植物叶片抗氧化系统及其对逆境胁迫的响应研究进展

氧气是植物生命活动中必不可缺少的物质之一， 它参与新陈代谢、线粒体的呼吸和氧化磷酸化，产生 能量 ＡＴＰ，是植物生命存在的基础物质之一。然而氧 气在参与新陈代谢的过程中会被活化成为超氧物阴 离子自由基、羟基自由基、过氧化氢、脂质过氧化物和 单线态氧，即通常所说的活性氧［１］。这些活性氧以极 强的氧化性对细胞质膜进行过氧化，导致膜系统损 伤，造成代谢功能不可修复的丧失和细胞死亡［２，３］。植 物为保证其正常的代谢机能，本身对活性氧的氧化伤 害具有相应的适应和抵御能力，表现在其体内存在着 一套精细而又复杂的抗氧化系统负责对活性氧的抵 御和清除。正常情况下，植物体内的活性氧产生和清 除处于一种动态平衡状态。当植物处于逆境条件下，
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Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ Ｖｏｌ．２３ Ｎｏ． １ ２００７ Ｊａｎｕａｒｙ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃａｓｂ．ｏｒｇ．ｃｎ
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超氧化物歧化酶（ ＳＯＤ）是生物体内特异清除超 氧阴离子自由基的酶，它是一种含金属的酶，根据金 属 辅 助 因 子 的 不 同 ， 植 物 体 内 的 ＳＯＤ 可 分 为 Ｃｕ／Ｚｎ－ＳＯＤ、Ｆｅ－ＳＯＤ、Ｍｎ－ＳＯＤ 三种类型［４］。烟草叶片 ＳＯＤ 同工酶的形式受其发育阶段的调控， 幼 叶 中 Ｃｕ／ Ｚｎ－ＳＯＤ 较为丰富，其活性随叶龄增加而下降； 而老叶中主要为 Ｆｅ－ＳＯＤ 和 Ｍｎ－ＳＯＤ［５］。
过氧化氢酶（ＣＡＴ）是一种包含血红素的 ４ 聚体 酶，存在于所有的植物细胞中，它可将 Ｈ２Ｏ２ 迅速分解 为 Ｈ２Ｏ 和 Ｏ２。ＣＡＴ 在细胞中主要存在于过氧化体中， 负责清除过氧化体中产生的 Ｈ２Ｏ２。乙醛酸体中也有 发现 ＣＡＴ 的存在，其功能主要是清除光呼吸过程或 脂肪酸 β－ 氧化反应形成的 Ｈ２Ｏ２［８，９］。ＣＡＴ 由多基因 编码，存在多个同系物，烟草的 ３ 种 ＣＡＴ 基因编码的 蛋白质的功能已得到确证。ＣＡＴｌ 基因产物主要清除 光呼吸过程中产生的 Ｈ２Ｏ２，ＣＡＴ２ 基因产物可特异的 清除活性氧胁迫过程中产生的 Ｈ２Ｏ２，ＣＡＴ３ 基因产物 主 要 清 除 乙 醛 酸 循 环 体 中 脂 肪 酸 β－ 氧 化 产 生 的 Ｈ２Ｏ２［１０］。由于 Ｈ２Ｏ２ 可以直接跨膜扩散，其他部分产生 的 Ｈ２Ｏ２ 也可扩散到过氧化体中而被 ＣＡＴ 分解，它与 ＳＯＤ 协 同 作 用 可 清 除 植 物 体 内 潜 在 危 害 的 Ｏ２．－ 和 Ｈ２Ｏ２，从而最大限度的减少了·ＯＨ 的形成。ＣＡＴ 不直 接参与 Ｈ２Ｏ２ 分解过程，它的清除机理是酶的血红素 铁与 Ｈ２Ｏ２ 反应生成铁过氧化物活性体，它再将 １ 分 子的 Ｈ２Ｏ２ 氧化［１０］。由于 ＣＡＴ 对 Ｈ２Ｏ２ 的 Ｋｍ 值大，因 此为了除去低浓度的 Ｈ２Ｏ２ 就需要提供相当高浓度的 ＣＡＴ 才能实现。但从实际情况看，过氧化物体中有着 高浓度的 ＣＡ（Ｔ ４ｍｍｏｌ／ｌ）存在，所以 ＣＡＴ 也担负着相 当数量的 Ｈ２Ｏ２ 清除任务。
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能力。但也有研究指出，ＧＳＨ 的大量增加可进一步造 成更大程度的氧化胁迫［１５］。
叶绿体通过 ＡＳＡ－ＧＳＨ 循环清除 Ｈ２Ｏ２ 和 Ｏ２．－，在 该循环中 ＧＳＨ 和 ＡＳＡ 一起清除叶绿体中的 Ｈ２Ｏ２。 ＧＳＨ 可与包括·ＯＨ 在内的多种自由基直接发生反 应，并可将有机自由基 Ｒ 还原为 ＲＨ。还原型的谷胱 甘肽对稳定多种酶起重要作用，作为自由基清除剂有 时可代替双脱氢抗坏血酸还原酶 ＤＲ 行使其功能。 １９９１ 年 Ｄｈｉｎｄｓａ 在抗旱苔藓中发现氧化型谷胱甘肽 ＧＳＳＧ 含量与膜脂过氧化相关联，并建议用 ＧＳＳＧ 水 平作为氧化胁迫的指标。还原剂 ＧＳＨ 可将系统中产 生 的 双 脱 氢 抗 坏 血 酸 ＤＨＡ 还 原 成 ＡＳＡ，ＧＳＳＧ 在 ＧＲ 作用下又还原成 ＧＳＨ，ＧＳＨ 还能与 α－ 生育酚协 同作用，清除细胞内积累的自由基。
抗坏血酸过氧化物酶 （ＡＰＸ） 以过氧化氢为氧化 剂催化抗坏血酸形成 ＭＤＨＡ。对此已经分离出三种 同工酶（胞质同工酶 ｃＡＰＸ 和叶绿体中的 ＡＰＸ：叶绿 体基质中的可溶性 ｓＡＰＸ 和叶绿体类囊体中膜结合 形式的 ｔＡＰＸ）。１９９５ 年还发现一种过氧化物体结合性 的 ＡＰＸ。叶绿体中 ｔＡＰＸ 和 ｓＡＰＸ 以相近的克分子比 存在。胞质 ＡＰＸ 和叶绿体 ＡＰＸ 的电子供体不同，内 部序列也有差异。ＡＰＸ 约为 ３０ｋＤａ，一般以单体形式 存在，有些 ｃＡＰＸ 也会出现同型二聚体。该酶也可受 活性氧调节。此外还有愈创木酚过氧化物酶（ＧＰＸ）和 谷胱甘肽过氧化物酶等过氧化物酶［１２］。在线粒体的过 氧化物酶体中，ＡＰＸ、ＭＤＡ 还原酶、脱氢 ＡＳＡ 还原酶 加上谷胱甘肽还原酶，它们一起称为抗坏血酸 － 谷胱 甘肽循环，用于清除 Ｈ２Ｏ２。 １．２ 非酶促清除系统— ——抗氧化剂类
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的响应研究进展
尹永强 １， 胡建斌 ２， 邓明军 １ （１ 广西壮族自治区河池市烟草公司烟叶部，河池 ５４７０００；２ 广西中烟工业公司技术中心，南宁 ５３０００１）
摘 要： 植物体内存在着一套负责清除活性氧产生的抗氧化系统。在植物正常生长情况下， 它使活性 氧的产生和清除处于动态平衡状态。在逆境条件下， 体内抗氧化系统清除活性氧能力下降， 这种平衡 被打破。综述了植物叶片内存在的抗氧化系统及其防御机制， 重点论述了植物叶片抗氧化系统对干 旱 、低 温 、重 金 属 等 逆 境 胁 迫 的 响 应 。 并 基 于 以 上 研 究 提 出 了 一 些 需 要 进 一 步 研 究 的 问 题 。 关键词： 植物叶片； 抗氧化系统； 水分胁迫； 低温胁迫； 重金属胁迫 中图分类号： Ｑ９４５．１７ 文献标识码： Ａ
Ｌａｔｅｓｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ａｎｔｉｏｘｉｄａｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｔｏ Ｓｔｒ ｅｓｓ ｉｎ Ｐｌａｎｔ Ｌｅａｖｅｓ Ｙｉｎ Ｙｏｎｇｑｉａｎｇ１，Ｈｕ Ｊｉａｎｂｉｎ２， Ｄｅｎｇ Ｍｉｎｇｊｕｎ１
（ １ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｏｂａｃｃｏ Ｌｅａｆ， Ｈｅｃｈｉ Ｔｏｂａｃｃｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｕａｎｇｘｉ， Ｈｅｃｈｉ ５４７０００； ２ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｇｕａｎｇｘｉ Ｔｏｂａｃｃｏ ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｎａｎｎｉｎｇ ５３０００１）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｐｌａｎｔ ｈａｄ ｉｔｓ ａｎｔｉｏｘｉｄａｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈａｔ ｃｏｕｌｄ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｏｘｙｇｅｎ． Ｎｏｒｍａｌ－ ｌｙ， ｔｈｅ ａｎｔｉｏｘｉｄａｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｄｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｉｎ ａ ｂａｌａｎｃｅａｂｌｅ ａｎｄ ｄｙ－ ｎａｍｉｃ ｓｔａｔｅ ｉｎ ｐｌａｎｔｓ． Ｂｕｔ ｔｈｅ ｂａｌａｎｃｅａｂｌｅ ｓｔａｔｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｓｔｒｏｙｅｄ ｉｎ ａ ａｄｖｅｒｓｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ａ－ ｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｗｏｕｌｄ ｗｅａｋｅｎ． Ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ａｄｖａｎｃｅｓ ｏｆ ａｎｔｉｏｘｉｄａｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ． Ａｎｔｉｏｘｉｄａｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｔｏ ｗａｔｅｒ， ｍｅｔａｌ ｃｏｅｒｃｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｃｏｌｄ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｐｌａｎｔ ｌｅａｖｅｓ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｌｌ ａｂｏｖｅ， ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｎｅｅｄｅｄ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｐｌａｎｔ ｌｅａｖｅｓ， Ａｎｔｉｏｘｉｄａｎｔ ｓｙｓｔｅｍ， Ｗａｔｅｒ ｓｔｒｅｓｓ， Ｃｏｌｄ ｓｔｒｅｓｓ， Ｍｅｔａｌ ｃｏｅｒｃｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ
非酶促清除系统主要指抗坏血酸 ＡＳＡ 与类胡萝 卜素 Ｃａｒ 以及一些含巯基的低分子化合物（如还原型 谷胱甘肽 ＧＳＨ）等，它们通过多条途径直接或间接地 猝灭活性氧。
ＡＳＡ 存在于叶绿体基质中，是 Ｏ２．－ 和·ＯＨ 的有 效清除剂，同时也是单线态氧（１Ｏ２）的猝灭剂。它可以 清除膜脂过氧化过程中产生的多聚不饱和脂肪酸 （ＰＵＦＡ）自由基［１３］。它不仅可以在 Ｈａｌｌｉｗｅｌｌ－Ａｓａｄａ 循环 中作为 ＡＰ 的底物，还可以作为抗氧化剂直接清除活 性氧。ＡＳＡ 可还原 Ｏ２．－，清除·ＯＨ，猝灭 １Ｏ２，歧化 Ｈ２Ｏ２，还可再生 ＶＥ［１４］。由于 ＡＳＡ 有多种抗氧化功能， 故有人认为 ＡＳＡ 水平的降低可作为植物抗氧化能力 总体衰退的指标。
过氧化物酶（ ＰＯＤ）广泛存在于植物体内不同组 织中，它作为活性较高的适应性酶，能够反映植物生
长发育的特点、体内代谢状况以及对外界环境的适应 性。ＰＯＤ 的作用具有双重性，一方面，ＰＯＤ 可在逆境 或衰老初期表达，可清除 Ｈ２Ｏ２，表现为保护效应，为 细胞活性氧保护酶系统的成员之一；另一方面，ＰＯＤ 也可在逆境或衰老后期表达，参与活性氧的生成、叶 绿素的降解，并能引发膜脂过氧化作用，表现为伤害 效应，是植物体衰老到一定阶段的产物，甚至可作为 衰老指标。一般认为其主要作用在于后者［１１］。
ＳＯＤ 可以催化两个 Ｏ２．－ 发生歧化反应，生成 Ｈ２Ｏ２ 和 Ｏ２。Ｈ２Ｏ２ 虽然是一种比 Ｏ２．－ 毒性低的活性氧，但在 Ｏ２．－ 存 在 条 件 下 Ｈ２Ｏ２ 会 生 成 毒 性 非 常 强 的·ＯＨ ［６］。 ＳＯＤ 在清除 Ｏ２．－ 的同时还能阻止 Ｆｅ３＋ 重新受 Ｏ２．－ 作 用 还 原 生 成 Ｆｅ２＋ 而 催 化 Ｆｅｎｔｏｎ 反 应 产 生 更 多 的· ＯＨ［７］。ＳＯＤ 主要存在细胞溶质中（ 以 Ｃｕ／Ｚｎ－ＳＯＤ 为 主）， 其 次 分 布 在 线 粒 体 中（ 以 Ｍｎ－ＳＯＤ 为 主）， Ｆｅ－ＳＯＤ 主要分布于基质中，少量存在膜间介质中［１］。 线粒体内膜呼吸链是植物体内产生 Ｏ２．－ 的重要来源， 包围在线粒体内膜两侧的基质和膜间介质存在大量 ＳＯＤ，使内膜产生的 Ｏ２．－ 及时被清除。一般认为，这 ３ 种酶都是核编码的，如果细胞某个部位需要，就通过 －ＮＨ２ 末端定位顺序运至该细胞中起作用［８］。