非生物逆境對植物抗壞血酸過氧化物酶作用的影響研究進(jìn)展

摘要：指出了植物抗壞血酸過氧化物酶（Ascorbate peroxidase， APX）含有高度保守的氨基酸殘基，分為葉綠體型同工酶和非光合器官型同工酶，以各自特異方式調(diào)控細(xì)胞內(nèi)過氧化氫（H2O2）濃度。APX基因編碼區(qū)同源性較高，表達(dá)具有組織特異性，響應(yīng)H2O2、熱激轉(zhuǎn)錄因子（Heat shock factors， HSFs）等信號(hào)因子調(diào)節(jié)，可調(diào)控脅迫相關(guān)蛋白和轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。非生物逆境脅迫下，過量表達(dá)APX，可有效清除物體內(nèi)活性氧（reactive oxygen species， ROS），減輕過氧化損傷，提高植物抵御逆境的能力。

關(guān)鍵詞：抗壞血酸過氧化物酶；非生物逆境；活性氧；基因表達(dá)

中圖分類號(hào)：O157.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2014）10008303

1植物APX的酶學(xué)、分子特征及組織特

異性表達(dá)植物在生長發(fā)育過程中易受干旱、高低溫、鹽堿、重金屬、強(qiáng)光、澇害等非生物脅迫因子的影響，細(xì)胞內(nèi)累積大量的ROS自由基，膜脂被過氧化，膜系統(tǒng)遭破壞，細(xì)胞功能紊亂。APX對抗壞血酸專一性極高，是谷胱甘肽循環(huán)中的關(guān)鍵酶，分布于胞質(zhì)（cytosolic APX， cAPX）、葉綠體（chloroplasts APX， chlAPX）、微體及線粒體膜，催化H2O2還原為H2O[1]。植物可通過調(diào)節(jié)APX，調(diào)控細(xì)胞中的氧化還原信號(hào)，響應(yīng)非生物逆境。

1.1植物APX酶特性

高等植物APX同工酶含有6個(gè)高度保守氨基酸殘基，是血紅素配體結(jié)合的必需功能機(jī)團(tuán)。cAPX與chlAPX區(qū)別較大，二者分子量和含量不同，chlAPX比cAPX PH適應(yīng)范圍相對較低，但在抗壞血酸氧化還原過程中專一性更高，對抑制劑也更加敏感。植物在氧化脅迫下，H2O2會(huì)使chlAPX快速失活，cAPX和微體APX同工酶雖然序列和結(jié)構(gòu)與chlAPX相似，但對H2O2耐受力卻遠(yuǎn)強(qiáng)于chlAPX[2]。chlAPX中基質(zhì)APX（stroma APX， sAPX）和類囊體膜APX（thylakoid-bound APX， tAPX），在許多植物中由同一基因編碼，是不同剪切方式產(chǎn)生的同工酶，而擬南芥中是被各自核基因編碼[3]。APX同工酶可能以各自特異性方式進(jìn)行調(diào)控，其表達(dá)量與H2O2濃度處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，不同定位的APX在H2O2清除中可能發(fā)揮著不同作用[4，5]。

1.2植物APX基因信息

目前，已在40多個(gè)物種中擴(kuò)增出APX同工酶基因，多數(shù)為單拷貝，組間基因編碼區(qū)核苷酸同源性較高，而3-端非編碼區(qū)同源性低，包含9個(gè)內(nèi)含子，氨基酸為單體結(jié)構(gòu)。chlAPX mRNA全長約1500多bp，cAPX mRNA全長超過1000bp。擬南芥cAPX由小的多基因家族編碼[6]，草莓cAPX報(bào)道是由多個(gè)等位基因共顯性表達(dá)調(diào)控[7]。

1.3植物APX組織特異性表達(dá)

植物不同組織、部位的APX活性差異明顯，黃芩不同組織中APX總活力大小依次為頂芽>葉片>根>種子>花瓣[8]?！S香草莓Faapx-c可在植株不同組織部位表達(dá)，果實(shí)中表達(dá)量最高，且從小綠期開始隨果實(shí)發(fā)育逐漸增加[9]。番茄果實(shí)成熟后期和小麥衰老葉片中，CAT活性降低到低水平或CAT活性比APX下降得早，表明植物衰老進(jìn)程可調(diào)節(jié)APX基因表達(dá)，在成熟果實(shí)、衰老葉片中APX比CAT在H2O2代謝中起更重要作用[10，11]。

2植物APX響應(yīng)逆境的調(diào)控方式

2.1植物APX及其編碼基因響應(yīng)逆境的調(diào)節(jié)表達(dá)

植物受到逆境脅迫后，APX活性同其它ROS清除酶一起被增強(qiáng)，APX中cAPX對環(huán)境敏感，響應(yīng)最高[12]。強(qiáng)光脅迫早期，擬南芥中cAPX同源基因（APX1，APX2）表達(dá)受H2O2和光電子傳遞中氧化還原變化系統(tǒng)調(diào)節(jié)增強(qiáng)[13]。植物APX的表達(dá)與HSFs及H2O2的調(diào)節(jié)密切相關(guān)，如，擬南芥APX1啟動(dòng)子區(qū)含有特定熱激響應(yīng)元件，可與番茄HSFs結(jié)合，調(diào)控?zé)崦{迫下基因表達(dá)[14]。擬南芥中缺失HsfA2后，即使在高溫、強(qiáng)光復(fù)合脅迫下，APX2不表達(dá)，而HsfA2超量表達(dá)后，APX2可誘導(dǎo)表達(dá)，APX2的表達(dá)也受HsfA3調(diào)控，而HsfA3在轉(zhuǎn)錄水平又被脫水響應(yīng)元件結(jié)合因子調(diào)控[15， 16]。受熱脅迫誘導(dǎo)的H2O2可有效調(diào)控HSF與APX啟動(dòng)子熱響應(yīng)元件結(jié)合，誘導(dǎo)擬南芥APX表達(dá)[17]。過高濃度的H2O2還可破壞APX催化中間產(chǎn)物-化合物I的血紅素輔基，抑制APX的活性[18]。此外APX的表達(dá)還受水楊酸、Ca2+、NO等物質(zhì)的調(diào)節(jié)。

2.2植物APX響應(yīng)逆境的信號(hào)傳導(dǎo)和調(diào)控其它基因

的表達(dá)逆境下植物體內(nèi)產(chǎn)生的H2O2可作為脅迫信號(hào)，參與依賴ABA途徑和非ABA途徑調(diào)節(jié)的氣孔運(yùn)動(dòng)，而APX作為H2O2代謝中的關(guān)鍵酶，可調(diào)節(jié)H2O2的濃度，調(diào)控H2O2處于精細(xì)的平衡狀態(tài)，使其有利作為第二信使[19，20]。擬南芥APX1敲除后，可誘導(dǎo)脅迫相關(guān)蛋白和轉(zhuǎn)錄因子上調(diào)表達(dá)及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白的表達(dá)，在光脅迫下，還可增強(qiáng)熱激蛋白的誘導(dǎo)[21]。

3APX在基因工程中提高植物的耐逆性

作用 3.1APX基因表達(dá)增強(qiáng)植物的耐鹽性

鹽離子可造成植物體內(nèi)ROS產(chǎn)生，使膜脂或膜蛋白過氧化，破壞膜結(jié)構(gòu)，增加質(zhì)膜透性。APX基因的表達(dá)，有助于清除植物體內(nèi)鹽離子脅迫產(chǎn)生的自由基，提高植物的耐鹽能力。鹽地堿蓬葉片內(nèi)SsAPX經(jīng)鹽脅迫后表達(dá)量增加，酶活也相應(yīng)增加，可保護(hù)鹽地堿蓬免遭氧化損傷[22]。紫花苜蓿中超量表達(dá)水稻OsAPx2后，轉(zhuǎn)基因植株比野生型在清除H2O2和耐鹽性方面都有所提高[23]。鹽脅迫下，轉(zhuǎn)正義番茄LetAPX的煙草比野生型發(fā)芽率、鮮干重、APX酶活性、凈光合速率和PSⅡ最大光化學(xué)效率均提高，有助于增強(qiáng)煙草的耐鹽能力和抗氧化性[24]。endprint

3.2APX基因表達(dá)提高植物的耐旱性

植物在遭受干旱脅迫后，ROS代謝破壞，生物大分子受到損害，代謝紊亂，生長受到抑制。APX作為葉綠體和胞質(zhì)中清除H2O2的關(guān)鍵酶，其表達(dá)量的大小直接影響植物耐逆能力的強(qiáng)弱。研究表明，玉米在干旱、高溫及二者復(fù)合脅迫下，體內(nèi)APX等ROS清除酶活性提高，隨著脅迫時(shí)間延長，APX活性被誘導(dǎo)顯著增強(qiáng)[25]。干旱條件下，甘薯內(nèi)同時(shí)正義表達(dá)Cu/Zn SOD和APX后，可有效提高植株的抗氧化能力，減輕水分脅迫受損程度，復(fù)水后，復(fù)壯能力更強(qiáng)[26]。煙草中過表達(dá)MsAPX2，耐干旱能力同樣增強(qiáng)[27]。轉(zhuǎn)APX菊苣在干旱條件下，APX活性、葉片相對含水量、幼苗根系生長量、葉綠素和葉片脯氨酸含量均高于野生型，而丙二醛含量降低，表明轉(zhuǎn)基因菊苣有一定的耐旱能力，通過有效清除活性氧在增強(qiáng)植物的耐逆能力中起一定作用[28]。棗樹ZjAPX基因在干旱和鹽脅迫下誘導(dǎo)表達(dá)，在一定時(shí)間和濃度范圍內(nèi)，隨著處理強(qiáng)度的加大表達(dá)量增加，可減輕鹽和干旱危害帶來的損傷[29]。

2014年10月綠色科技第10期

弓鵬娟：非生物逆境對植物抗壞血酸過氧化物酶作用的影響研究進(jìn)展植物與植被

3.3APX基因表達(dá)提高植物的其它非生物脅迫能力

在光、熱、低溫等非生物脅迫信號(hào)誘導(dǎo)下，植物APX基因組織特異性啟動(dòng)子存在順式作用元件，識(shí)別相應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子，響應(yīng)環(huán)境刺激，調(diào)控基因表達(dá)。水稻幼苗中受熱激誘導(dǎo)的APXa基因表達(dá)，可能會(huì)減輕冷脅迫帶來的傷害[30]。擬南芥葉片cAPX，尤其tAPX表達(dá)對光破壞防護(hù)和光氧化脅迫下的基因調(diào)控起重要作用[31]。超量表達(dá)擬南芥tAPX，能增加由百草枯引起的氧逆境抗性[32]。低溫脅迫下，轉(zhuǎn)正義LetAPX番茄幼苗生長量明顯高于野生型，超量表達(dá)LetAPX可提高番茄的耐低溫能力[33]。

4展望

目前，利用基因工程技術(shù)手段，通過增強(qiáng)APX基因表達(dá)，提高植物耐逆性已經(jīng)取得較大進(jìn)展。綜合上述非生物逆境對植物APX作用的影響研究進(jìn)展，今后的探索不僅僅局限于對植物APX的單一克隆和蛋白分析，逆境誘導(dǎo)的APX家族基因之間的相互關(guān)系，以及APX與其相關(guān)的逆境響應(yīng)因子間的互作和代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的分析將成為研究的熱點(diǎn)。此外，APX參與的逆境脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和啟動(dòng)子相關(guān)研究也將成為研究重點(diǎn)。

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