Сероводород и адаптация растений к действию абиотических стрессоров

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Харьковский национальный аграрный университет им. В.В. Докучаева, г. Харьков, Украина

Сероводород и адаптация растений к действию абиотических стрессоров

Ю.Е. Колупаев, Т.О. Ястреб

Аннотация

сероводород защитный растение стресс

Сероводород (ВЈ) является одним из ключевых газотрансмиттеров в растительных и животных клетках. Однако представления о его месте в сигнальных сетях растительных клеток, характере взаимодействия с другими посредниками и роли в формировании конкретных защитных реакций при действии стресс-факторов в настоящее время лишь формируются. В обзоре кратко описаны основные пути синтеза сероводорода, его функциональное взаимодействие с другими сигнальными посредниками (ионами кальция, активными формами кислорода, оксидом азота) и некоторыми фитогормонами. Приведены сведения о влиянии HЈ на процессы адаптации растений к действию экстремальных температур, обезвоживания, засоления, тяжелых металлов. Акцентируется внимание на его роли в регуляции состояния антиоксидантной системы, синтеза пролина и вторичных метаболитов с протекторными свойствами. Обсуждены сведения о механизмах влияния сероводорода на состояние устьиц. Рассмотрены возможности использования доноров сероводорода для индуцирования устойчивости растений к стрессорам, регуляции прорастания семян, предотвращения потерь урожая при хранении.

Ключевые слова: сероводород; активные формы кислорода; кальций; оксид азота; фитогормоны; антиоксидантная система; устойчивость.

Авторский коллектив: Колупаев Юрий Евгеньевич - д-р биол. наук, профессор, зав. кафедрой ботаники и физиологии растений, факультет защиты растений Харьковского национального аграрного университета им. В.В. Докучаева (Украина, 62483, г. Харьков, п/о Докучаевское-2).

Ястреб Татьяна Олеговна - канд. биол. наук, доцент кафедры ботаники и физиологии растений, факультет защиты растений Харьковского национального аграрного университета им. В.В. Докучаева (Украина, 62483, г. Харьков, п/о Докучаевское-2).

Summary

For citation: Kolupaev YuE, Yastreb TO. Hydrogen sulfide and plant adaptation to abiotic stressors. Vest- nik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya = Tomsk State University Journal of Biology. 2019;48:158-190/8 In Russian, English

Yuriy E. Kolupaev, Tetiana O. Yastreb

Author info:

Kolupaev Yuriy E, Dr. Sci. (Biol.), Professor, Department of Botany and Plant Physiology, Faculty of Plant Protection, Dokuchaev Kharkiv National Agrarian University, p/o Dokuchaevske-2, Kharkiv 62483, Ukraine.

Yastreb Tetiana O, Cand. Sci. (Biol.), Associate Professor, Department of Botany and Plant Physiology, Faculty of Plant Protection, Dokuchaev Kharkiv National Agrarian University, p/o Dokuchaevske-2, Kharkiv 62483, Ukraine.

Dokuchaev Kharkiv National Agrarian University, Kharkiv, Ukraine

Hydrogen sulfide and plant adaptation to abiotic stressors

Hydrogen sulfide (H2S) is one of the key gasotransmitters in plant and animal cells.

The term “hydrogen sulfide” means not only H2S as a dissolved gaseous compound, but also the HS- anion, into which, under physiologically normal conditions, about 80% of molecular hydrogen sulfide is converted. One of the most notable hydrogen sulfide physiological effects is the activation of adaptive plant responses. However, the activation mechanisms of plant stress-protective systems under the H2S influence, direct targets of its action, signaling and hormonal mediators providing physiological effects, remain poorly understood. Analysis and systematization of information on hydrogen sulfide synthesis, signaling, and activation of adaptive reactions with its participation became the aim of this review.

Hydrogen sulfide synthesis. To date, it has been found that in plants hydrogen sulfide can be synthesized using six enzymes (See Fig. 1). Conversion of L-cysteine to pyruvate catalyzed by L-cysteine desulfhydrase with release of hydrogen sulfide and ammonium is considered as one of the main ways of synthesizing H2S in plants. It is also possible to form hydrogen sulfide from D-cysteine under the action of D-cysteine desulfhydrase. Hydrogen sulfide can also be synthesized by sulfite reduction with the participation of sulfite reductase. Formation of hydrogen sulfide in plants involving P-cyanoalanine synthase, cysteine synthase and carbonic anhydrase is also expected.

Hydrogen sulfide signaling. Hydrogen sulfide does not have specific molecular receptors. It is assumed that primary molecular effects of H2S are associated with S-sulfhydration (persulfidation) - conversion of -SH cysteine residues to -SSH. The most common proteins whose state is regulated by sulfhydration are peroxyredoxins, which, in turn, are among the key participants in cellular redox regulation. Hydrogen sulfide is also involved in processes of redox regulation occuring with participation of reactive oxygen species (ROS) and nitric oxide (NO), and can affect cell calcium homeostasis (See Fig. 2). In this case, however, the sequence of arrangement of these intermediaries in formation of various adaptive reactions of plants in many cases remains unknown. There is evidence of an increase in the ROS content in plant cells under the influence of hydrogen sulfide, due, primarily, to the activation of NADPH oxidase. At the same time, synthesis of hydrogen sulfide can be induced by an action of hydrogen peroxide on plant objects. Hydrogen sulfide can directly and indirectly influence activity and expression of antioxidant enzyme genes, which also affects cell redox homeostasis.

It was shown that hydrogen sulfide and nitric oxide can act on the same protein targets, causing effects of persulfidation or nitrosylation. Moreover, NO and H2S also affect the intracellular content of each other. Hydrogen sulfide is in a rather complex functional interaction with calcium ions. Activation of hydrogen sulfide synthesis associated with increased expression of L-cysteine desulfhydrase gene can be induced with calcium and calmodulin. On the other hand, hydrogen sulfide can cause an opening of calcium channels of plant cells.

Hydrogen sulfide interacts with a complex network of hormonal signaling too (See Fig. 2). In particular, its synthesis can be induced by abscisic acid (ABA). On the other hand, H2S can mediate physiological effects of ABA. Hydrogen sulfide can activate synthesis of jasmonic acid in plants. Also, H2S is involved in plant adaptive reactions induction under influence of salicylic acid and polyamines. In general, hydrogen sulfide is involved in a complex regulatory network of signaling and hormonal mediators.

Participation in plant adaptation. In response to the impact of many stressors (high and low temperatures, dehydration, salinization), the content of endogenous hydrogen sulfide in plants increases. Moreover, mutants defective in the hydrogen sulfide synthesis were not resistant to action of these stress factors. Plant treatment with hydrogen sulfide donors (in particular, sodium hydrosulfide NaHS) increases resistance of plants to stress temperatures, drought, salt stress, action of heavy metals, UV-B and other factors (See Table). Hydrogen sulfide has a pronounced activating effect on expression of antioxidant enzyme genes, accumulation of polyfunctional low-molecular-weight protective compounds, in particular proline and sugars. Of particular importance for plant adaptation is the accumulation under the influence of hydrogen sulfide of a wide range of secondary metabolites, including phenolic compounds and flavonoids, which have a pronounced antioxidant effect. Hydrogen sulfide is also involved in regulation of plant stomatal reactions. Dependence of the stomata closing process under osmotic and salt stress on the activity of cysteine desulfhydrase and H2S synthesis was shown.

The effect of hydrogen sulfide on stomatal aperture, as well as other stomata closing inducers, is associated with a change in the ion channels state, in particular, potassium channels (K+out) of guard cells. ROS, calcium ions and, possibly, components of lipid signaling are involved in the implementation of these effects of hydrogen sulfide.

Hydrogen sulfide donors can be used not only to induce adaptive reactions of plants, but also in storage technology for agricultural products. The use of NaHS during storage of fruit and berries prevents their ripening and aging, contributes to the preservation of a pool of antioxidants, in particular, ascorbic acid, phenolic compounds and flavonoids. Also, hydrogen sulfide can be used to extend the life of cut flowers. A further study of stress-protective effects of hydrogen sulfide will allow, on the one hand, to more deeply understand the adaptation mechanisms, and, on the other hand, to create theoretical foundations for new approaches in agrobiotechnology.

The paper contains 2 Figures, 1 Table and 93 References.

Key words: hydrogen sulfide; reactive oxygen species; calcium; nitric oxide; phytohormones; antioxidant system; resistance.

Введение

Сероводород (Н^), наряду с монооксидом азота (N0) и монооксидом углерода (СО) относится к ключевым молекулам-газотрансмиттерам в клетках растений и животных [1--3]. Под термином «сероводород» подразумевают не только Н^ как растворенное газообразное соединение, но и анион Ш-, в который в физиологически нормальных условиях превращается около 80% молекулярного сероводорода [4].

До 90-х гг. прошлого столетия сероводород в физиологии и биохимии животных и растений рассматривался в основном как токсикант. На приСокращения: GYY4137 - morpholin-4-ium-4-methoxyphenyl [тогр^Нпо] phosphinodithioate; РТЮ - 2-phenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide; АБК - абсцизовая кислота; АФК - активные формы кислорода; ЖАК - жасмоновая кислота; НПН - нитропруссид натрия; СОД - супероксиддис- мутаза; ФЛ - фосфолипаза; ЭГТА - этиленгликоль-бис(2-аминоэтил-эфир)тетрауксусная кислота.

В мере многих видов растений было показано, что фумигация сероводородом вызывает повреждения листьев, дефолиацию и угнетение роста [5, 6]. С другой стороны, достаточно давно были обнаружены эффекты активации роста растений под влиянием Н^ в низких концентрациях [5]. Позднее стали накапливаться экспериментальные данные, свидетельствующие о возможной сигнальной роли сероводорода в клетках растений [7]. В настоящее время получены сведения о его тесных функциональных связях с другими известными сигнальными посредниками (в частности, с ионами кальция, монооксидом азота (N0), активными формами кислорода (АФК)), а также с рядом фитогормонов [8, 9]. В связи с этим сероводород рассматривается как агент, участвующий в регуляции многих функций растительного организма, в частности, ростовых процессов, созревания и старения плодов, адаптации к действию стрессоров самой разной природы [9-12].

Активация адаптивных реакций растений является одним из наиболее ярких физиологических эффектов сероводорода [3, 8, 13]. Однако механизмы активации стресс-протекторных систем растений под влиянием Н^, непосредственные мишени его действия, сигнальные и гормональные посредники, обеспечивающие физиологические эффекты, остаются малоизученными. Также не сформировались четкие представления о функциях сероводорода как посредника в реализации действия других физиологически активных веществ, в частности, фитогормонов [9-14]. Анализ и систематизация таких сведений и стали целью настоящего обзора.

1. Образование сероводорода у растений

Одним из критериев, позволяющих отнести то или иное соединение к газотрансмиттерам, является наличие у живых организмов ферментативной системы его синтеза и деградации [4]. К настоящему времени установлено, что сероводород у растений может синтезироваться, как минимум, с помощью шести ферментов.

Одним из основных путей синтеза у растений считается превращение

L-цистеина в пируват с высвобождением сероводорода и аммония (рис. 1) [15]. Эта реакция катализируется L-цистеиндесульфгидразой (КФ 4.4.1.1), которая может быть локализована в цитоплазме, пластидах и митохондриях [7, 16]. Также возможно образование сероводорода из D-цистеина под действием находящейся в цитоплазме D-цистеиндесульфгидразы (КФ 4.4.1.15) [16, 17]. Кроме того, сероводород может синтезироваться путем восстановления сульфита с участием сульфитредуктазы (КФ 1.8.7.1) [7]. При этом в качестве восстановителя серы используется восстановленный ферредоксин.

Образование сероводорода у растений может происходить и с участием Р-цианоаланин-синтазы (КФ 4.1.1.9) [8]. Этот митохондриальный фермент катализирует реакцию конденсации L-цистеина и цианида с выделением сероводорода [18]. Считается, что его основная функция связана с контролем содержания токсичного С№. Цистеинсинтаза (КФ 2.5.1.47), локализованная в цитозоле, митохондриях и хлоропластах, также может вносить вклад в образование сероводорода (рис. 1). Она катализирует обратимую реакцию между L-цистеином и ацетатом с образованием О-ацетил^-серина и Н^ [18, 19]. Наконец, сероводород может выделяться при разложении карбо- нилсульфида с помощью находящейся в хлоропластах и цитоплазме карбо- ангидразы (КФ 4.2.1.1) (рис. 1) [20].

Рис. 1 Пути синтеза сероводорода у растений (пояснения в тексте): Ас - ацетат; CA - карбоангидраза; SR - сульфитредуктаза; Fdred - ферредоксин восстановленный; CS - цистеинсинтаза; Pyr - пируват; L-cys, D-cys - L- и D-цистеин соотв.; L-, D-CDSH - L- и D-цистеиндесульфгидраза соотв., О-AS - О-ацетилсерин; Я-CA - Я-цианоаланин; Я-CAS - Я-цианоаланинсинтаза [Fig 1. Ways of hydrogen sulfide synthesis in plants (explanation in the text). Ас - Acetate; CA - Carbonic anhydrase; SR - Sulfite reductase; Fdred - Ferredoxin reduced; CS - Cysteine synthase; Pyr - Pyruvate; L-cys, D-cys - L- and D-cysteine, resp.; L-, D-CDSH - L- and D-cysteine desulfhydrase, resp., О-AS - O-acetylserine; Я-CA - Я- cyanoalanine; Я-CAS - Я-cyanoalanine synthase]

Наряду с ферментативными системами синтеза сероводорода, в растениях присутствует энзим, обеспечивающий его деградацию, - О-ацетилсеринлиаза [21].

Сигналинг с участием сероводорода в растительных клетках

Сероводород, как и другие молекулы-газотрансмиттеры, в растительных клетках не имеет специфических молекулярных рецепторов. Предполагается, что первичные молекулярные эффекты H2S связаны с S-сульфгидратацией (персульфидированием) - превращением остатков цистеина -SH в -SSH [22]. Также возможно его взаимодействие с дисульфидами белков, при котором образуются восстановленный и персульфидированный остатки [23]: R-SS-R + H2S ^ R-SSH + R-SH.

Сульфгидратация относится к важным посттрасляционным модификациям белков. Наиболее распространёнными белками, состояние которых регулируется путем сульфгидратации, являются пероксиредоксины [23], которые, в свою очередь, относятся к ключевым участникам клеточной редокс-регуляции [24]. В то же время данные, полученные методами биоинформатики, указывают что персульфидированию может подвергаться до 5% протеома растительной клетки [25]. Среди персульфидированных белков могут быть участники гликолиза, цикла трикарбоновых кислот, цикла Кальвина, биосинтеза крахмала.

Однако сведений, которые бы позволяли связать процессы персульфидирования определенных белковых мишеней с сигнальными процессами, обеспечивающими изменение экспрессии конкретных генов, пока очень мало. Интересным примером может быть зависимый от сероводорода холодоиндуцированный синтез вторичного метаболита кукурбитацина у растений огурца [26]. Этот терпеноид повышает устойчивость растений к патогенам, в частности, к Phytophthora melonis. Показано, что его синтез связан с S-сульфгидратацией двух транскрипционных факторов, связывающихся с промотором гена синтазы кукурбитацина. Данный процесс, происходящий в клетках листьев огурца, может быть следствием вызываемого холодом (действием температуры 4°C) усиления экспрессии генов различных молекулярных форм L- и D-десульфгидраз и увеличения содержания сероводорода [26].

В целом же более или менее четкие представления о механизмах передачи клеточных сигналов с участием сероводорода еще не сформировались. Предполагается, что сероводород вовлекается в процессы редокс-регуляции, происходящие с участием АФК и NO, а также может влиять на кальциевый гомеостаз (рис. 2) [8].

Вероятно, во многих случаях АФК выступают в роли посредников в реализации сигнальных процессов, в которых задействован сероводород. Так, обработка проростков пшеницы ингибитором синтеза сероводорода ами- нооксиуксусной кислотой частично устраняла вызываемое осмотическим стрессом повышение содержания пероксида водорода и нивелировала эффект активации антиоксидантных ферментов [27]. Авторы полагают, что пероксид водорода в цепи сигналинга, индуцируемого обезвоживанием, находится ниже сероводорода.

АФК, в частности, пероксид водорода, могут быть посредниками и в реализации сигнальных эффектов экзогенного сероводорода. Так, вызываемое донором сероводорода гидросульфидом натрия повышение теплоустойчивости клеток колеоптилей пшеницы, которому предшествовало транзиторное усиление генерации АФК, устранялось под действием антиоксидантов бутилгидрокситолуола и диметилтиомочевины [28]. Ингибиторными методами показано, что экзогенный сероводород вызывает зависимое от НАДФН- оксидазы, но не от внеклеточной пероксидазы, усиление генерации клеточной поверхностью супероксидного анион-радикала и последующее его превращение в пероксид водорода с помощью супероксиддисмутазы (СОД) [29].

Рис. 2 Функциональное взаимодействие сероводорода с сигнальными посредниками и фитогормонами: ROS - активные формы кислорода; АВА - абсцизовая кислота; SA - салициловая кислота; JA - жасмоновая кислота; Et - этилен [Fig. 2. Functional interaction of hydrogen sulfide with signaling messengers and phytohormones. ROS - Reactive oxygen species; ABA - Abscisic acid; SA - Salicylic acid; JA - Jasmonic acid; Et - Ethylene]

В то же время пероксид водорода может индуцировать синтез сероводорода в клетках растений. Обработка семян ятрофы (ІаїгорЬа curcas L.) пероксидом водорода, активирующая их прорастание, вызывала повышение в проростках активности L-цистеиндесульфгидразы и содержания сероводорода [11]. У растений арабидопсиса также происходило усиление экспрессии L-/D-цистеиндесульфгидраз в ответ на обработку пероксидом водорода [13]. У мутантов аіїЬоЬБ, аіїЬоЬЕ, аігЬоЬБ/Ене проявлялось усиление образования сероводорода в условиях засухи [30]. При действии солевого стресса на растения бобов в них увеличивалось содержание как сероводорода, так и пероксида водорода. При этом антагонисты не влияли на эффект повышения количества пероксида водорода [31]. Авторы полагают, что сероводород в сигнальной цепи, индуцируемой солевым стрессом, находится ниже Н202. Однако имеются и данные, указывающие на роль АФК в реализации эффектов сероводорода при солевом стрессе. Так, активация №+/Н+- антипортера у растений арабидопсиса, вызываемая донором сероводорода, подавлялась антиоксидантами и ингибиторами НАДФН-оксидазы [32].

В целом есть основания полагать, что пероксид водорода и сероводород находятся в сложном функциональном взаимодействии, при этом они могут усиливать синтез друг друга. С другой стороны, между сероводородом и АФК могут быть и антагонистические отношения. В частности, во многих работах показано индуцирование антиоксидантной системы экзогенным сероводородом [33, 34]. В связи с этим предполагается, что увеличение содержания восстановленного глутатиона, аскорбиновой кислоты и активности ряда антиоксидантных ферментов, вызываемое сероводородом, должно приводить к снижению содержания АФК и модификации АФК-сигналов [34]. Сообщается также о прямом взаимодействии с АФК, в том числе супероксидным и гидроксильным радикалами, пероксидом водорода [35]. Правда, существенность прямого вклада сероводорода в регуляцию содержания АФК остается сомнительной, поскольку его концентрация в клетках намного ниже, чем у других антиоксидантов [34]. Кроме, того, подчеркивается очень низкая скорость взаимодействия с окислителями.

Другим посредником, с которым сероводород находится в очень тесном функциональном взаимодействии, является оксид азота (N0) (см. рис. 2). Одним из таких механизмов является прямое взаимодействие молекул. Сероводород может реагировать с N0 и пероксинитритом ^N00-) [21, 36]. Следствием такого взаимодействия будет их взаимная нейтрализация и ослабление сигналов, а также появление нового соединения - нитрозотиола, который сам может обладать сигнальными свойствами [37].

Взаимодействие между Н^ и N0 может обусловливаться и наличием у них общих сайтов связывания с белковыми мишенями. В первую очередь, речь идет о тиоловых группах. Оксид азота способен изменять состояние этих групп путем S-нитрозилирования, а сероводород - путем персульфиди- рования [22]. Одним из примеров белков, состояние которых регулируется таким образом, является глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, играющая ключевую роль в процессе гликолиза [38, 39]. Взаимодействие этого белка с сероводородом приводит к появлению у него способности транспортироваться из цитоплазмы в ядро и самому выступать в иной роли, влияя на состояние факторов регуляции транскрипции и экспрессию генов [22].

Еще одним и, пожалуй, наиболее изученным в физиологических экспериментах механизмом взаимодействия между сероводородом и оксидом азота является их влияние на синтез друг друга. В ряде работ сообщается о том, что физиологические эффекты сероводорода могут быть опосредованы оксидом азота и наоборот. Так, положительное влияние донора сероводорода NaHS на солеустойчивость растений люцерны и экспрессию генов антиоксидантных ферментов устранялось скавенджером оксида азота PTIO (2-phenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide) [40]. Повышение устойчивости проростков гороха к токсичному действию мышьяка обработкой гидросульфидом натрия было опосредовано увеличением содержания оксида азота [41]. Индуцирование гидросульфидом натрия теплоустойчивости проростков пшеницы сопровождалось транзиторным увеличением в них содержания пероксида водорода и оксида азота. При этом скавенджер пероксида водорода диметилтиомочевина и ингибитор НАДФН-оксидазы имидазол полностью устраняли влияние сероводорода на содержание NO, а антагонисты оксида азота слабо влияли на содержание H2O2 [42]. По-видимому, в сигнальном пути сероводорода, индуцирующем развитие теплоустойчивости, оксид азота находится ниже пероксида водорода. Под влиянием донора сероводорода NaHS у растений томата уменьшались последствия окислительного стресса, вызываемого действием высокой (100 мМ) концентрации нитрата [43]. При этом донор H2S вызывал повышение эндогенного содержания NO в корнях, которое ассоциировалось с увеличением активности ни- тратредуктазы, но не фермента, подобного NO-синтазе животных [43].

С другой стороны, в отдельных работах показаны эффекты повышения содержания сероводорода в тканях растений под влиянием экзогенного оксида азота. Например, при повышении теплоустойчивости проростков кукурузы, вызываемом действием донора NO нитропруссида натрия (НПН), зафиксировано увеличение эндогенного содержания сероводорода [44]. Ингибиторы ферментов синтеза сероводорода устраняли этот эффект. В то же время донор H2S GYY4137 (morpholin-4-ium-4-methoxyphenyl [morpholino] phosphinodithioate) усиливал положительное влияние НПН на теплоустойчивость проростков. Авторы полагают, что сероводород как сигнальный посредник расположен после оксида азота [44]. Следует отметить, что в некоторых случаях эффект увеличения содержания H2S при обработке растений донором NO НПН может быть методическим артефактом, связанным с образованием цианида из НПН, который может индуцировать Р-цианоаланинсинтазу, обезвреживающую SCN- с использованием L-цистеина и образованием сероводорода [2].

Кальций, как известно, является универсальным вторичным мессенджером растительных клеток [45, 46]. Имеются сведения о его участии как в образовании сероводорода, так и в трансдукции сигналов H2S в генетический аппарат (см. рис. 2). Так, экзогенный кальций в концентрациях, повышающих теплоустойчивость клеток суспензионной культуры табака, вызывал увеличение содержания сероводорода, связанное с ростом активности L-цистеиндесульфгидразы [47]. Активация L-цистеиндесульфгидразы в клетках суспензионной культуры табака в условиях теплового стресса угнеталась предобработкой хелатором внеклеточного кальция ЭГТА, что указывает на роль кальция в индуцируемом тепловым стрессом синтезе сероводорода [47]. Зависимым от кальция и кальмодулина оказалось и образование сероводорода в проростках арабидопсиса, вызываемое действием хрома (Cr6+) [48]. Показано, что кальций в комплексе с кальмодулином2 взаимодействует с транскрипционным фактором TGA3, что необходимо для его связывания с промотором гена L-цистеиндесульфгидразы и усиления его экспрессии. Похожие механизмы усиления синтеза сероводорода в ответ на действие никеля, по-видимому, функционируют и в клетках корней и листьев Cucurbitapepo L. Индуциуемое Ni2+ повышение содержания сероводорода устранялось ЭГТА, блокатором потенциалзависимых кальциевых каналов верапамилом и антагонистом кальмодулина трифторперазином [49].

Кальций задействован и в передаче сигналов H2S. Так, обработка гидросульфидом натрия Setaria italica уменьшала проявление токсического влияния Cr6+ [50]. При этом экзогенный кальций вызывал усиление эффектов обработки растений сероводородом, а воздействие его хелатора, ЭГТА, наоборот, нивелировало проявление физиологического влияния сероводорода. Растения арабидопсиса, мутантные по гену L-цистеиндесульфгидразы, отличались слабым выходом кальция в цитозоль в ответ на действие засухи [51]. Авторами сделано заключение, что сероводород оказывает влияние на состояние кальциевых каналов. С этим предположением согласуются данные об угнетении различными антагонистами кальция влияния сероводорода на теплоустойчивость клеток колеоптилей пшеницы, генерацию АФК и активность антиоксидантных ферментов [28].

Сероводород взаимодействует и со сложной сетью гормонального сигналинга (см. рис. 2) [8, 12, 52, 53].

Получены экспериментальные данные, указывающие на роль АБК в синтезе сероводорода. Экзогенная АБК повышала содержание сероводорода у растений арабидопсиса [13]. Мутанты арабидопсиса по синтезу АБК отличались пониженным эндогенным содержанием сероводорода и низкой засухоустойчивостью [51]. С другой стороны, показана роль сероводорода как посредника в реализации эффектов АБК. Антагонисты сероводорода угнетали положительное влияние экзогенной АБК на функционирование аскорбат-глутаттионового цикла у проростков пшеницы при осмотическом стрессе [53].

Есть сведения о том, что сероводород блокирует физиологические реакции, контролируемые этиленом, в частности, старение плодов. Предполагается, что он связывается с атомом меди, входящим в состав белка-рецептора этилена [12].

Сероводород, по-видимому, является положительным регулятором реакций, активируемых жасмонатами. Так, показано повышение эндогенного содержания сероводорода у растений арабидопсиса и проса под влиянием экзогенных жасмоновой кислоты (ЖАК) и метилжасмоната [54, 55]. Индуцируемое метилжасмонатом повышение устойчивости растений к токсическому действию кадмия было опосредовано сероводородом и устранялось обработкой растений ингибитором L-цистеиндесульфгидразы гидроксиламином [55]. С другой стороны, молекулярно-биологическими методами показано, что сероводород может активировать экспрессию гена, кодирующего белок-рецептор ЖАК СОІ1 и таким образом участвовать в регуляции жасмонатного сигналинга [9]. По-видимому, сероводород может индуцировать и синтез ЖАК. Так, воздействие на растения табака высокой температуры, вызывающее синтез никотина, сопровождалось быстрым усилением генерации и синтезом ЖАК. Подавление сигнала сероводорода действием его скавенджеров или ингибиторов L-цистеиндесульфгидразы снимало высокотемпературную индукцию синтеза ЖАК и никотина [52]. Авторы делают заключение, что в сигнальном пути, индуцирующем синтез никотина, сероводород находится выше ЖАК.

Еще одним стрессовым фитогормоном, в сигнальных эффектах которого задействован сероводород, является салициловая кислота. Индуцируемое экзогенной салициловой кислотой повышение теплоустойчивости проростков кукурузы сопровождалось активацией L-цистеиндесульфгидразы и увеличением содержания сероводорода [56]. Эффект индуцируемого салициловой кислотой повышения теплоустойчивости проростков и увеличения в них содержания устранялся действием скавенджера сероводорода гипотаурина и ингибитора его синтеза пропаргилглицина. С другой стороны, ингибитор синтеза салициловой кислоты паклобутразол не влиял на индуцированное донором сероводорода развитие теплоустойчивости проростков кукурузы, что позволяет сделать заключение о роли сероводорода как посредника в реализации эффектов салициловой кислоты, а не наоборот [56].

Недавно появились сведения об участии сероводорода в реализации стресс-протекторного действия на растения одного из наиболее распространенных полиаминов путресцина [57]. Полиамины в последнее время рассматриваются не столько в качестве стрессовых метаболитов, обладающих протекторными свойствами, сколько как физиологически активные соединения, индуцирующие многие компоненты сигнальных сетей и проявляющие активность, подобную стрессовым фитогормонам [58]. Показано, что при действии ультрафиолета (УФ) В у молодых растений ячменя повышалось содержание путресцина [57]. Их обработка путресцином уменьшала повреждения, вызываемые действием УФ-В. При этом действие как УФ-В, так и путресцина увеличивало содержание сероводорода в листьях. Стресс- протекторное влияние путресцина, выражающееся в повышении активности антиоксидантных ферментов и уменьшении окислительных повреждений, устранялось действием скавенджера сероводорода гипотаурина [57].

В целом сероводород, по-видимому, вовлечен в сложную регуляторную сеть сигнальных и гормональных посредников. С такими представлениями хорошо согласуются многочисленные феноменологические данные об индуцировании сероводородом многих стресс-протекторных систем и его участии в формировании перекрестной устойчивости растений к действию стресс-факторов.

2. Сероводород и адаптивные реакции растений

Увеличение эндогенного содержания сероводорода у растений в настоящее время обнаружено при стрессах различной природы. Так, при действии низкой температуры показано транзиторное повышение эндогенного содержания сероводорода и усиление экспрессии генов ключевых ферментов его синтеза - L-/D-цистеиндесульфгидраз у растений арабидопсиса, винограда и огурца [26, 59, 60]. В отдельных работах показан эффект транзиторного увеличения содержания сероводорода в ответ на действие гипертермии [21, 52].

Установлена активация экспрессии генов L- и D-цистеиндесульфгидразы у растений арабидопсиса при засухе, сопровождающаяся усилением образования сероводорода [61]. Повышение содержания Н^ в ответ на действие осмотического стресса обнаружено и у растений пшеницы [33].

При солевом стрессе также зафиксировано повышение содержания сероводорода у растений. Показано увеличение количества транскриптов L-цистеиндесульфгидразы и содержания у люцерны и огурца при действии стрессовых концентраций №С1 [62, 63]. Активация L-/D-цистеиндесульфгидраз и увеличение содержания Н^ оказались необходимы для индуцируемого солевым стрессом закрывания устьиц у растений бобов [31].

На ряде объектов изучено изменение содержания сероводорода в ответ на действие токсических доз тяжелых металлов и алюминия. У растений арабидопсиса оно увеличивалось под влиянием Сг6+ [48]. Подобный эффект при действии солей никеля обнаружен у растений цуккини [49]. Под влиянием токсических концентраций алюминия у растений сои повышалась активность L-/D-цистеиндесульфгидраз и Р-цианоаланинсинтазы, а также эндогенное содержание сероводорода [64].

Влияние сероводорода на функционирование стресс-протекторных систем растений обычно изучается с использованием его экзогенных доноров. Чаще всего в таком качестве используется гидросульфид натрия (NaHS). Однако показано, что обработка растений этим соединением в достаточно высоких концентрациях вызывает существенное, но кратковременное повышение внутриклеточного содержания сероводорода [21]. Для использования в биомедицинских исследованиях были разработаны доноры с более «мягким» и пролонгированным действием, которые теперь используются и в физиологии растений. Одним из них является соединение, известное, как GYY4137 (тогр^1т-4-шт 4 methoxyphenyl(morpholmo) phospЫnodithionate) [65, 66]. Установлено, что обработка им растений арабидопсиса вызывала более длительное увеличение содержания Н^ в тканях по сравнению с действием гидросульфида натрия [67]. Тем не менее КаН5 до сих пор остается наиболее популярным донором сероводорода в фитофизиологических исследованиях [8, 68].

Под влиянием доноров сероводорода зарегистрировано повышение устойчивости растений различных таксономических групп к действию абиотических стрессоров самой разной природы: гипо- и гипертермии, засухи, засоления, ионов тяжелых металлов, УФ-В (таблица).

Исследовано функционирование ключевых стресс-протекторных систем при действии на растения доноров сероводорода в обычных условиях и на фоне стрессоров. Весьма подробно изучено влияние экзогенного сероводорода на функционирование антиоксидантной системы, которая относится к универсальным стресс-протекторным системам [24].

Так, у винограда в условиях гипотермии отмечалось повышение активности СОД при обработке NaHS [59]. Повышение устойчивости растений бермудской травы (Супоёоп ёас1у1оп L.) к действию холода, вызываемое донором сероводорода, сопровождалось увеличением активности каталазы, гваяколпероксидазы и глутатионредуктазы [69]. Предобработка проростков пшеницы гидросульфидом натрия на фоне холодового закаливания способствовала повышению активности гваяколпероксидазы и каталазы, содержания сахаров и пролина [71], обладающих антиоксидантными свойствами [78, 79]. Также установлено, что под действием донора сероводорода при холодовом закаливании проростков пшеницы существенно повышалась активность фенилаланинаммонийлиазы [72] - фермента, который превращает L-фенилаланин в транс-коричную кислоту, являющуюся предшественником большинства вторичных метаболитов, и считается стартовым ферментом в сложных процессах синтеза флавоноидов [80]. При этом в проростках повышалось общее содержание флавоноидов и количество антоцианов, которые обладают очень высокой антиоксидантной активностью [81].

Индуцирование донором сероводорода теплоустойчивости колеоптилей пшеницы сопровождалось повышением активности ключевых антиоксидантных ферментов. Этот эффект угнетался различными антагонистами кальция и был зависимым от генерации АФК с участием НАДФН-оксидазы [28].

У обработанных гидросульфидом натрия этиолированных проростков пшеницы показано усиление экспрессии генов и повышение активности аскорбатпероксидазы, глутатионредуктазы и монодегидроаскорбатредуктазы при осмотическом стрессе [27]. Ингибирование синтеза сероводорода в проростках пшеницы обработкой аминооксиуксусной кислотой устраняло вызываемое осмотическим стрессом повышение активности аскорбатпероксидазы, глутатионредуктазы, дегидроаскорбатредуктазы и монодегидроаскорбатредуктазы [27].

Индуцирование стресс-протекторных систем растений сероводородом [Induction of plant protective systems by hydrogen sulfide]

Обработка зеленых растений пшеницы раствором гидросульфида натрия перед почвенной засухой способствовала повышению активности СОД и предотвращала вызываемое стрессом снижение активности каталазы и гваяколпероксидазы в листьях [74]. Также под влиянием донора сероводорода при почвенной засухе в листьях растений пшеницы повышалось содержание низкомолекулярных протекторов - пролина и антоцианов [74].

Показано повышение активности пероксидазы, каталазы и глутатионредуктазы у растений бермудской травы при их обработке донором сероводорода NaHS, предшествовавшей осмотическому стрессу, вызываемому действием ПЭГ 6000. Такая обработка также стабилизировала пул восстановленного глутатиона [70]. Повышение содержания аскорбата и восстановленного глутатиона, а также увеличение соотношения GSH/GSSG под влиянием обработки растений донором сероводорода отмечались в условиях осмотического и солевого стрессов у растений земляники (Fragaria х ananassa су. Сатаггеа) [68]. У растений Spinacia oleracea Ь. под влиянием донора сероводорода в условиях засухи происходило повышение содержания глицин-бетаина и трегалозы, обладающих осмопротекторными и антиоксидантными свойствами [75]. После возобновления полива в варианте с действием донора сероводорода также отмечалось повышение содержания полиаминов - путресцина и спермидина [75]. Полиамины могут оказывать прямое антиоксидантное и мембранопротекторное действие, а также рассматриваются в качестве регуляторов адаптивных процессов, связанных с изменением экспрессии ряда генов [58].

Обнаружена активация СОД, каталазы, аскорбатпероксидазы и гваяколпероксидазы донором сероводорода у растений пшеницы при солевом стрессе [27, 82]. Обработка растений арабидопсиса NaHS вызывала повышение их выживания при продолжительном солевом стрессе и увеличение активности СОД, глутатиоредуктазы и неспецифической пероксидазы [13].

Усиление прорастания семян пшеницы, вызываемое донором H2S на фоне токсического действия кадмия, сопровождалось повышением активности гваяколпероксидазы, аскорбатпероксидазы и каталазы [83]. Стресс-протекторное действие гидросульфида натрия на проростки кукурузы, подвергнутые действию Cr6+, проявлялось в усилении активности СОД и пероксидаз, появлении их новых молекулярных форм, а также в стабилизации активности каталазы [77].

По-видимому, положительное влияние доноров сероводорода на устойчивость растений к стрессорам не исчерпывается активацией антиоксидантной и осмопротекторной систем. В экспериментах с растениями земляники показано индуцирование при обработке гидросульфидом натрия экспрессии генов БТШ 90, БТШ 80, БТШ 70, а также аквапоринов в корнях [68]. Такой эффект сопровождался повышением теплоустойчивости растений.

Еще одним физиологическим эффектом сероводорода, важным для устойчивости растений к засухе и засолению, является его влияние на состояние устьичного аппарата. Показано, что при действии осмотического стресса, индуцируемого ПЭГ, у растений арабидопсиса Col-0 устьичная апертура уменьшалась, в то время как у мутантов des, дефектных по генам ферментов синтеза сероводорода цистеиндесульфгидраз, она почти не изменялась [84]. Вызываемое солевым стрессом закрывание устьиц в листьях бобов устранялось скавенджером сероводорода гипотаурином и ингибиторами цистеиндесульфгидраз [31]. Воздействие 100 мкМ гидросульфидом натрия в течение 90 мин вызывало уменьшение апертуры устьиц у растений арабидопсиса [85]. Обработка эпидермиса листьев сладкого картофеля (Ipomoea batatas L.) 100 мкМ NaHS увеличивала относительное количество полностью закрытых устьиц [85]. В то же время в работах Lisjak et al. [67, 86] было показано увеличение устьичной апертуры у растений разных видов после 2,5-часовой обработки эпидермиса 100 и 200 мкМ NaHS на свету. Обнаружено, что при обработке отделенных листьев арабидопсиса органическим донором сероводорода GYY4137 в концентрации 100 мкМ через 90 мин происходило закрывание устьиц, а через 120 мин, наоборот, отмечалось увеличение апертуры с последующим уменьшением к 180 мин [87]. Таким образом, эффекты доноров сероводорода на состояние устьиц могут иметь сложную временную динамику.

Влияние сероводорода на устьичную апертуру, как и других индукторов закрывания устьиц, связано с изменением состояния ионных каналов, в частности, калиевых каналов (K+out) замыкающих клеток. Установлено, что их открывание, обусловливающее выход калия из замыкающих клеток, происходит с участием АФК, генерируемых под влиянием НАДФН-оксидазы [88]. Другим посредником в реализации устьичных эффектов сероводорода является кальций. В работе Honda et а1. [87] показано, что обработка листьев арабидопсиса проницаемым для клеток хелатором кальция снимала вызываемое GYY4137 закрывание устьиц. Наши исследования показали, что в реализации действия сероводорода на состояние устьиц принимают участие различные пулы кальция. Вызываемое донором сероводорода уменьшение устьичной апертуры и относительного количества открытых устьиц почти полностью нивелировалось предобработкой листьев блокатором кальциевых каналов хлоридом лантана, хелатором внеклеточного кальция ЭГТА, ингибитором фосфолипазы С неомицином и антагонистом образования циклической аденозин-5'-дифосфатрибозы никотинамидом [89]. Также устьичный эффект донора Н^ частично устранялся антагонистом кальмодулина хлорпромазином. Нивелирование действия донора сероводорода на состояние устьичного аппарата листьев арабидопсиса отмечалось и при предварительной обработке листьев бутанолом-1 - ингибитором зависимого от фосфолипазы D образования фосфатидной кислоты [89]. Можно предположить, что в сложном пути действия сероводорода на состояние устьиц принимают участие два фермента липидного сигналинга - фосфолипазы (ФЛ) С и D. Какова конкретная роль продуктов реакций, катализируемых этими ферментами, в проявлении влияния сероводорода на состояние устьиц, пока не ясно. Возможно, что посредники, образующиеся под влиянием ФЛ С, участвуют в регуляции кальциевого гомеостаза. Фосфатидная кислота, которая образуется под влиянием ФЛ D, может активировать НАДФН-оксидазу, генерирующую сигнал АФК, по-видимому, также необходимый для проявления индуцированного сероводородом эффекта закрывания устьиц у растений арабидопсиса. Так, показано, что у мутантов арабидопсиса по двум формам НАДФН-оксидазы (гЬоЪГ) и гЬоЪЕ) не происходило закрывания устьиц в ответ на обработку [85].

В целом можно полагать, что действие сероводорода на состояние устьичного аппарата реализуется с участием цитозольного кальция, компонентов липидного сигналинга [89], АФК [85] и оксида азота [87]. По-видимому, эти посредники функционируют как взаимосвязанные элементы большой сигнальной сети, однако характер этих взаимосвязей во многом остается неясным.

Возможно, что участие в регуляции состояния устьиц является одной из причин положительного влияния экзогенного сероводорода на засухо- и солеустойчивость растений. В частности, есть данные о предотвращении обработкой донором сероводорода падения относительного содержания воды у растений в неблагоприятных условиях [75]. Следует, однако, отметить, что данные о механизмах влияния сероводорода на состояние устьиц были получены в основном в экспериментах с эпидермисом листьев либо с отделенными кусочками листьев, в связи с чем экстраполяция этих результатов на процессы регуляции водного обмена интактных растений в естественных условиях весьма дискуссионна.

Заключение

Несмотря на то, что физиологические функции сероводорода изучены значительно меньше по сравнению с функциями таких сигнальных посредников, как ионы кальция, АФК и оксид азота, его роль в устойчивости растений к большинству известных стресс-факторов не вызывает сомнений. Об этом свидетельствуют обнаруженные эффекты увеличения эндогенного содержания сероводорода в клетках при действии стресс-факторов, блокирования многих адаптивных реакций при обработке растений его скавенджерами либо ингибиторами основных ферментов синтеза H2S и многочисленные данные о повышении устойчивости растений действием его доноров. Первичные молекулярные эффекты сероводорода, по-видимому, обусловлены с S-сульфгидратацией (персульфидированием) белковых мишеней. Связь этого эффекта с процессами передачи сигналов в генетический аппарат через сигнальные сети остается малоизученной. Однако накоплены многочисленные примеры опосредованности эффектов сероводорода путем изменения кальциевого гомеостаза, образования АФК и оксида азота (см. рис. 2). Правда, последовательность расположения этих посредников при формировании тех или иных адаптивных реакций растений во многих случаях остается неизвестной. Так, о неоднозначности связей между двумя ключевыми газотрансмиттерами - сероводородом и оксидом азота - свидетельствует остроумное название недавнего обзора Corpas et al. [90] «Nitric oxide (NO) and hydrogen sulfide (H2S) in plants: Which is first?». Показано, что эти газотрансмиттеры могут действовать на одни и те же белковые мишени, вызывая эффекты персульфидирования либо нитрозилирования [90]. В то же время NO и H2S оказывают влияние и на внутриклеточное содержание друг друга. Результаты исследований свидетельствуют о том, что в зависимости от природы стресс-фактора и регулируемых процессов NO в сигнальных цепях может быть расположен как выше, так и ниже сероводорода [90]. Не менее сложным, по-видимому, может быть и функциональное взаимодействие сероводорода с другими посредниками. Так, активация синтеза сероводорода, связанная с усилением экспрессии гена L-цистеиндесульфгидразы, может быть индуцирована с помощью кальция и кальмодулина [48]. С другой стороны, кальций является посредником в трансдукции сигналов сероводорода [49]. Многие физиологические эффекты сероводорода опосредованы усилением генерации АФК растительными клетками, но и H2S может выступать в роли посредника в реализации эффектов пероксида водорода [91].