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氢气农业植物作用的研究的巨大意义

植物通常在次优条件下生长，植物胁迫对全球农业有重大的不利影响。因此未来的粮食安全将依赖于更好的植物生长和更高的生产能力，在人口的增长和对食物的需求增加的情况下粮食供应显得更加重要。

已经证明，气候变化驱动的非生物压力导致粮食损失生产力下降，危及未来粮食安全，导致全球农产品成本损失估计超过170美元，每年大约10亿美元。通过抗植物胁迫以提高植物生长和生产力，开发简单和廉价的解决方案，是应对这一挑战的重要策略。

氢是宇宙中含量轻和多的元素，宇宙质量大约75%是由氢组成。在标准压强和温度条件下，氢气是高度可燃、无色无味无臭的双原子气体分子。独立氢原子在大气中含量稀少，主要是氢分子形式存在。氢气是电中性非极性分子，曾经被认为生理相对惰性分子。氢气能从植物组织内释放，这是许多年前就被学术过。近研究表明氢气具有抗凋亡抗氧化损伤效应，氢气的重要生物医学地位被确定。另外，在不同类型生物如、绿藻和高等植物组织内氢气能代谢被广泛（Russell et al. 2020)。

不同级别生物体系细胞具有制造氢气的能力说明氢气在非常大跨度生物系统中的重要地位。和真核细胞都具有合成氢气的能力更说明氢气生物价值的普遍性。一般来说，生物体系能合成的物质都可以对生物体产生作用，这符合生物体系自身稳定调节的需要。因为产生某种物质意味着这种代谢过程的活跃程度，产物一般会对产生过程发挥负向调节。

虽然氢气在植物细胞内产生过程仍然不清楚，但在植物和动物研究中氢气的生理调节作用和机制越来越多被理解。在适应和发育过程中，氢气的信号整合作用开始被认识。在植物中，氢气不仅具有基因表达调节作用，而且具有信号传导作用，参与管理多种应激反应。氢气参与管理的应激反应因子包括冷、金属、紫外线、高光照和高盐等(Cui et al. 2020)。因此，进一步理解氢气参与细胞应激反应，提高细胞耐受应激能力，对于将来氢气在农业植物领域的应用具有重要意义。

这里所谓植物的生理学效应主要是指生长发育，抗胁迫作用类似抗毒效应或抗病能力或药理作用。无论是生理作用，还是药理作用，都是氢气对植物具有强大生物作用的体现。结合氢气产生能力和生理作用，氢气在植物世界的生物学地位是非常高的。

一、植物能产氢气

植物细胞能产生氢气，这种内源性氢气也能对植物细胞产生作用，补充外源性氢气也能对植物细胞发挥作用。内源性氢气产生应该是由氢化酶（Russell et al. 2020)(Fig. 1)。氢化酶和固氮酶是金属蛋白复合物，能催化制造氢气或分解氢气的可逆代谢过程。在某些如生长素、脱落酸、茉莉酸和乙烯等作用下，植物内源性氢气产量增加（Cao et al. 2017)。

例如，豆科根瘤菌作为固氮酶的专性副产物，在生物固氮过程中促进根瘤内氢气的生成 (Golding and Dong 2010)。在这个过程中，氢气从根瘤中释放出来，导致根表面周围氢气浓度的升高。根际氢气增加会对植物生长产生有益影响，导致植物生物量增加15-48%，这一现象被称为氢肥效应(Dong et al. 2003)。此外，植物在干旱和盐胁迫等非生物胁迫条件下，氢气产量也会增加，表明氢气可能在胁迫信号传导中也发挥重要作用(Zeng et al. 2013)。