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氢气和一氧化氮,明星分子惺惺相惜!

氢思语 2018-01-15 09:19:02 阅读:

氢气生物医学中非常重要的研究方向是弄清除氢气作用的分子基础,或者简单说从分子水平上解释清除为什么氢气会产生作用。弄清除氢气作用基础,对理解氢气的作用原因十分重要,对推广和介绍氢气作用的道理,对扩大和推进氢气的临床应用都是非常必要的工作。

但是作为一种结构简单的气体分子,弄清氢气的分子作用也存在非常尴尬的困难。因为这种气体没有空间结构,难以采用平常研究复杂分子的标记方法。又因为氢原子是所有有机物的基本组成元素,在进行追踪研究中也容易受到背景的干扰。另外动物细胞本身不能产生氢气,目前也不掌握哪些蛋白参与氢气在细胞内的代谢过程,这导致难以采用针对性基因调控技术开展研究。

比较起来,植物生物学效应有自身的优势,尤其是研究发现植物细胞自身具有合成氢气的能力,从植物合成氢气的途径研究氢气效应是动物细胞不具有的优势。因此,在氢气分子基础研究方面,植物效应研究或许能率先取得突破。我国氢气植物学研究几乎独占和绝对领先于国际,也是氢气生物学研究的特色之一,是我国氢气生物医学研究的幸运和机遇。最近,从事气体植物学效应研究最活跃的团队,南京农业大学沈文飚教授课题组,在著名植物学杂志Environmental andExperimental Botany(环境和实验植物学)发表最新研究论文,证明一氧化氮是氢气发挥植物调节效应的内源性分子。

一氧化氮是生物学超级明星分子,最具有代表性的是关于该气体研究的三名生理学家1998年获得诺贝尔医学生理学奖。一氧化氮不仅是重要的植物信号分子,在植物生理调节中也发挥重要作用。例如各种植物抗逆效应中,一氧化氮就是重要信号调节分子。氢气也具有提高植物抗逆效应。如氢气和一氧化氮都具有提高植物耐受高渗透压力的作用,但相应因果关系尚不清楚。本研究结果表明,氢气的效应可能是通过著名的一氧化氮实现的。难道是明星分子之间的惺惺相惜?

氢气和一氧化氮,明星分子惺惺相惜!

聚乙二醇对种子萌发有促进作用,本研究发现富氢水具有促进聚乙二醇诱导苜蓿幼苗根的一氧化氮的产生,幼苗生长抑制的也显著改善,富氮水没有这种效应提示是氢气的特异性作用,而并非由于氧气不足导致的结果。硝酸还原酶是植物组织内一氧化氮的合成酶,钨酸具有抑制该酶活性的作用,本研究结果发现,钨酸能阻止氢气造成的上述表型,说明氢气的效应需要依赖于硝酸还原酶合成一氧化氮的作用。脯氨酸积累是许多生物,包括高等植物,在环境胁迫下的一种非常显著的代谢适应机制,被认为对逆境中的植物起保护作用。△1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)是脯氨酸合成酶,脯氨酸脱氢酶是线粒体内负责调节脯氨酸的分解代谢。氢气和一氧化氮都可以促进P5CS的活性,也可以抑制脯氨酸脱氢酶活性。组织化学染色和活性氧产量测定证明氢气和一氧化氮都具有提高植物抗氧化能力和减少氧化损伤的作用,能促进重新建立氧化还原平衡。使用一氧化氮清除剂,能逆转氢气在脯氨酸合成、氧化还原平衡和渗透压导致损伤等方面的保护效应。氢气诱导的S亚硝基化也因一氧化氮的清除而被取消。上述研究结果表明,内源性一氧化氮诱导脯氨酸,促进氧化还原平衡,是氢气诱导植物对渗透压抗逆效应的分子基础。

氢气和一氧化氮,明星分子惺惺相惜!

本图是模型制备过程,加入PEG可导致植物生长受抑制。

氢气和一氧化氮,明星分子惺惺相惜!

这是本研究论文的模式图

Su, Jiuchang, Zhang, Yihua, Nie, Yang, Cheng, Dan,

Wang, Ren, Hu, Huali, Chen, Jun, Zhang, Jiaofei, Du, Yuanwei, Shen, Wenbiao, Hydrogen-induced osmotic tolerance is associated with nitric oxide-mediated proline accumulation and reestablishment of redox balance in alfalfa seedlings.Environmental and Experimental Botany https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2017.12.022

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