综述：活性氧-翻译后修饰-中心碳代谢调控环路：植物在非生物胁迫下氧化还原稳态与碳通量分配的协调

本综述系统阐述了植物在非生物胁迫下，通过活性氧（ROS）、翻译后修饰（PTM）与中心碳代谢（CCM）三者构成的精密调控网络，协调氧化还原稳态与碳资源分配的核心机制。文章深入解析了ROS如何作为信号分子通过介导PTMs（如磷酸化、S-亚硝基化等）动态重塑CCM酶活性，进而调控能量（ATP/ADP）与还原力（NADPH/NADP+）的供应，平衡生长与防御策略，为通过靶向代谢工程培育抗逆作物提供了重要理论依据。

　　

中心碳代谢与活性氧的相互作用机制及动态稳态

CCM介导的活性氧产生

中心碳代谢（CCM）作为能量代谢的核心网络，直接参与活性氧（ROS）的生成。三羧酸循环（TCA循环）通过提供还原等价物（NADH和FADH₂）给线粒体电子传递链（ETC），使得复合体I和III成为细胞内ROS的主要产生位点。当TCA循环中断或代谢重编程导致琥珀酸积累时，会驱动大量电子流入泛醌池，导致复合体I的FMN辅因子高度还原，极易将电子泄漏给O₂，从而大量生成超氧阴离子（O₂^•?）。

非生物胁迫下，光呼吸作为CCM重塑的关键组成部分，通过过氧化物酶体中乙醇酸氧化酶（GOX）催化的反应，以O₂作为电子受体直接产生H₂O₂，成为ROS的重要来源。Rubisco的双重功能是这一过程的核心：其加氧酶活性是光呼吸的起点，而碳浓缩机制（如碳酸酐酶和CO₂/HCO₃^?转运蛋白）通过维持较高的基质CO₂/O₂比率来抑制Rubisco的加氧酶活性，从而减少乙醇酸的生成并降低ROS水平。

CCM动态调控氧化还原稳态

面对碳源供应受阻，CCM通过维持能量稳态和重新分配代谢物来平衡植物的防御与生长。ATP/ADP和NADPH/NADP⁺比率的下降被细胞感知，触发CCM重编程。植物通过上调EMP途径关键酶活性来增强ATP供应，并通过动态调整磷酸戊糖途径（PPP）和TCA循环的通量来补充细胞内NADPH库。

作为NADPH驱动的H₂O₂清除途径，抗坏血酸-谷胱甘肽（AsA-GSH）循环通过上调酶活性、增加AsA和GSH水平来缓解ROS积累。研究表明，小麦通过激活PPP途径和优化能量代谢来增加NADPH和ATP的生产，维持细胞氧化还原和能量稳态，从而适应干旱胁迫。葡萄糖-6-磷酸（G6P）分流在高温胁迫下被激活，不仅生成NADPH，还将未标记的碳重新引入卡尔文-本森循环，维持了碳代谢的灵活性。

代谢物的积累也起到关键作用。有机酸、脯氨酸（Pro）、甜菜碱和海藻糖等物质的显著积累，在渗透保护、维持细胞稳态和间接减少ROS生成方面发挥作用。例如，TCA循环的中断导致α-酮戊二酸（α-KG）积累，其进入GABA支路或作为脯氨酸合成的底物，实现了碳源的重新整合与分配，协调了碳氮代谢平衡。

ROS依赖的CCM酶调控

在胁迫早期，低水平的ROS（nM至μM H₂O₂）作为信号分子，通过可逆地氧化半胱氨酸（Cys）残基来感知胁迫并触发信号级联（Ca²⁺和MAPK），调控关键代谢酶。这个过程涉及半胱氨酸残基的可逆氧化，形成S-磺酰化、二硫键或S-谷胱甘肽化等修饰，从而快速、可逆地改变CCM，平衡能量和还原力的供需，并将资源重新定向到防御系统。

ROS介导的PTMs驱动CCM网络重构

ROS信号的特异性

ROS的独特性在于其几乎在所有细胞区室中独立产生，这使得植物能够区隔氧化还原反应。不同区室（如叶绿体、线粒体、过氧化物酶体）或组织中的ROS，由于其种类（如H₂O₂和O₂^•?）以及动态生产和运输的差异，具有异质性。它们不仅直接调节产生部位的代谢酶活性，还能通过跨膜机制在细胞间运输，远程影响远端组织的CCM平衡，在植物体内建立起局部-系统性的信号网络。

ROS依赖性PTMs的分子机制与功能

ROS直接介导的PTMs

在氧化胁迫下，ROS、活性氮物种（RNS）和活性硫物种（RSS）特异性诱导氧化性翻译后修饰（OxiPTMs），修饰蛋白质的特定氨基酸残基。其中，由ROS介导的蛋白质Cys残基的氧化还原修饰是功能调控的主要途径。随着氧化水平升高，Cys侧链的巯基（–SH）被依次氧化为次磺酸（–SOH）、亚磺酸（–SO₂H）和磺酸（–SO₃H）。磺酰化和亚磺酰化通常是不可逆的，会导致蛋白质降解，但在特定条件下，某些蛋白质的亚磺酰化可以被磺iredoxin（SRX）在ATP存在下还原修复。

研究表明，水稻GPX1感知细胞内H₂O₂后被氧化形成分子内二硫键，触发其向细胞核转运，进而与转录因子bZIP68互作，激活胁迫响应基因的表达。拟南芥胞质中的PRXIIB其Cys51被H₂O₂氧化，与磷酸酶ABI2的Cys残基形成分子间二硫键，抑制ABI2磷酸酶活性，从而调控气孔关闭。

ROS间接介导的PTMs

ROS也通过调节NO的产生来间接调控S-亚硝基化等修饰。ROS和NO的产生与清除相互依赖地调控，H₂O₂可以通过激活硝酸还原酶促进NO合成来增强S-亚硝基化水平。另一方面，胁迫下线粒体ROS的产生会激活MAPK信号，该通路下游的核糖体S6激酶1（RSK1）的Ser847残基发生磷酸化，一氧化氮合酶被磷酸化，这两者都会减少NO的产生。

PTM交互作用

在植物中，单个蛋白质通常受到多种PTMs的动态调控，这些修饰并非孤立存在，而是通过复杂的交互机制形成调控网络。例如，在免疫调节中，CPK28的功能稳定性受到磷酸化和泛素化PTMs级联的调控。其分子间自磷酸化和BIK1介导的反式磷酸化决定了CPK28与E3泛素连接酶ATL31/6的相互作用效率，形成了磷酸化依赖的泛素化降解机制，展现了PTMs之间的拮抗性交互。

PTMs介导的CCM重塑

PTMs通过调控酶活性来重塑CCM。其中，GAPDH家族具有高度的氧化还原敏感性。磷酸化的GAPDH在氧化胁迫下催化其底物BPGA的去磷酸化。植物胞质中还存在非磷酸化的GAPDH（GAPN），它直接氧化G3P为3-磷酸甘油酸，绕过胞质GAPC催化的反应，在功能上替代G6PDH生成NADPH，降低了胁迫条件下对传统PPP的依赖。

GapC1作为磷酸化的NAD特异性GAPDH，通过其Cys149的氧化还原修饰来调节活性。Cys149的硫醇盐基团（-S^?）易被H₂O₂氧化，首先形成不稳定的次磺酸盐中间体（-SO^?），GSH可与其反应形成混合二硫键（–SS–），防止不可逆氧化。

植物线粒体中，靶向磷酸酶PP₂c6₃和Sal2参与丙酮酸脱氢酶复合体（PDC）的去磷酸化，直接或间接地调节TCA循环的代谢通量。硫化氢（H₂S）通过硫磺化修饰调节植物胞质中的G6PD，增强其抗氧化应激能力。在盐胁迫下，拟南芥G6PD6的Cys159和番茄G6PDC的Cys155发生硫磺化，改变了G6PD的空间结构，增强了其寡聚化和底物亲和力，保护酶免受氧化损伤。

ROS介导的PTMs还具有区室特异性。在TCA循环中，苹果酸脱氢酶（MDH）的Cys和甲硫氨酸（Met）残基易被氧化。H₂O₂通过氧化其Cys330和Met残基来抑制MDH活性。胞质Trx特异性还原Cys330处形成的分子间二硫键（–SS–），恢复酶活性。这种调控是区室特异性的，胞质和叶绿体plNAD-MDH对H₂O₂敏感，而线粒体mMDH缺乏此特性。

此外，OxiPTMs改变了相关酶的区室定位。依赖于其催化Cys残基氧化修饰的GAPC，其核定位显著增加。在低温胁迫下，植物中诱导产生的H₂O₂介导ENO2的Cys408发生磺酰化，促进其寡聚体形成和核转位，增强其与冷胁迫关键调控基因CBF1的结合与激活。

结论与展望

面对植物所处的复杂动态环境，关于CCM如何在同时暴露于多种环境因素的情况下支持生存机制，仍存在未探索的领域。由于ROS的特异性，ROS介导的PTMs在胁迫早期和晚期如何随时间变化，以及在不同细胞区室中如何独立且交互地运作，目前尚不清楚。作为ROS影响CCM的关键机制之一，不同水平的ROS介导的PTMs如何进一步调控CCM也仍是未知数。此外，CCM是否通过PTMs反馈调节ROS稳态仍需验证。

未来的研究应通过以下方式设计针对非生物胁迫适应的ROS-PTM-CCM网络：1）确定联合胁迫下ROS-PTM-CCM的时空动态；2）对CCM酶中的PTM位点进行工程化改造，以支持抗逆作物的开发；3）实现对CCM酶的靶向化学调控。