南京农业大学沈文飚课题组提揭示氢气调控植物侧根发育的机制

尽管目前尚未阐明高等植物氢气（H2）代谢的途径，但已发现植物产生的内源H2可以影响植物生长发育以及对环境刺激的应答，因此H2被认为是一种潜在的植物气体信号递质。目前，钢瓶H2或电解产生的H2溶解在水/液体中制备的富氢水（Hydrogen-enrich water, HRW）已被应用于实验室和小规模的大田农业生产中。然而，上述常规HRW的制备繁琐，而且其溶解H2的半衰期相对较短，因此限制了其在大田农业以及设施园艺中的应用。

在工业中，H2储存的目标是尽可能地将其压缩，因此具有高H2储存密度的固体储氢材料被运用于汽车、航空航天和精密电子工业。与常规方法制备的HRW相比，由化学法（通过固体储氢材料产生氢气）制备的HRW可能是一种供应H2的新策略。

近日，南京农业大学沈文飚教授课题组在Plant Physiology在线发表了题为“Lateral root branching stimulated by ammonia borane-dependent sustainable H2 via phytomelatonin signaling”的研究论文。该研究以番茄和拟南芥侧根发育为研究模型，结合药理学、分子生物学和遗传学等方法，探究了储氢材料在园艺生产中的应用潜力，并初步解析了内源H2调控植物侧根发育的分子机制，从而为氢农业的发展提供了新思路。

研究团队首先测试了运用于能源工业生产中的多种储氢材料，发现氨硼烷（NH3·BH3）是一种高效、稳定、安全，且可在低浓度下稳定供氢的储氢材料。与常规HRW相比，氨硼烷可以高效且持续地稳定供应H2，从而促进侧根发育。上述结果提示，与一氧化氮（一种传统的气体信号递质）的释放物硝普钠（SNP）相类似，氨硼烷可能是一种能广泛运用于氢农学/氢农业的释氢体。

该研究还通过异源表达莱茵衣藻合成H2的氢酶基因（hydrogenase gene；CrHYD1)，成功获得了高内源H2水平的转基因番茄植株。进一步的解剖学、药理学和遗传学实验证明，CrHYD1的异源表达也促进了番茄侧根发育进程，而褪黑素（MT）可能是外源/内源H2调控侧根发育的下游信号，且与生长素信号转导有关（图1）。综上所述，该研究为储氢材料在设施园艺中的应用提供了可能。

图1 储氢材料在园艺生产中运用的新策略

南京农业大学生命科学学院博士生王曰桥为论文第一作者，沈文飚教授为通讯作者，江苏省中国科学院植物研究所徐晟副研究员也参与了部分工作。该研究得到了国家自然科学基金、江苏省研究生科研与实践创新计划、法国液化空气集团合作项目、上海交通大学氢科学中心/上海市氢科学重点实验室项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiad595