DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1774033
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41868509
تاريخ النشر: 2026-03-06
المؤلف: Ranran Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للضغط والتحمل
نظرة عامة
تلعب الأنواع التفاعلية من الأكسجين (ROS) دورًا حاسمًا في استجابة النباتات للإجهاد غير الحيوي، حيث تعمل كمنتجات ثانوية ضارة وجزيئات إشارة أساسية. تسلط هذه المراجعة الضوء على الطبيعة المزدوجة للـ ROS، مع التأكيد على مشاركتها في نمو النباتات وتطورها في الظروف الطبيعية، فضلاً عن أدوارها المحددة للإجهاد التي يمكن أن تؤدي إلى إشارة تكيفية أو ضرر أكسدي. يستكشف المؤلفون بشكل منهجي آليات إنتاج الـ ROS عبر مختلف أنواع الإجهاد غير الحيوي، بما في ذلك الجفاف، والملوحة، ودرجات الحرارة القصوى، والمعادن الثقيلة، والأشعة فوق البنفسجية، والأوزون. كما يناقشون التقنيات المتقدمة للكشف عن الـ ROS في الجسم الحي التي تعزز فهمنا لديناميات الـ ROS على المستويات الخلوية الفرعية، مما يسهل دراسة توازن الأكسدة والاختزال في النباتات.
تختتم المراجعة بالتأكيد على أهمية دمج تقنيات الكشف المختلفة لمراقبة ديناميات الـ ROS بدقة. وتدعو إلى نهج بحثي متعدد الأوجه يجمع بين التصوير الحي مع متعدد الأوميات لفك شفرات الشبكات التنظيمية التي تحكم توازن الـ ROS. تشمل الاتجاهات المستقبلية تطوير مجسات أكثر تحديدًا وثباتًا، واستخدام أدوات تحرير الجينات لتعديل مكونات شبكة الـ ROS لتحسين مقاومة المحاصيل، واستكشاف المواد النانوية المتوافقة حيويًا لتعديل إشارة الـ ROS. هذا النموذج البحثي المتطور يغير التركيز من مجرد التخلص من الـ ROS إلى تنظيم الإشارات بدقة، بهدف تعزيز تكيف النباتات مع الإجهاد والمساهمة في الأمن الغذائي وسط التحديات المناخية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات الحرجة التي تفرضها الزيادة السكانية العالمية وتغير المناخ على الأمن الغذائي، خاصة من خلال عدسة الضغوط غير الحيوية مثل الجفاف، والملوحة، ودرجات الحرارة القصوى. تعيق هذه الضغوط بشكل كبير نمو المحاصيل وإنتاجيتها، مما يستلزم فهمًا أعمق لاستجابات النباتات للإجهاد. في صميم هذا الفهم هو دور الأنواع التفاعلية من الأكسجين (ROS)، التي، على الرغم من أنها كانت تُعتبر تقليديًا منتجات ثانوية ضارة لعملية الأيض، إلا أنها تُعترف الآن كجزيئات إشارة حيوية تنظم عمليات فسيولوجية مختلفة في النباتات، بما في ذلك النمو، وإشارات الهرمونات، والتكيف مع التغيرات البيئية.
في الظروف الطبيعية، يتم إنتاج الـ ROS بمستويات منخفضة من خلال عمليات مثل التنفس الميتوكوندري والتمثيل الضوئي، حيث تعمل كرسائل ثانوية في وظائف حيوية مثل حركة الثغور والمقاومة المكتسبة النظامية. ومع ذلك، تؤدي ظروف الإجهاد إلى زيادة إنتاج الـ ROS، مما يؤدي إلى إجهاد أكسدي يمكن أن يتسبب في تلف الجزيئات الحيوية الأساسية ويعيق نمو النباتات. لمواجهة ذلك، طورت النباتات أنظمة دفاع مضادة للأكسدة معقدة، تشمل مكونات إنزيمية وغير إنزيمية، للحفاظ على توازن الـ ROS. تهدف هذه المراجعة إلى تلخيص التقدمات الأخيرة في فهم مسارات إنتاج الـ ROS، وأدوارها المزدوجة في الإشارة والضرر الأكسدي، والشبكات التنظيمية التي تدير الاستجابات المضادة للأكسدة تحت أنواع مختلفة من الضغوط. تهدف النتائج إلى إبلاغ استراتيجيات تطوير محاصيل مقاومة للإجهاد وتعزيز الممارسات الزراعية المستدامة.
طرق
تناقش هذه الفقرة الطرق التقليدية للكشف عن الأنواع التفاعلية من الأكسجين (ROS) من خلال تقنيات الصبغ الهيستوكيميائي. تسهل هذه الطرق، مثل استخدام 3،3′-ديامينوبنزيدين (DAB) ونتروبلو تيترازوليوم (NBT)، التحليلات النوعية وشبه الكمية من خلال إنتاج تفاعلات لونية مميزة مع ROS محددة. على سبيل المثال، يتفاعل DAB مع بيروكسيد الهيدروجين ($H_2O_2$) ليعطي راسب بني، بينما يتم تقليل NBT بواسطة سوبر أكسيد ($O_2^{•-}$) لتكوين راسب أزرق من الفورمازان. تُلاحظ هذه التقنيات لسهولة استخدامها، وفعاليتها من حيث التكلفة، وقدرتها على تصور تراكم الـ ROS على مستويات بيولوجية مختلفة، كما يتضح من زيادة صبغ DAB في خلايا الميزوفيل للأرز تحت ضغط الملح.
ومع ذلك، فإن قيود هذه الطرق التقليدية كبيرة. فهي مقيدة بأنواع معينة من الـ ROS ولا يمكنها التمييز بين الأنواع التفاعلية الأخرى، مثل الجذور الهيدروكسيلية ($•OH$) أو الأكسجين المفرد ($¹O_2$). بالإضافة إلى ذلك، فإن الاعتماد على التفسير الذاتي والدقة الكمية المحدودة يعيق فعاليتها في المراقبة الديناميكية للـ ROS. تشمل الأساليب الكمية البديلة، مثل الطيف الضوئي، والوميض الكيميائي، والكيمياء الكهربائية، بينما تكون أكثر دقة، إلا أنها تؤثر على سلامة الخلايا بسبب تجانس الأنسجة، مما يؤدي إلى عدم القدرة على عكس ديناميات الـ ROS بدقة في النباتات الحية.
مناقشة
تتناول فقرة المناقشة في ورقة البحث توليد وأدوار الأنواع التفاعلية من الأكسجين (ROS) تحت ظروف الإجهاد غير الحيوي المختلفة في النباتات. تسلط الضوء على أن إنتاج الـ ROS يتزايد بشكل كبير بسبب الاضطرابات في سلاسل نقل الإلكترون والاختلالات الأيضية، مع مصادر محددة تشمل البلاستيدات الخضراء، والميتوكوندريا، والبروكسيسومات، والأغشية البلازمية. تؤكد الورقة أنه بينما تظل المصادر الأساسية للـ ROS ثابتة، فإن المحفزات وشدة إنتاجها تعتمد على الإجهاد. على سبيل المثال، خلال إجهاد الجفاف، يؤدي إغلاق الثغور إلى تقليل تدفق CO₂، مما يؤدي إلى زيادة اختزال سلسلة نقل الإلكترون الضوئي (PETC) وزيادة إنتاج الـ ROS، وخاصة أيون السوبر أكسيد (O₂•⁻) والأكسجين المفرد (¹O₂). وبالمثل، يؤدي إجهاد الملح إلى إنتاج الـ ROS من خلال سمية أيونية وإجهاد أوسموزي، بينما تؤدي درجات الحرارة العالية إلى إضعاف وظيفة نظام التمثيل الضوئي II والميتوكوندريا، مما يزيد من تراكم الـ ROS.
تناقش الفقرة أيضًا الدور المزدوج للـ ROS كجزيئات إشارة وعوامل للضرر الأكسدي. عند تركيزات منخفضة، تعمل الـ ROS كرسائل ثانوية حاسمة تنظم العمليات الفسيولوجية، مثل حركة الثغور والموت الخلوي المبرمج (PCD). ومع ذلك، عندما تتجاوز مستويات الـ ROS قدرة الخلايا على التخلص منها، يمكن أن تؤدي إلى إجهاد أكسدي، مما يتسبب في تلف كبير للمكونات الخلوية، بما في ذلك الدهون، والبروتينات، والحمض النووي. تؤكد الورقة على أهمية فهم المسارات والآليات المحددة لإنتاج الـ ROS تحت ظروف الإجهاد المختلفة، فضلاً عن تأثيراتها المعتمدة على التركيز على صحة النباتات وتطورها. هذه المعرفة ضرورية لتطوير استراتيجيات لتعزيز مقاومة النباتات ضد الضغوط غير الحيوية.
القيود
تسلط فقرة القيود الضوء على عدة تحديات مرتبطة بالتقنيات الحالية للكشف عن الأنواع التفاعلية من الأكسجين (ROS). تعتبر الطرق الهيستوكيميائية التقليدية، على الرغم من كونها فعالة من حيث التكلفة لتحديد مواقع ROS محددة مثل بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) وسوبر أكسيد (O₂•⁻)، ثابتة ونوعية، وتفتقر إلى القدرة على تحديد الأنواع النادرة مثل الجذور الهيدروكسيلية (•OH) أو الأكسجين المفرد (¹O₂)، ويمكن أن تكون نتائجها قابلة للتفسير الذاتي (Jambunathan, 2010; Denjalli et al., 2024).
توفر المجسات الفلورية الصغيرة، بما في ذلك H₂ DCFDA والمجسات القريبة من الأشعة تحت الحمراء مثل DRP-B وCy-Bo، حساسية عالية واختراق الأنسجة ولكن غالبًا ما تفتقر إلى التخصص لأنواع الـ ROS المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، قد تتعرض المجسات المفعلة للضوء أو تتداخل مع مواد الأكسدة والاختزال الأخرى داخل الخلايا (Ortega-Villasante et al., 2018; Zhao et al., 2023b; Jin et al., 2025). تتيح المستشعرات المشفرة جينيًا مثل HyPer وroGFP2-Orp1 المراقبة الدقيقة على المستوى الخلوي في الوقت الحقيقي؛ ومع ذلك، فإن استخدامها محدود على الأنواع القابلة للتحويل، وبعضها، مثل HyPer، عرضة لتغيرات pH (Denjalli et al., 2024). تظهر المستشعرات النانوية، مثل AIENPs@Mo/Cu-POM، حساسية فائقة وقدرات كشف متعددة ولكن تواجه صعوبات في التسليم الفعال عبر جدران خلايا النباتات وقد تثير مخاوف بشأن التوافق الحيوي على المدى الطويل بسبب إنتاج الـ ROS المحتمل من المكونات المعدنية (Zhao et al., 2024; Hu et al., 2025). يوجد تبادل ملحوظ بين تحقيق دقة مكانية وزمنية عالية والقدرة على مراقبة ديناميات الـ ROS على مساحات واسعة أو أعمق داخل الأنسجة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1774033
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41868509
Publication Date: 2026-03-06
Author(s): Ranran Liu et al.
Primary Topic: Plant Stress Responses and Tolerance
Overview
Reactive oxygen species (ROS) play a crucial role in plant responses to abiotic stress, acting as both harmful byproducts and essential signaling molecules. This review highlights the dual nature of ROS, emphasizing their involvement in plant growth and development under normal conditions, as well as their stress-specific roles that can lead to either adaptive signaling or oxidative damage. The authors systematically explore the mechanisms of ROS production across various abiotic stresses, including drought, salinity, extreme temperatures, heavy metals, ultraviolet radiation, and ozone. They also discuss the advanced technologies for in vivo ROS detection that enhance our understanding of ROS dynamics at subcellular levels, facilitating the study of plant redox homeostasis.
The review concludes by underscoring the importance of integrating various detection technologies to monitor ROS dynamics accurately. It advocates for a multi-faceted research approach that combines live imaging with multi-omics to unravel the regulatory networks governing ROS homeostasis. Future directions include developing more specific and stable probes, utilizing gene-editing tools to engineer ROS network components for improved crop resilience, and exploring bio-compatible nanomaterials to modulate ROS signaling. This evolving research paradigm shifts the focus from merely scavenging ROS to precision signaling regulation, aiming to enhance plant stress adaptation and contribute to food security amidst climate challenges.
Introduction
The introduction highlights the critical challenges posed by the growing global population and climate change on food security, particularly through the lens of abiotic stresses such as drought, salinity, and extreme temperatures. These stressors significantly hinder crop growth and yield, necessitating a deeper understanding of plant stress responses. Central to this understanding is the role of reactive oxygen species (ROS), which, despite being traditionally viewed as harmful byproducts of metabolism, are now recognized as vital signaling molecules that regulate various physiological processes in plants, including growth, hormone signaling, and acclimation to environmental changes.
Under normal conditions, ROS are produced at low levels through processes such as mitochondrial respiration and photosynthesis, serving as secondary messengers in critical functions like stomatal movement and systemic acquired resistance. However, stress conditions lead to a surge in ROS production, resulting in oxidative stress that can damage essential biomolecules and impede plant growth. To counteract this, plants have developed complex antioxidant defense systems, including both enzymatic and non-enzymatic components, to maintain ROS homeostasis. This review aims to synthesize recent advancements in understanding ROS production pathways, their dual roles in signaling and oxidative damage, and the regulatory networks that manage antioxidant responses under various stresses. The findings aim to inform strategies for developing stress-tolerant crops and enhancing sustainable agricultural practices.
Methods
The section discusses traditional methods for detecting reactive oxygen species (ROS) through histochemical staining techniques. These methods, such as the use of 3,3′-diaminobenzidine (DAB) and nitroblue tetrazolium (NBT), facilitate qualitative and semiquantitative analyses by producing distinct colorimetric reactions with specific ROS. For instance, DAB reacts with hydrogen peroxide ($H_2O_2$) to yield a brown precipitate, while NBT is reduced by superoxide ($O_2^{•-}$) to form a blue formazan precipitate. These techniques are noted for their simplicity, cost-effectiveness, and ability to visualize ROS accumulation at various biological levels, exemplified by enhanced DAB staining in rice mesophyll cells under salt stress.
However, the limitations of these traditional methods are significant. They are restricted to specific types of ROS and cannot differentiate between other reactive species, such as hydroxyl radicals ($•OH$) or singlet oxygen ($¹O_2$). Additionally, the reliance on subjective interpretation and the limited quantitative accuracy hinder their effectiveness for dynamic monitoring of ROS. Alternative quantitative approaches, including spectrophotometry, chemiluminescence, and electrochemistry, while more accurate, compromise cellular integrity due to tissue homogenization, thereby failing to accurately reflect the dynamics of ROS in living plants.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the generation and roles of reactive oxygen species (ROS) under various abiotic stress conditions in plants. It highlights that ROS production is significantly enhanced due to disruptions in electron transport chains and metabolic imbalances, with specific sources including chloroplasts, mitochondria, peroxisomes, and plasma membranes. The paper emphasizes that while the fundamental sources of ROS remain consistent, the triggers and intensity of their production are stress-dependent. For instance, during drought stress, stomatal closure leads to reduced CO₂ influx, resulting in over-reduction of the photosynthetic electron transport chain (PETC) and increased ROS generation, particularly superoxide anion (O₂•⁻) and singlet oxygen (¹O₂). Similarly, salt stress induces ROS production through ionic toxicity and osmotic stress, while high temperatures impair photosystem II and mitochondrial function, exacerbating ROS accumulation.
The section further discusses the dual role of ROS as both signaling molecules and agents of oxidative damage. At low concentrations, ROS function as crucial second messengers that regulate physiological processes, such as stomatal movement and programmed cell death (PCD). However, when ROS levels exceed the cellular scavenging capacity, they can lead to oxidative stress, resulting in significant damage to cellular components, including lipids, proteins, and DNA. The paper underscores the importance of understanding the specific pathways and mechanisms of ROS production under different stress conditions, as well as their concentration-dependent effects on plant health and development. This knowledge is vital for developing strategies to enhance plant resilience against abiotic stresses.
Limitations
The section on limitations highlights several challenges associated with current technologies for detecting reactive oxygen species (ROS). Traditional histochemical methods, while cost-effective for in situ localization of specific ROS such as hydrogen peroxide (H₂O₂) and superoxide (O₂•⁻), are static and qualitative, lacking the ability to identify rare species like hydroxyl radicals (•OH) or singlet oxygen (¹O₂), and their results can be subjectively interpreted (Jambunathan, 2010; Denjalli et al., 2024).
Small-molecule fluorescent probes, including H₂ DCFDA and near-infrared probes like DRP-B and Cy-Bo, provide high sensitivity and tissue penetration but often lack specificity for different ROS species. Additionally, functionalized probes may experience photobleaching or interference from other intracellular redox substances (Ortega-Villasante et al., 2018; Zhao et al., 2023b; Jin et al., 2025). Genetically encoded sensors such as HyPer and roGFP2-Orp1 allow for precise subcellular monitoring in real-time; however, their use is limited to transformable species, and some, like HyPer, are vulnerable to pH changes (Denjalli et al., 2024). Nanosensors, such as AIENPs@Mo/Cu-POM, demonstrate ultra-high sensitivity and multiplex detection capabilities but encounter difficulties in effective delivery across plant cell walls and may pose long-term biocompatibility concerns due to potential ROS production from metal-based components (Zhao et al., 2024; Hu et al., 2025). A notable trade-off exists between achieving high spatial and temporal resolution and the capacity to monitor ROS dynamics over extensive areas or deeper within tissues.