 2011; Hatchikian等1992; Shima
等2008)。目前, 许多藻类的[FeFe]氢化酶基因已
被确定, 如斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)的氢化
酶基因SoHydA1、莱茵衣藻(Chlamydomonas rein-
hardtii)的氢化酶基因CrHydA1和CrHydA2、小绿
藻(Chlorella fusca)的氢化酶基因CfHydA (翁海波
等2007; Forestier等2003)。除氢化酶外, 在某些细
菌中固氮酶(nitrogenase)也可催化生成氢气(Meyer
等1978)。生物产生氢气主要通过以下几种方式:
(1)直接生物光解途径, 绿藻和蓝藻吸收光能, 可将
水直接分解成氢气和氧气; 光合系统I (photo sys-
tem I, PSI)和光合系统II (photo system II, PSII)均参
与其中, PSII吸收光能将水分子分解成氧气和电
子, 电子传递给PSI并将其激活, 激活的PSI将铁氧
表1 氢气参与植物抗胁迫
Table 1 Hydrogen gas involved in plant stress tolerance
胁迫类型 对植物的伤害 植物抵抗方式 氢气的作用 参考文献
干旱 (1)萎蔫
(2)细胞膜受损
(3)代谢紊乱
光合作用减弱
(1)表达作用于抗旱基因的转录因
子
(2)表达具渗透调和抗氧化损伤的
基因
氢气可与ROS、一氧化氮、保卫细
胞K+通道共同参与ABA介导的气孔
闭合
Xie等2014
盐渍 打破细胞内离子平衡
氧化损伤
(1)抗氧化
(2)重建离子平衡
(1)氢气可激活转录因子ZAT10/12及
其下游抗氧化基因的表达
(2)氢气可促进Na+的外排, 协助维持
离子平衡
(3)氢气可增加抗氧化酶的表达量和
活性
(4)氢气增加种子内淀粉酶活性, 促
进萌发
(5)氢气促进土壤中氢氧化细菌生
长, 间接协助植物抗盐渍
Xie等2012; Xu等2013;
Zeng等2013
金属离子和农
药的氧化损伤
结合细胞内功能蛋白
氧化损伤
(1)与重金属形成无毒复合物
(2)将重金属积累在特定部位
(3)增强抗氧化酶活性
(1)氢气可减少重金属的吸收和积
累, 重建细胞内离子平衡
(2)氢气可增强抗氧化酶和抗氧化非
酶类物质的表达量和活性
(3)氢气可增加抗氧化损伤信号通路
中血红素氧化酶(HO-1)表达量和活
性, 参与HO-1信号途径协助抵抗
Chen等2014; Cui等
2013, 2014; Jin等2013
病虫害 (1)新陈代谢受到干扰
(2)从生理机能到组织
结构上发生一系列的
变化和破坏
(3)高传染性
(1)特化的表型: 针刺、毛状物和角
质层, 来防止昆虫取食和病菌感染
(2) SA、JA和ET参与的生理抵抗,
合成PR、PI、PPO等抗病蛋白, 协
助建立植物系统性抗性
(1)氢气可影响激素下游基因的表达
(2)激素会促进氢化酶基因的表达,
增加氢气产量
Zeng等2013
植物生理学报144
化还蛋白(ferredoxin, Fd)还原, 氢化酶将还原态的
Fd重新氧化并产生氢气; [FeFe]氢化酶和固氮酶分
别在绿藻和蓝藻中参与直接生物光解途径, 蓝藻
中还原态的Fd可将电子传递给尼克酰胺腺嘌呤二
核苷酸(辅酶I, NAD+)和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸
磷酸(辅酶II, NADP+), [NiFe]氢化酶将NAD+和
NADP+氧化并产生氢气(Kim和Kim 2011; Das等
2008)。(2)间接生物光解途径, 蓝藻细胞进行光合
作用固定二氧化碳、合成糖类, 糖类在无氧条件
下通过酵解产生还原力, 协助固氮酶合成氢气(范
晓蕾等2009; Sakurai和Masukawa 2008)。这些藻类
和细菌是具极大潜力的未来生物制氢生物, 但有
些氢化酶对氧气十分敏感, 易受到氧气抑制而失
活(范晓蕾等2009)。目前提高衣藻制氢的方法有
许多, 如改造氢化酶结构降低氧敏感度, 筛选产氢
量高的突变体, 利用基因工程手段在叶绿体中转
入氧高亲和蛋白降低氧浓度等(吴双秀和王全喜
2006; 冯盈2013; Tamagnini等2002)。
大量氢气代谢的研究集中在细菌和藻类中,
而在高等植物中甚少。直到1947年, Boichenko在
分离出的叶绿体里研究氢气的产生方式, 并推测
在某些高等植物体内也存在氢化酶(Boichenko
1947; Maione和Gibbs 1986)。Renwick等(1964)通
过分析不同条件下植物种子萌发时产生的氢气量,
证实部分高等植物种子中存在氢化酶。随后, 人
们陆续发现大麦(Hordeum vulgare)、水稻(Oryza
sativa)、苜蓿(Medicago sativa)和拟南芥(Arabidop-
sis thaliana)均可产生内源氢气(Renwick等1964;
Xie等2012; Jin等2013; Zeng等2013)。Zeng等
(2013)在水稻基因组中找到两个与莱茵衣藻氢化
酶同源的基因, 分别是OsHydA1和OsFhdB, 一个与
细菌氢化酶同源的OsHypB。水稻氢化酶活性和转
录水平的变化与内源氢气产量一致, 预示水稻氢
化酶可产生内源氢气(Zeng等2013)。然而, 目前研
究的高等植物氢化酶基因仅为藻类和细菌的同源
基因, 其确切的生物学功能还有待研究。高等植
物的氢气来源除氢化酶外, 还可来自与豆科植物
共生的根瘤菌, 根瘤菌在固氮过程中也可释放氢
气, 氢气能改变土壤微生物种群结构, 增加氢氧化
细菌数量、提高土壤酶含量, 促进植物旺盛生长
(刘慧芬等2010; Dong等2003; Irvine等2004)。
2.2 氢气参与抗干旱胁迫
植物受干旱胁迫后会发生显著的生理变化,
干旱对植物的伤害主要表现在老叶死亡、种子籽
粒不饱满、细胞膜受损、代谢紊乱和光合作用减
弱等(潘瑞炽等2004)。参与植物抗干旱的物质主
要有两种, 一种是调控与抗干旱相关基因表达的
转录因子, 如DREB、MYC/MYB、bZIP、WRKY和
NAC (刘欣和李云2006), 其过量表达可以激活下游
多种抗逆基因的表达 , 综合提高植物抗干旱能
力。另一种是具有渗透调节作用、抗氧化损伤的
类似于分子伴侣的功能基因(唐益苗等2009)。脯
氨酸在植物抗干旱中十分重要, 它不仅可保持细
胞质与外界的渗透平衡防止过多水分丧失、保持
膜结构的稳定和完整、清除自由基, 还是一种与
胁迫相关的信号物质(潘瑞炽等2004; Bartels和
Sunkar 2005)。植物叶片上气孔的关闭可以减少蒸
腾作用, 这是植物抵抗干旱的重要环节。ABA可
通过促进K+离子流出保卫细胞、降低保卫细胞膨
压, 从而促进气孔闭合, 减少植物水分损耗(匡逢春
等2003; Rock和Ng 1999; Leckie等1998)。ABA介
导的气孔闭合需ROS、NO、保卫细胞K+通道
(guard cell outward rectifying K+ channel, GORK)
共同参与(Bright等2006; Yan等2007; Hao等2012),
最新发现在拟南芥中氢气也参与其中 ( X i e等
2014)。Xie等(2014)发现, ABA可引起拟南芥快速
且持续的释放氢气, 施加富氢水也可减少气孔开
度, 协助抵抗干旱。但当NADPH氧化酶基因突变
时, 富氢水无法促进NO的合成和气孔的闭合, 外源
施加NO后可恢复; 当硝酸还原酶基因突变时, 富
氢水和过氧化氢都无法促进NO产生和气孔闭合,
但富氢水仍可促进ROS的产生。这说明ROS和NO
均参与到氢气诱导的气孔闭合中, 并且NO的产生
是气孔闭合的必要条件。在GORK缺失突变体中,
ABA、富氢水、NO和过氧化氢均不能诱导气孔
的闭合, 这表明气孔的闭合最终需通过K+通道来
完成。所以, 氢气通过促进产生ROS, 从而增加
NO, NO介导K+通过GORK通道从细胞质向细胞外
释放 , 使气孔闭合。有氢气参与的气孔闭合是
ABA信号途径中的一个新的分支路径, 为进一步
在分子水平上研究氢气在植物抗干旱胁迫中的作
用提供基础。
刘方等: 氢气在植物抗胁迫中的作用 145
2.3 氢气参与抗盐胁迫
土壤盐化是制约农业生产的重要因素, 我国
盐碱土地面积约760万公顷, 占现有耕地面积的1/5
(顾文婷等2014)。一些农业耕种方式使土壤盐化
问题更为恶化, 如灌溉, 如今全球约有20%的耕种
土地和一半的灌溉土地盐渍化严重(Zhu 2001)。
盐胁迫对植物影响十分明显, 会引起细胞渗透性
的改变以及打破植物细胞内离子的平衡, 最主要
的是产生ROS, 引起氧化损伤(Zhu 2001; Munns和
Tester 2008)。植物抵抗盐胁迫主要通过三种方式:
(1)抗氧化, 修复和减轻盐胁迫带来的损伤; (2)重建
体内离子平衡, 以适应胁迫环境; (3)调节在逆境中
的生长速率(Zhu 2001)。
转录因子ZAT10/12在拟南芥盐胁迫应答中起
重要作用, 可激活抗氧化基因的表达, 如cAPX1和
FSD1 (Zhu 2001)。对盐胁迫处理后的拟南芥，富
氢水可调节ZAT10/12及其下游抗氧化基因的表达,
如上调cAPX1、ZAT10和FSD1基因表达量, 增加
ZAT12的基因表达量, 恢复因盐胁迫降低的细胞内
APX蛋白含量和活性, 从而协助抵抗氧化损伤(Xie
等2012)。cAPX1是ROS清除机制中的重要成员
(Davletova等2005), Xie等(2012)利用capx1突变体发
现, 经富氢水处理的capx1突变体不表现抗盐特征,
所以cAPX很可能是氢气信号通路的下游靶蛋白。
氢气可协助维持细胞内离子稳态, 通过上调细胞膜
Na+转运蛋白SOS1、AHA3和H+泵的表达, 促进多
余Na+的外排, 重建细胞内离子平衡(Xie等2012)。
sos1突变体经富氢水处理后无法提高耐盐度, 这也
暗示Na+转运蛋白基因SOS1可能是氢气信号下游
靶基因(Xie等2012)。用富氢水培养水稻, 其根和茎
中丙二醛(自由基作用于脂质发生过氧化反应产生
的细胞毒性物质)含量相对减少; 同时盐处理会上
调水稻氢化酶基因的表达, 使氢气产生量增加, 氢
气的增加可上调水稻中抗氧化酶基因的表达(如
OsFeSOD、OsCAT等)和抗氧化酶的活性(SOD和
CAT), 从而减轻盐胁迫带来的氧化损伤(Zeng等
2013)。对水稻种子施加富氢水可增强种子中α/β淀
粉酶活性, 加速可溶性单糖的产生, 缓解高盐对萌
发和生长的抑制作用; 氢气还可增加种子中抗氧化
酶基因的转录, 减弱种子所受的氧化损伤, 使其正
常萌发和生长(Xu等2013)。氢气不仅可直接协助
植物抗盐渍, 还可通过影响土壤微生物组成间接提
高植物抗盐能力。根瘤菌固氮时产生的氢气可促
进土壤中氢氧化细菌的生长(Dong等2003), 氢氧化
细菌可协助小麦和油菜抗盐胁迫, 通过减少过氧化
物丙二醛的含量, 调节脯氨酸含量, 提高叶绿素水
平、可溶蛋白含量、SOD和CAT活性, 调节内源激
素生长素(indole-3-acetic acid, IAA)和ABA含量等,
促进小麦、油菜在盐胁迫下发芽、提高发芽率和
稳定发芽作用(王楠2012)。
2.4 氢气参与修复金属离子和农药的氧化损伤
一些金属元素是植物生长发育所需的营养元
素, 例如铜是光合电子传递链PC (质体蓝素)的成
分, 参与光合电子传递; 锌是一些酶的催化剂, 缺
锌时会导致植物株型和生长习性的改变。当金属
离子超过一定数值时, 就会对植物产生毒害作用,
影响植物的代谢、生长发育和繁殖, 甚至导致死
亡。重金属离子主要通过以下三条途径对植物造
成损伤: (1)通过亚硫酰、组氨酰和羧基基团与细
胞内结构蛋白、酶和转运蛋白结合; (2)促进氧化
损伤的产生, 通过修饰抗氧化抵抗机制; (3)替代某
些金属离子结合在蛋白的重要位点, 导致蛋白质
功能丧失, 例如镉(Cd2+)可以替代Ca2+与PSII结合,
阻碍光合反应的进行(Sharma和Dietz 2009)。然而,
仍有许多植物可以正常生长于重金属污染的土壤
中, 这些植物在生理和基因水平发生变化, 形成特
定的抗重金属机制。植物抗重金属的机制主要有:
(1)利用某些金属解毒剂, 如金属硫蛋白(metallo-
thionein, MT)和植物络合素(phytochelatin, PC)与重
金属结合形成无毒的复合物 (杨红玉和王焕校
1985; Casterlin和Barnett 1982; Ernst等2000); (2)将
重金属离子积累在特定位置, 如细胞壁或液泡, 避
免进入细胞质产生毒害(Nishizono 1987); (3)增加
抗氧化酶POD、SOD和CAT的活性, 减弱重金属引
起的氧化损伤(杨居荣等1995; 曾晓敏等2002)。
研究表明, 氢气可协助植物修复金属离子引
起的氧化损伤。铝(Al)毒害对植物根生长有明显
的抑制作用(Delhaize和Ryan 1995; Kochian 1995),
富氢水可缓解Al毒害对苜蓿根伸长和植株生长的
抑制, 以及减少Al在根尖的积累(Chen等2014)。
NO是植物应对Al毒害反应中的重要信号分子, 但
对其具体的生理作用仍有争议(He等2012)。NO具
植物生理学报146
有双重生理效应, 在不同的植物和重金属胁迫下
作用不同, 即可加重毒害效果也可协助保护(Bel-
igni和Lamattina 1999)。Chen等(2014)发现, 在苜蓿
中去除NO可减轻Al毒害的症状, 富氢水可减少硝
酸还原酶介导的NO的产生, 解除Al毒害对根伸长
的抑制作用。重金属汞(Hg)对植物的毒害主要表
现为产生ROS、抑制生长和增加脂质过氧化(Cho
和Park 2000; Gao等2010; Wang等2012)。氢气可减
轻苜蓿中的Hg毒害, 富氢水可明显减少细胞内离
子的泄露和Hg的积累, 这有助于重建植物体内离
子平衡; 富氢水可减少ROS的产生, 增加抗氧化酶
POD和APX的活性, 并增加一些非酶类抗氧化物
的含量, 如谷胱甘肽(glutathione, GST)、GST同系
物(homoglutathione, hGSH)和抗坏血酸, 这些抗氧
化物质的增加帮助植物对抗Hg毒害带来的氧化损
伤(Cui等2014)。重金属镉(Cd)会抑制植物生长, 导
致叶片萎黄、细胞坏死, 富氢水可显著减少苜蓿
对Cd的吸收; 丙二醛是脂质过氧化和自由基产生
的指示物质, 富氢水可减少Cd诱导的丙二醛的积
累, 并增加抗氧化酶的活性和抗氧化非酶类物质
的含量, 减少ROS引起的氧化损伤, 缓解Cd毒害对
植物根伸长的抑制和对生长的阻碍(Cui等2013)。
在农业生产上, 使用化学农药防治病虫害, 能
显著提高作物的产量, 但也会对植物造成伤害。喷
施农药可导致植物产生过多的ROS, 抑制植物生长,
造成氧化损伤(Jin等2013)。Jin等(2013)研究发现,
受农药百草枯胁迫的苜蓿内源氢气产量增加; 外源
施加氢气和血红素氧化酶(HO-1)均可协助苜蓿抵御
农药导致的氧化损伤, 减轻农药对根生长的抑制、
减少脂质过氧化、降低ROS的含量, 并且可以增加
抗氧化酶的表达量和活性; 进一步研究发现用氢气
处理苜蓿, 可增加HO-1基因的表达量, 并提高HO-1
蛋白的活性。HO-1的抑制剂NO可阻碍氢气的作
用, 这说明氢气可能是通过HO-1信号途径来协助植
物减轻氧化损伤, 抵御毒性物质(Jin等2013)。
2.5 氢气参与抗病虫害
病虫害等生物胁迫直接损害植物, 是影响作
物产量的重要原因。农作物常见的病虫害可分为
两个类别, 一种是病原菌的侵染, 如细菌、真菌和
线虫等; 另一种是植食性昆虫的取食, 如蝗虫、玉
米螟和麦蚜等。植物对病虫害的感知和应对十分
复杂且精密, 进化使得植物利用不同激素信号通
路有针对性地对病虫害进行防御。参与植物抗病
虫害的激素主要是SA、JA和ET。SA是参与植物
抵御病原体的重要角色, 当有病原体侵染植物组
织时, SA的含量增加, 并合成PR来抵抗病原微生
物, 提高抗病能力; 如施加外源SA, 可广泛增强植
物抵抗力(Kunkel和Brooks 2002; Ryals等1996)。
JA参与抵抗昆虫、植食性动物和腐生微生物的入
侵, 研究发现减少JA的合成会导致植物严重缺乏
抵抗力(Kunkel和Brooks 2002; Creelman和Mullet
1997; Reymond和Farmer 1998; Li等2001)。ET作
为一种气体激素与JA信号相联系(Kunkel和Brooks
2002)。这三条激素信号通路并不单独起作用, 它
们之间相互协同或拮抗, 共同组成抵御病虫害的
植物激素信号网络。
近期有研究发现, 氢气与植物激素信号网络
密切相关(Zeng等2013)。Zeng等(2013)将水稻和
绿豆(Vigna radiata)种子置于不同浓度的富氢水中
萌发, 发现低浓度富氢水可促进绿豆根和茎的伸
长, 高浓度则抑制; 水稻种子的生长可受到富氢水
的抑制。氢气对植物生长的影响是通过协助或拮
抗不同激素完成的, 例如低浓度富氢水可加强ET
信号的影响, 富氢水可解除高浓度IAA对生长的抑
制作用等(Zeng等2013)。为研究氢气参与激素信
号通路的途径, Zeng等(2013)在水稻种子中分析氢
气对不同激素下游基因表达的影响, 富氢水处理
后利用实时荧光定量聚合酶链反应(RT-qPCR)技
术检测了12种与激素相关的基因的变化, 包括ET
受体基因(Yau等2004)、IAA受体基因(Dharmasiri
等2005; Parry等2009)、ABA受体基因(Kim等
2012)、赤霉素(gibberellin, GA)受体基因(Shimada
等2008)、细胞分裂素(cytokinin, CTK)受体基因
(Choi等2012)、SA受体基因(Fu等2012)、ET合成
基因、GA信号途径下游转录因子和抗病蛋白PR1
基因等。结果表明低浓度氢气可以增强这些基因
的表达, 高浓度则抑制。同时, 外源施加JA、ET、
ABA、PEG6000和NaCl可迅速增加水稻内源氢气
的产生, 3种水稻氢化酶基因的表达量有不同程度
的增强(Zeng等2013)。氢气的代谢与多种激素信
号通路相互影响, 这说明氢气很可能参与这些激
素控制的生理过程。氢气可调节SA、JA和ET激
刘方等: 氢气在植物抗胁迫中的作用 147
素信号中基因的表达, 且JA和ET也可影响内源氢
气的产生, 这说明氢气很可能参与这三种激素组
成的抗病虫害信号网络, 但具体响应方式和作用
机理还需实验证实。
3 氢气在生物学上的应用
3.1 氢气在医学上的应用
氢气具有抗氧化、抗凋亡、抗炎症和抗过敏
的功效, 被逐渐开发成一种医疗气体(Ohsawa等
2007; Hong等2010)。氢气可选择性地减弱两种具
有细胞毒性的自由基——羟基(·OH)和过氧亚硝基
(ONOO-), 这两种强氧化剂可与核酸、脂类和蛋白
质反应, 导致DNA片段化、脂类过氧化和蛋白质
失活(Huang等2010)。氢气还可通过增加抗氧化酶
来保护细胞, 如CAT和SOD等(Kajiyama等2008;
Xie等2010)。氢气可抑制半胱氨酸天冬氨酸蛋白
酶(caspase-3)的活性来抵抗细胞凋亡(Sun等2009),
下调促炎性细胞因子的表达以抵抗炎性组织损伤
(Mao等2009; Chen等2004)。氢气治疗法已应用于
多种疾病的研究, 并取得不错的效果, 例如治疗帕
金森症、阿兹海默症等中枢神经系统疾病, 治疗
动脉硬化等心血管疾病, 减轻肺部感染症状, 抑制
肿瘤生成等(Huang等2010)。
3.2 氢气在植物学上的应用
除了作为一种医疗气体可以在医学上应用外,
氢气在植物学上也有广泛的应用前景。“氢肥理
论”已引起大量关注, 豆科植物固氮时释放的氢气
可被土壤中的氢氧化细菌利用, 分离出的氢氧化
细菌可促进植物根的伸长、增加土壤肥力和作物
产量(陈兴都2007; Dong等2003; Irvine等2004)。氢
气不仅可作为植物的“肥料”, 还可作为“绿色农药”
提高植物的抗胁迫能力。
3.2.1 抗旱耐盐
干旱和土壤盐化是决定植物生长和分布的重
要环境因子。全世界超过10%的可耕土地受到干
旱和盐渍的影响, 全球范围内荒漠化、盐渍化土
地的迅速增加是导致重要经济作物减产的重要因
素(Bray等2000)。干旱和盐渍通常会对植物有相
似的影响, 例如引起细胞脱水和氧化损伤(Bartels
和Sunkar 2005)。随着分子生物学的发展, 人们利
用转基因技术来培育抗旱耐盐的作物品种(陈丽萍
和何道一2010)。植物抗旱耐盐涉及到多种基因的
参与, 如调节离子平衡的离子转运蛋白基因、编
码渗透调解产物的合成酶基因、抗氧化损伤的相
关基因等, 所以抗旱耐盐机制涉及植物生理生化
各个水平(Zhu 2001; 刘欣和李云2006; 唐益苗等
2009)。目前, 还没有研究出可以用于农业生产的
抗旱耐盐转基因作物。研究氢气参与植物抗旱耐
盐的分子机理, 将为提高农作物对抗干旱和土壤
盐碱化提供一条新途径。植物种子用富氢水浸泡
后, 可以解除盐胁迫导致的萌发抑制, 提高在盐渍
土地上作物种子的萌发率(Xu等2013)。还可以向
生长在干旱或盐渍土地上的作物施加富氢水, 从
而帮助作物抵御氧化损伤、重建体内离子平衡,
防止脱水死亡、避免减产(Xie等2014; Zeng等
2013; Zhu 2001)。在农业中开发利用富氢水增强
植物抗旱耐盐的能力, 也许是一种方便、快捷且
经济的手段。
3.2.2 抗重金属胁迫
随着矿产资源的大量开发, 城市污泥、污水
的农用 , 重金属对土壤和水体的污染越来越严
重。生物无法降解的重金属大量积累在环境中,
参与水体、土壤、生物系统的循环, 并通过植物
的吸收积攒在植物体中, 通过食物链危及动物和
人类健康(罗春玲和沈振国2003)。目前, 治理污染
土壤的措施主要包括工程修复、物理化学修复以
及生物修复。大多数修复手段修复周期长、见效
慢, 尤其是生产符合食用标准的农作物更是一项
费力耗时的过程。研究发现氢气可以增强植物对
有毒物质的耐性, 减少重金属在植物中的积累, 降
低对植物的毒害; 还可减轻重金属对细胞的氧化
损伤, 维持植物在毒性物质胁迫下继续存活(Cui等
2013, 2014; Chen等2014)。加强研究氢气参与植物
抗金属胁迫的分子机制, 利用富氢水处理植物增
加其抵抗有毒物质的能力, 都将为利用植物修复
重金属土壤提供新的途径和策略。
3.2.3 抗病虫害
农作物病虫害是农作物减产的主要原因, 在
农业生产上主要使用化学农药防治病虫害。随着
生物技术的发展, 转基因技术被应用于培育具有
抗病虫害能力的农作物新品种中。现已培育出了
抗除草剂、抗虫、抗病的转基因水稻、玉米、棉
花、大豆和油菜等新品种, 并且部分已广泛应用
植物生理学报148
于农业生产中(James 2013)。虽然种植转基因作物
在某些方面有优势, 如减少农药使用(Lu等2012),
但转基因作物对环境的影响不容忽视, 如转基因
作物对生态环境的影响就受到广泛的关注(魏伟和
马克平2002; 刘勇波等2012)。氢气作为一种新的
信号分子参与到SA、JA和ET组成的抗病虫害信
号网络中, 富氢水可增加这些激素受体基因的转
录, 且内源氢气产量也可受到JA和ET的影响(Zeng
等2013), 这预示氢气很可能通过植物激素信号网
络协助植物抵御病原体的侵染和昆虫的取食。相
对于现有防治病虫害措施来说, 使用富氢水处理
植物增加抗病虫害能力是绿色环保的, 且简便易
行。然而, 还需要深入研究氢气参与植物抗病虫
害的途径与分子机理, 明确氢气作为信号分子在
抗病虫害中的作用。
3.2.4 其他可能的应用
除了以上几种应用外, 氢气还可能应用到其
他领域。例如, 氢气参与花期的调控, 其抗氧化作
用未来可用于减缓鲜花的凋谢, 延长观赏时间(Su
等2014), 在未来园艺观赏方面有广泛的应用前
景。氢气的抗氧化特性也可用于食品的保鲜或存
放(Hu等2014), 氢气无毒无害、没有残留, 优于市
面上各种化学防腐剂。鉴于氢气对人类疾病显著
的治疗效果, 也许可以将此特性应用于水产品的
养殖, 向水中通入氢气从而帮助治疗鱼类、虾类
等的疾病, 或提高其免疫能力, 这在水产品生产上
也有很大的应用潜力。使用富氢水对农作物进行
灌溉, 可能对作物抗病虫害有显著效果, 能减少农
药的使用。
3.2.5 使用富氢水的优缺点
在未来农业生产活动中, 氢气可能作为绿色
农药使用而提高植物抵抗各种胁迫的能力, 调节
植物的生长和发育, 在提高粮食产量与品质、减
少农药与化肥污染等方面具有重要意义。使用富
氢水可能是一种简便易行、绿色环保且经济的手
段。使用富氢水来增强植物的综合抵抗能力, 不
涉及外源抗性基因的导入, 相比转基因技术来说
更容易也更安全。但氢气是易挥发、可燃气体,
在农田中大量使用氢气十分危险, 如何安全的在
实际生产生使用氢气, 还需考虑施加氢气的方法
和配套设施。其次是怎样高效使用氢气, 研究已
发现植物的生长发育受富氢水浓度的影响, 不同
植物所需的最适浓度也有差别, 所以需依据植物
种类、生长时期和生产目的来选择最适的富氢水
浓度, 达到最优的使用效果。
4 展望
氢气作为一种气体分子参与植物胁迫应答过
程中, 并起着重要的作用。通过以上综述可知, 氢
气主要通过调节活性氧(ROS)的含量来参与植物
抵御胁迫过程, 但是不同的胁迫环境, 调节机理不
同。在植物抗干旱过程中, 氢气通过提高植物体
内ROS的含量来调节气孔的闭合; 而在植物抗盐
渍、重金属和农药损伤过程中, 氢气通过降低ROS
的含量来减少这些胁迫造成的氧化损伤。但是,
在植物抗干旱、盐渍、重金属和农药损伤过程中,
氢气怎样调节ROS的含量？是直接调节还是间接
调节？这些将是未来研究氢气如何参与植物胁迫
应答中的重点。氢气研究的问题和未来的研究方
向应该关注以下几方面: (1)目前研究的一些植物
氢化酶基因是藻类和细菌氢化酶基因的同源基因,
其生物学功能并没有得到实验证实。因此, 需要
探寻植物中产生氢气的酶或非酶类物质, 并验证
其生物学功能。(2)在抗干旱方面, 氢气诱导气孔
闭合可能通过ABA信号, 但内源氢气产量如何受
到ABA调控的机理还未知; ROS的产生是氢气介
导气孔闭合的关键因子, 但NADPH氧化酶如何响
应氢气信号来调节ROS的机理还不清楚。(3)在抗
盐渍方面, 氢气可调控抗氧化基因的表达来抵御
高盐带来的氧化损伤, 但是目前不清楚氢气是通
过哪些基因或蛋白调节这些基因的表达。氢气还
可促进Na+的向外运输来抵抗盐渍, 然而氢气调控
Na+转运蛋白实现Na+外排的过程目前仍不清楚。
(4)在抵御重金属方面, 氢气能减少重金属对植物
引起的氧化损伤, 缓解对植物生长的抑制, 在此过
程中, 可能还有他物质作为氢气信号的下游物质
或协调因子参与其中, 如激素、NO或硫化氢等。
(5)氢气能调节植物抗病虫害相关基因的表达。然
而, 植物抗病虫害的激素信号途径错综复杂, 需要
研究氢气具体参与的信号通路, 探讨氢气的受体
蛋白与靶基因, 揭示氢气与SA、JA、ET信号通路
的相互影响, 明白氢气在抗病虫害中的效应和作
用机理。
刘方等: 氢气在植物抗胁迫中的作用 149
氢气作为一种小分子气体, 参与植物体内的
新陈代谢。通过加强氢气参与植物胁迫应答机理
的研究, 将不仅有利于理解植物抵御胁迫的分子
机理与生理变化, 还将有助于氢气在生物学上的
广泛应用, 在未来农业生产上, 减少化学农药的使
用、增强植物耐受度, 从而为保护环境和促进农
业的可持续发展做出贡献。
参考文献
陈丽萍, 何道一(2010). 植物抗旱耐盐基因的研究进展. 基因组学与
应用生物学, 29 (3): 542~549
陈兴都(2007). 大豆根际氢氧化细菌的分离及特性研究[硕士论文].
西安: 西北大学
范晓蕾, 郭荣波, 王广策, 许晓晖, 时艳侠(2009). 绿藻氢化酶及其产
氢代谢的分子生物学研究进展. 海洋科学, 13 (1): 77~83
冯盈(2013). hemH-lba基因表达调控对莱茵衣藻cc124生长和产氢
的影响[硕士论文]. 上海: 上海师范大学
顾文婷, 董喜存, 李文建, 刘瑞媛, 金文杰(2014). 盐渍化土壤改良的
研究进展. 安徽农业科学, 42 (6): 1620~1623
蒋廷惠, 占新华, 徐阳春, 周立祥, 宗良纲(2005). 钙对植物抗逆能力
的影响及其生态学意义. 应用生态学报, 16 (5): 971~ 976
匡逢春, 萧浪涛, 夏石头(2003). 脱落酸对植物气孔运动的调控作
用. 植物生理学通讯, 39 (3): 262~266
刘慧芬, 王卫卫, 曹桂林, 唐明(2010). 氢气对刺槐根际土壤微生
物种群和土壤酶活性的影响. 应用与环境生物学报, 16 (4):
515~518
刘欣, 李云(2006). 转录因子与植物抗逆性研究进展. 中国农学通
报, 22 (4): 61~65
刘勇波, 李俊生, 赵彩云, 肖能文, 关潇(2012). 转基因水稻基因流的
发生与生态学后果. 应用生态学报, 23 (6): 1713~1720
罗春玲, 沈振国(2003). 植物对重金属的吸收和分布. 植物学通报,
20 (1): 59~66
潘瑞炽, 王小菁, 李娘辉(2004). 植物生理学. 北京: 高等教育出版社
唐益苗, 赵昌平, 高世庆, 田立平, 单福华, 吴敬新(2009). 植物抗旱
相关基因研究进展. 麦类作物学报, 29 (1): 166~173
王楠(2012). 盐胁迫下氢氧化细菌WS6对小麦和油菜萌发及促生机
制研究[硕士论文]. 西安: 西北大学
魏伟, 马克平(2002). 如何面对基因流和基因污染. 中国农业科技导
报, 4 (4): 10~15
翁海波, 翁海滨, 袁明雪, 许卫华(2007). 绿藻[FeFe]氢化酶. 生物技
术, 17 (6): 89~91
吴双秀, 王全喜(2006). 衣藻生物制氢的研究进展. 中国生物工程杂
志, 26 (10): 88~92
杨居荣, 贺建新, 蒋婉如(1995). Cd污染对植物生理生化的影响. 农
业环境保护, 14 (5): 193~197
杨洪强, 贾文锁, 张大鹏(2001). 植物水分胁迫信号识别与转导. 生
物学通讯, 37 (2): 149~154
杨红玉, 王焕校(1985). 绿藻的镉结合蛋白及其耐镉性初探. 植物生
理学报, 11 (4): 357~365
张晓磊, 聂玉哲, 李玉花(2008). 盐胁迫下植物的细胞信号转导. 生
物技术通讯, 19 (3): 468~471
赵咏梅(2008). 植物细胞对干旱胁迫信号的感知与传导. 生物学教
学, 33 (3): 7~8
曾晓敏, 施新国, 徐勤松, 谷巍, 徐楠, 张小兰, 周红卫(2002). Hg2+、
Cu2+胁迫下茶菱保护酶系统的防御作用. 应用与环境生物学
报, 8 (3): 250~254
周宜君, 冯金朝, 马文文, 林冬霞, 钱芝惠, 吕惠娟(2006). 植物抗逆
分子机制研究进展. 中央民族大学学报(自然科学版), 15 (2):
169~175
Bartels D, Sunkar R (2005). Drought and salt tolerance in plants. Crit
Rev Plant Sci, 24 (1): 23~58
Beligni MV, Lamattina L (1999). Is nitric oxide toxic or protective?
Trends Plant Sci, 4: 299~300
Bestwick CS, Bennett MH, Mansfield JW (1995). Hrp mutant of
Pseudomonas syringae pv. phaseolicola induces cell wall alter-
ations but not membrane damage leading to the hypersensitive
reaction in lettuce. Plant Physiol, 108: 503~516
Boichenko EA (1947). Hydrogenase from isolated chloroplasts. Bio-
khimiya, 12: 153~162
Bray, EA, Bailey-Serres J, Weretilnyk E (2000). Responses to abiotic
stresses. In: Gruissem W, Buchnnan B, Jones R (eds). Biochem-
istry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant
Physiologists, Rockville, MD, 1158~1249
Bright J, Desikan R, Hancock JT, Weir IS, Neill SJ (2006). ABA-in-
duced NO generation and stomatal closure in Arabidopsis are
dependent on H2O2 synthesis. Plant J, 45: 113~122
Brown I, Trethowan J, Kerry M, Mansfield J, Bolwell GP (1998).
Localization of components of the oxidative cross-linking of
glycoproteins and of callose synthesis in papillae formed during
the interaction between non-pathogenic strains of Xanthomo-
nas campestris and French bean mesophyll cells. Plant J, 15:
333~343
Casterline JL, Barnett NM (1982). Cadmium-binding components in
soybean plant. Plant Physiol, 69: 1004~1007
Chen M, Cui W, Zhu K, Xie Y, Zhang C, Shen W (2014). Hydro-
gen-rich water alleviates aluminum-induced inhibition of root
elongation in alfalfa via decreasing nitric oxide production. J
Hazard Mater, 267: 40~47
Chen XL, Zhang Q, Zhao R, Medford RM (2004). Superoxide, H2O2,
and iron are required for TNF-alpha-induced MCP-1 gene ex-
pression in endothelial cells: role of Rac1 and NADPH oxidase.
Am J Physiol Heart Circ Physiol, 286: 1001~1007
Cho UH, Park JO (2000). Mercury-induced oxidative stress in tomato
seedlings. Plant Sci, 156: 1~9
Choi J, Lee J, Kim K, Cho M, Ryu H, An G, Hwang I (2012). Func-
植物生理学报150
tional identification of OsHk6 as a homotypic cytokinin receptor
in rice with preferential affinity for iP. Plant Cell Physiol, 53:
1334~1343
Creelman RA, Mullet JE (1997). Oligosaccharins, brassinolides, and
jasmonates: nontraditional regulators of plant growth, develop-
ment, and gene expression. Plant Cell, 9: 1211~1223
Cui W, Fang P, Zhu K, Mao Y, Gao C, Xie Y, Wang J, Shen W (2014).
Hydrogen-rich water confers plant tolerance to mercury toxicity
in alfalfa seedlings. Ecotox Environ Safe, 105: 103~111
Cui W, Gao C, Fang P, Lin G, Shen W (2013). Alleviation of cadmium
toxicity in Medicago sativa by hydrogen-rich water. J Hazard
Mater, 260: 715~724
Das D, Khanna N, Veziroglu TN (2008). Recent developments in bio-
logical hydrogen production processes. Chem Ind Chem Eng Q,
14 (2): 57~67
Davletova S, Rizhsky L, Liang H, Shengqiang Z, Oliver DJ, Coutu
J, Shulaev V, Schlauch K, Mittler R (2005). Cytosolic ascorbate
peroxidase 1 is a central component of the reactive oxygen gene
network of Arabidopsis. Plant Cell, 17: 268~281
Delhaize E, Ryan PR (1995). Aluminum toxicity and tolerance in
plants. Plant Physiol, 107: 315~321
Dharmasiri N, Dharmasiri S, Estelle M (2005). The F-box protein
TIR1 is an auxin receptor. Nature, 435: 441~445
Dodds PN, Rathjen JP (2010). Plant immunity: towards an integrat-
ed view of plant-pathogen interactions. Nat Rev Genet, 11 (8):
539~548
Dong ZM, Wu L, Kettlewell B, Caldwell CD, Layzell DB (2003).
Hydrogen fertilization of soils – is this a benefit of legumes in
rotation? Plant Cell Environ, 26: 1875~1879
Dutta D, De D, Chaudhuri S, Bhattacharya SK (2005). Hydrogen pro-
duction by Cyanobacteria. Microb Cell Fact, 4: 36
Ernst WHO, Nelissen HJM, Bookum WMT (2000). Combination tox-
icology of metal-enriched soils: physiological responses of a Zn-
and Cd-resistant ecotype of Silene vulgaris on polymetallic soils.
Environ Exp Bot, 43: 55~71
Eroglu E, Melis A (2011). Photobiological hydrogen production:
recent advances and state of the art. Bioresource Technol, 102:
8403~8413
Felton GW, Korth KL (2000). Trade-offs between pathogen and herbi-
vore resistance. Curr Opin Plant Biol, 3 (4): 309~314
Forestier M, King P, Zhang L, Posewitz M, Schwarzer S, Happe T,
Ghirardi ML, Seibert M (2003). Expression of two [Fe]-hydro-
genases in Chlamydomonas reinhardtii under anaerobic condi-
tions. Eur J Biochem, 270: 2750~2758
Fu ZQ, Yan S, Saleh A, Wang W, Ruble J, Oka N, Mohan R, Spoel
SH, Tada Y, Zheng N, Dong XN (2012). NPR3 and NPR4 are
receptors for the immune signal salicylic acid in plants. Nature,
486: 228~232
Gaffron H (1939). Reduction of carbon dioxide with molecular hydro-
gen in green algae. Nature, 143: 204~205
Gaffron H, Rubin J (1942). Fermentative and photochemical produc-
tion of hydrogen in algae. J Gen Physiol, 26: 219~240
Gao S, Ou-yang C, Tang L, Zhu JQ, Xu Y, Wang SH, Chen F (2010).
Growth and antioxidant responses in Jatropha curcas seedling
exposed to mercury toxicity. J Hazard Mater, 18: 2591~2597
Gest H, Kamen MD (1949). Photochemical production of molecular
hydrogen by growing cultures of photosynthetic bacteria. Studies
on the metabolism of photosynthetic bacteria IV. J Bacteriol, 58:
239~245
Hao LH, Wang WX, Chen C, Wang YF, Liu T, Li X, Shang ZL (2012).
Extracellular ATP promotes stomatal opening of Arabidopsis
thaliana through heterotrimeric G protein α subunit and reactive
oxygen species. Mol Plant, 5: 852~864
Hatchikian EC, Forget N, Fernandez VM, Williams R, Cammack R
(1992). Further characterization of the [Fe]-hydrogenase from
Desulfovibrio desulfuricans ATCC 7757. Eur J Biochem, 203:
357~366
He H, Zhan J, He L, Gu M (2012). Nitric oxide signaling in aluminum
stress in plants. Protoplasma, 249: 483~492
Hong Y, Chen S, Zhang JM (2010). Hydrogen as a selective antiox-
idant: a review of clinical and experimental studies. J Int Med
Res, 38 (6): 1893~1903
Hu HL, Li PX, Wang YN, Gu RX (2014). Hydrogen-rich water delays
postharvest ripening and senescence of kiwifruit. Food Chem,
156: 100~109
Huang CS, Kawamura T, Toyoda Y, Nakao A (2010). Recent advances
in hydrogen research as a therapeutic medical gas. Free Radic
Res, 44: 971~982
Irvine P, Smith M, Dong ZM (2004). Hydrogen fertilizer: bacteria or
fungi? Acta Hort, 631: 239~242
James C (2013). Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops:
2013. ISAAA Brief, Ithaca, NY
Jin Q, Zhu K, Cui W, Xie Y, Han B, Shen W (2013). Hydrogen gas
acts as a novel bioactive molecule in enhancing plant tolerance
to paraquat-induced oxidative stress via the modulation of heme
oxygenase-1 signalling system. Plant Cell Environ, 36: 956~969
Kajiyama S, Hasegawa G, Asano M, Hosoda H, Fukui M, Nakamura
N, Kitawaki J, Imai S, Nakano K, Ohta M et al (2008). Supple-
mentation of hydrogen-rich water improves lipid and glucose
metabolism in patients with type 2 diabetes or impaired glucose
tolerance. Nutr Res, 28: 137~143
Kim DH, Kim MS (2011). Hydrogenases for biological hydrogen pro-
duction. Bioresource Technol, 102 (18): 8423~8431
Kim H, Hwang H, Hong JW, Lee YN, Ahn IP, Yoon IS, Yoo SD, Lee S,
Lee SC, Kim BG (2012). A rice orthologue of the ABA receptor,
OsPYL/RCAR5, is a positive regulator of the ABA signal trans-
刘方等: 氢气在植物抗胁迫中的作用 151
duction pathway in seed germination and early seedling growth.
J Exp Bot, 63: 1013~1024
Kochian LV (1995). Cellular mechanisms of aluminum toxicity and
resistance in plants. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 46:
237~260
Kunkel BN, Brooks DM (2002). Cross talk between signaling path-
ways in pathogen defense. Curr Opin Plant Biol, 5: 325~331
Leckie CP, Mcainsh MR, Allen GJ, Sanders D, Hetherington AM
(1998). Abscisic acid-induced stomatal closure mediated
by cyclic ADP-ribose. Proc Natl Acad Sci USA, 95 (26):
15837~15842
Lecourieux D, Ranjeva R, Pugin A (2006). Calcium in plant de-
fence-signaling pathways. New Phytol, 171: 249~269
Li L, Li C, Howe GA (2001). Genetic analysis of wound signaling in
tomato. Evidence for a dual role of jasmonic acid in defense and
female fertility. Plant Physiol, 127: 1414~1417
Lu Y, Wu K, Jiang Y, Guo Y, Desneux N (2012). Widespread adoption
of Bt cotton and insecticide decrease promotes biocontrol ser-
vices. Nature, 487: 362~365
Maione TE, Gibbs M (1986). Hydrogenase-mediated activities in iso-
lated chloroplasts of Chlamydomonas reinhardii. Plant Physiol,
80: 360~363
Mao YF, Zheng XF, Cai JM, You XM, Deng XM, Zhang JH, Jiang
L, Sun XJ (2009). Hydrogen-rich saline reduces lung injury in-
duced by intestinal ischemia/reperfusion in rats. Biochem Bioph
Res Commun, 381: 602~605
Melis A, Melnicki MR (2006). Integrated biological hydrogen produc-
tion. Int J Hydrogen Energ, 31: 1563~1573
Meyer J, Kelley BC, Vignais PM (1978). Effect of light on nitroge-
nase function and synthesis in Rhodopseudomonas capsulata. J
Bacteriol, 136 (1): 201~208
Mishina TE, Zeier J (2007). Pathogen-associated molecular pattern
recognition rather than development of tissue necrosis contrib-
utes to bacterial induction of systemic acquired resistance in
Arabidopsis. Plant J, 50: 500~513
Munns R, Tester M (2008). Mechanisms of salinity tolerance. Annu
Rev Plant Biol, 59: 651~681
Nishizono H (1987). The role of the root cell wall in the heavy metal
tolerance of Athyrium yokoscense. Plant Soil, 101: 15~20
Ohsawa I, Ishikawa M, Takahashi K, Watanabe M, Nishimaki K,
Yamagata K, Katsura K, Katayama Y, Asoh S, Ohta S (2007).
Hydrogen acts as a therapeutic antioxidant by selectively reduc-
ing cytotoxic oxygen radicals. Nat Med, 13: 688~694
Parry G, Calderon-Villalobos LI, Prigge M, Peret B, Dharmasiri S,
Itoh H, Lechner E, Gray WM, Bennett M, Estelle M (2009).
Complex regulation of the TIR1/AFB family of auxin receptors.
Proc Natl Acad Sci USA, 106: 22540~22545
Renwick GM, Giumarro C, Siegel SM (1964). Hydrogen metabolism
in higher plants. Plant Physiol, 39 (3): 303~306
Reymond P, Farmer EE (1998). Jasmonate and salicylate as global
signals for defense gene expression. Curr Opin Plant Biol, 1:
404~411
Rock CD, Ng PPF (1999). Dominant Wilty mutants of Zea mays (po-
aceae) are not impaired in abscisic acid percept ion or metabo-
lism. Am J Bot, 86: 1796~1800
Ryals JA, Neuenschwander UH, Willits MG, Molina A, Steiner H,
Hunt MD (1996). Systemic acquired resistance. Plant Cell, 8:
1809~1819
Sakurai H, Masukawa H (2008). Promoting R & D in photobiological
hydrogen production utilizing mariculture-raised cyanobacteria.
Mar Biotechnol, 9: 128~145
Schmelz EA, LeClere S, Carroll MJ, Alborn HT, Teal PE (2007).
Cowpea chloroplastic ATP synthase is the source of multiple
plant defense elicitors during insect herbivory. Plant Physiol,
144: 793~805
Sharma SS, Dietz KJ (2009). The relationship between metal toxicity
and cellular redox imbalance. Trends Plant Sci, 14 (1): 43~50
Shi H, Ishitani M, Kim C, Zhu JK (2000). The Arabidopsis thaliana
salt tolerance gene SOS1 encodes a putative Na+/H+ antiporter.
Proc Natl Acad Sci USA, 97: 6896~6901
Shima S, Pilak O, Vogt S, Schick M, Stagni MS, Meyer-Klaucke W,
Warkentin E, Thauer RK, Ermler U (2008). The crystal structure
of [Fe]-hydrogenase reveals the geometry of the active site. Sci-
ence, 321: 572~575
Shimada A, Ueguchi-Tanaka M, Nakatsu T, Nakajima M, Naoe Y,
Ohmiya H, Kato H, Matsuoka M (2008). Structural basis for gib-
berellin recognition by its receptor GID1. Nature, 456: 520~523
Skibbe M, Qu N, Galis I, Baldwin IT (2008). Induced plant defenses
in the natural environment: Nicotiana attenuata WRKY3 and
WRKY6 coordinate responses to herbivory. Plant Cell, 20:
1984~2000
Su N, Wu Q, Liu Y, Cai J, Shen W, Xia K, Cui J (2014). Hydro-
gen-rich water reestablishes ROS homeostasis but exerts differ-
ential effects on anthocyanin synthesis in two varieties of radish
sprouts under UV-A irradiation. J Agric Food Chem, 62 (27):
6454~6462
Sun Q, Kang Z, Cai J, Liu W, Liu Y, Zhang JH, Denoble PJ, Tao
H, Sun X (2009). Hydrogen-rich saline protects myocardium
against ischemia/reperfusion injury in rats. Exp Biol Med (May-
wood), 234: 1212~1219
Tamagnini P, Axelsson R, Lindberg P, Oxelfelt F, Wünschiers R,
Lindblad P (2002). Hydrogenases and hydrogen metabolism of
cyanobacteria. Microbiol Mol Biol Rev, 66 (1): 1~20
Tsuda K, Sato M, Glazebrook J, Cohen JD, Katagiri F (2008). Inter-
play between MAMP triggered and SA-mediated defense re-
sponses. Plant J, 53 (5): 763~775
植物生理学报152
Wang J, Feng X, Anderson CWN, Xing Y, Shang L (2012). Remedi-
ation of mercury contaminated sites. J Hazard Mater, 221~222:
1~18
Wu J, Baldwin IT (2010). New insights into plant responses to the
attack from insect herbivores. Annu Rev Genet, 44: 1~24
Wu J, Hettenhausen C, Meldau S, Baldwin IT (2007). Herbivory rap-
idly activates MAPK signaling in attacked and unattacked leaf
regions but not between leaves of Nicotiana attenuata. Plant
Cell, 19: 1096~1122
Xie K, Yu Y, Pei Y, Hou L, Chen S, Xiong L, Wang G (2010). Protec-
tive effects of hydrogen gas on murine polymicrobial sepsis via
reducing oxidative stress and HMGB1 release. Shock, 34: 90~97
Xie YJ, Mao Y, Lai DW, Zhang W, Shen WB (2012). H2 enhances
arabidopsis salt tolerance by manipulating ZAT10/12-mediated
antioxidant defence and controlling sodium exclusion. PLoS
ONE, 7 (11): e49800
Xie YJ, Mao Y, Zhang W, Lai DW, Wang QY, Shen WB (2014).
Reactive oxygen species-dependent nitric oxide production con-
tributes to hydrogen-promoted stomatal closure in Arabidopsis.
Plant Physiol, 165 (2): 759~773
Xu S, Zhu SS, Jiang YL, Wang N, Wang R, Shen WB, Yang J (2013).
Hydrogen-rich water alleviates salt stress in rice during seed ger-
mination. Plant Soil, 370 (1-2): 47~57
Yan J, Tsuichihara N, Etoh T, Iwai S (2007). Reactive oxygen spe-
cies and nitric oxide are involved in ABA inhibition of stomatal
opening. Plant Cell Environ, 30: 1320~1325
Yau CP, Wang L, Yu M, Zee SY, Yip WK (2004). Differential expres-
sion of three genes encoding an ethylene receptor in rice during
development, and in response to indole-3-acetic acid and silver
ions. J Exp Bot, 55: 547~556
Zeng JQ, Zhang MY, Sun XJ (2013). Molecular hydrogen is involved
in phytohormone signaling and stress responses in plants. PLoS
ONE, 8 (8): e71038
Zhu JK (2001). Plant salt tolerance. Trends Plant Sci, 6: 66~71