南京农业大学谢彦杰等的研究论文“H2 Enhances Arabidopsis Salt Tolerance by Manipulating ZAT10/12- Mediated Antioxidant Defence and Controlling Sodium Exclusion”最近被Plos One接受，并将在线发表。

上月该小组已经发表一篇论文，发表在著名植物杂志Plant Cell Environ，这是中国学者在氢的植物效应研究中连续发表的第2篇研究论文。中国学者氢的生物学效应研究方面在规模上早已领先，但在研究档次上一直和国际上存在差距。尽管本人不熟悉植物方面的研究，但从氢气生物学效应研究的整体上看，在氢的植物效应研究方面，他们的研究已经超过国际上许多动物研究的水平，应属于国际领先，填补国际氢生物学效应研究的空白。这里一方面表示祝贺，另一方面也给这一领域的同行介绍，以鼓励氢生物学研究同行的士气，争取在各个领域再创辉煌。

土壤盐度是影响植物生存最显著的非生物应激因素，可对植物的生理和代谢可产生全面的影响。盐进入细胞不仅可导致细胞内高渗透压，破坏离子内环境稳态，也可以引起氧化应激损伤。植物细胞通过各种转录调节系统，维持有效的抗氧化系统，可帮助植物对抗高盐诱导的自由基过度产生带来的伤害。

拟南芥是一种应用广泛的模式植物，锌指蛋白转录因子ZAT10/12在各类非生物应激因素耐受（植物可能说抗性）中发挥关键作用，ZAT10/12可以调节各类特殊的抗氧化基因表达，如细胞维生素C过氧化酶1(cAPX1)和铁超氧化物歧化酶(FSD1)（我们更熟悉的名字是SOD）。最近研究发现血红素加氧酶heme oxygenase（HO-1）也具有重要抗氧化作用（动物中早已确认氢可以通过上调该蛋白的效应），基因缺陷或过表达HO-1可分别表现出盐敏感和抗性特征。

许多研究发现，钠离子外排和离子区隔化对维持适当的钠钾离子平衡提高植物细胞在高盐应激适应过程中十分关键。拟南芥通过钠离子排入质外体和空泡隔离两类方式实现这一目的。盐超敏感蛋白1（SOS1）基因编码细胞膜上钠氢离子逆向扩散蛋白，利用氢离子泵提供的细胞膜离子梯度驱动钠离子外排。SOS1基因缺陷由于导致钠外排障碍可使植物发生盐敏感表型。另外，钠也可以被囚禁在空泡内。这是采用另外一类钠氢离子逆向扩散蛋白(NHX)属于钠氢交换蛋白家族，该转运体利用氢转位焦磷酸酶(AVP)建立的空泡膜质子梯度驱动空泡内钠离子摄取。NHX1或AVP1高表达可提高空泡内钠离子聚集，提高拟南芥高盐抗性。

氢气是自然界中结构最简单的气体分子，在室温条件下比较惰性。最近氢气被发现具有生物抗氧化效应，并具有调节细胞内信号的作用，氢可以非常迅速地扩散到组织和细胞内，对许多动物器官具有保护效应。细菌和藻类的氢化酶是产生和代谢氢气的重要系统，早期研究发现，许多高等植物籽苗、离体胚芽、根和子叶可以产生氢气。目前对高等植物产生氢的分子机制或酶，氢在植物的生物学效应和信号传导途径，以及氢对提高植物耐受各类环境不良因素的具体机制均不清楚。

目前的研究利用拟南芥这种应用广泛的模式植物，试图研究氢在植物高盐抗性中的作用机制。以下为论文摘要。

由于氢气作为能源的重要价值，氢在细菌和藻类的代谢已经有比较系统的研究。最近氢被发现是一种抗氧化治疗作用的物质，而且可以激活许多细胞内信号通路，具有潜在的临床应用价值。但在植物系统中，氢的生物学效应，特别是其信号传导作用，目前仍没有被研究。在这一研究中，作者采用组织化学、免疫学和基因手段，确定氢具有提高植物拟南芥耐盐能力。当植物暴露在150 mM NaCl环境下6小时，植物可以释放内源性氢气（释放的原理仍不清楚）。将拟南芥进行50%饱和氢气（溶液中溶解一个大气压氢后稀释到2倍）中预先处理，模拟NaCl环境释放氢的效应，结果发现，氢预先处理可以反转高盐引起的生长抑制效应。进一步研究发现，氢预先处理可以正向调节锌指蛋白转录因子ZAT10/12（这是一种具有非常广泛生物学效应的蛋白，提示氢的作用范围极大）及其目标抗氧化酶的基因和蛋白表达，从而使植物具有对抗高盐引起的活性氧过度产生和脂质过氧化程度。此外，氢也能通过调节膜钠/氢离子逆向转运蛋白（antiporters，该泵功能需要氢离子泵提供氢离子剃度为动力）和氢离子泵维持离子稳态（氢离子泵和钠离子泵受到氢的调节是国际上首先发现的，这提示在动物系统中也应该存在类似效应，说明氢可能具有调节细胞膜兴奋性的可能，联系到有人观察到氢的镇痛效应，可以从离子通道角度进行研究，另外对心脏和脑功能的影响也值得联系和推测），盐超敏感基因SOS1（钠/氢离子逆向转运蛋白的基因）和细胞抗坏血酸过氧化物酶（cAPX1）的基因表达也受到氢的正向调节。这些研究结果提示，氢可以通过促进锌指蛋白转录因子的表达和功能，增加抗氧化酶和抗性蛋白的表达，发挥促进植物对抗高盐压力的效应。也就是说，氢不仅可以对动物具有对抗伤害因子的作用，对植物也是一样。也许氢将给农业生产提供一种切实可行的新方法，这无疑具有重大意义。

感谢该论文第一作者小谢老师的同意并提供以下更为专业的介绍。

盐胁迫是制约土地生产力的重要限制因子。我们在这篇文章中结合分子生物学、组织化学、免疫学和反向遗传学的手段，发现并初步解析了氢参与提高拟南芥耐盐性的分子机理。

研究首先发现，盐胁迫下拟南芥存在放氢的现象。150mM NaCl胁迫6小时后拟南芥内源氢含量显著上升。继而用外源添加不同饱和度的富氢水来来模拟内源放氢发现，50%饱和度的富氢水的缓解效果最为明显。

其次发现，氢预处理调动了锌指蛋白转录因子ZAT10/12的表达及其控制的相关抗氧化防护系统，包括抗坏血酸过氧化物酶cAPX1和铁超氧化物歧化酶FSD1等。通过抗氧化防护系统的激活，氢预处理降低了NaCl胁迫诱导的脂质过氧化和ROS含量的提高。遗传学的证据也表明，氢预处理不能提高cAPX1突变体的耐盐性提高，进一步说明H2提高拟南芥的耐盐性与调控cAPX1介导的抗氧化防护系统的有关。

维持离子稳态也是提高植物耐盐性的另一个重要方面。接着我们发现，氢预处理降低了盐胁迫下拟南芥的的钠离子含量，但不影响钾离子含量，从而降低了钠钾比。我们推测，钠离子的降低是质膜ATPase和Na/H反转运蛋白SOS1激活导致的。氢预处理通过提高质膜ATPase和SOS1的转录本最终使得更多的Na被泵到胞外。遗传学的证据也表明，氢预处理不能挽救sos1突变体的盐超敏表型，进一步暗示了H2提高拟南芥的耐盐性与调控SOS1介导的质膜Na外排的有关。

H2 Enhances Arabidopsis Salt Tolerance by Manipulating.pdf

Abstract

Background: The metabolism of hydrogen gas (H2) in bacteria and algae has been extensively studied for the interesting of developing H2-based fuel. Recently, H2 is recognized as a therapeutic antioxidant and activates several signalling pathways in clinical trials. However, underlying physiological roles and mechanisms of H2 in plants as well as its signalling cascade remain unknown.

Methodology/Principal Findings: In this report, histochemical, molecular, immunological and genetic approaches were applied to characterize the participation of H2 in enhancing Arabidopsis salt tolerance. An increase of endogenous H2 release was observed 6 hr after exposure to 150 mM NaCl. Arabidopsis pretreated with 50% H2-saturated liquid medium, mimicking the induction of endogenous H2 release when subsequently exposed to NaCl, effectively decreased salinity induced growth inhibition. Further results showed that H2 pretreatment modulated genes/proteins of zinc-finger transcription factor ZAT10/12 and related antioxidant defence enzymes, thus significantly counteracting the NaCl-induced reactive oxygen species (ROS) overproduction and lipid peroxidation. Additionally, H2 pretreatment maintained ion homeostasis by regulating the antiporters and H+ pump responsible for Na+ exclusion (in particular) and compartmentation. Genetic evidence suggested that SOS1 and cAPX1 might be the target genes of H2 signalling.Conclusions: Overall, our findings indicate that H2 acts as a novel and cytoprotective regulator in coupling ZAT10/12-mediated antioxidant defence and maintenance of ion homeostasis in the improvement of Arabidopsis salt tolerance.