ROS信號(hào)分子及其在植物抗病反應(yīng)中的作用

俞祿珍，王 晨，陸 苗

(1.上海市城市建設(shè)工程學(xué)校；2.上海東郁園林科技有限公司，上海 徐匯 200232；3.常州出入境檢驗(yàn)檢疫局，江蘇 常州 213000)

ROS信號(hào)分子及其在植物抗病反應(yīng)中的作用

俞祿珍1，王 晨2，陸 苗3

(1.上海市城市建設(shè)工程學(xué)校；2.上海東郁園林科技有限公司，上海 徐匯 200232；3.常州出入境檢驗(yàn)檢疫局，江蘇 常州 213000)

綜述了ROS在植物抗病反應(yīng)中的機(jī)理及作用。

活性氧；信號(hào)分子；抗??；應(yīng)用

ROS是指一類化學(xué)性質(zhì)活潑，氧化能力很強(qiáng)的含氧物質(zhì)的總稱，包括O2·-、·OH、1O2、H2O2及脂類過氧化產(chǎn)物(脂氧自由基LO ·、脂過氧化物L(fēng)OO ·等)[1]。正常生長條件下，植物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)能保持其體內(nèi)ROS的產(chǎn)生和清除處于動(dòng)態(tài)平衡之中；而植物在生物和非生物脅迫下，體內(nèi)的抗氧化機(jī)制遭到破壞，ROS產(chǎn)生和清除的平衡遭到破壞，致使ROS過量積累，產(chǎn)生氧化迸發(fā)(oxidativeburst)現(xiàn)象[2]。

自Doke在研究馬鈴薯塊莖受晚疫病菌(Phytophthorainfestans)無毒小種侵染時(shí)首次觀察到ROS的積累以來，大量研究表明，細(xì)菌、真菌、病毒和線蟲等病原物侵染都能誘導(dǎo)植物體內(nèi)ROS的大量產(chǎn)生和積累，這也被認(rèn)為是寄主植物對(duì)病原物入侵應(yīng)答的最早反應(yīng)之一，同時(shí)，活性氧的產(chǎn)生和積累在植物與病原物親和與不親和互作中存在差異[3]。一般認(rèn)為，非親和互作中活性氧積累快且產(chǎn)生量大，且通常出現(xiàn)兩次活性氧的突增；而親和互作中活性氧含量基本不變，即使升高，也只出現(xiàn)一次突增；第二次持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長的活性氧突增僅出現(xiàn)在HR中，對(duì)HR反應(yīng)具有?；訹4]。但也有研究表明，感病寄主體內(nèi)活性氧含量的大幅升高在不同的寄主-病原物互作中呈現(xiàn)出不同的變化。如Blumeriagraminisf.sp.hordei侵染大麥后，大麥體內(nèi)出現(xiàn)三次活性氧突增。小麥?zhǔn)躍eptoriatritici侵染后，體內(nèi)也出現(xiàn)三次活性氧突增[5]。

1 ROS在植物抗病反應(yīng)中的作用

研究表明，在植物體內(nèi)ROS因積累水平的不同而起著雙重作用：高濃度下，ROS會(huì)破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、誘變DNA鏈斷裂，還攻擊細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞氧化損傷，使其喪失正常生理功能；適當(dāng)濃度下，ROS在植物的抗病反應(yīng)中起積極作用[6]。

ROS對(duì)病原物可直接起毒害作用[7]。Keppler等研究發(fā)現(xiàn)，煙草懸浮細(xì)胞接種野火病細(xì)菌(Pseudomonassyringaepv.tabaci)后，會(huì)產(chǎn)生大量活性氧，同時(shí)細(xì)菌數(shù)量明顯下降，但加入SOD 等活性氧清除劑后，細(xì)菌數(shù)量明顯增加[1]。體外的實(shí)驗(yàn)則表明，O2·-及H2O2對(duì)真菌生長具有直接毒害作用，一定濃度下可抑制真菌孢子萌發(fā)[2]。

另一方面，ROS還可作為信號(hào)分子直接或間接的激活抗性基因和防衛(wèi)基因表達(dá)[3]。研究表明，ROS可誘導(dǎo)植物體內(nèi)抗氧化酶活性的提高來抵御病原的入侵。Levin等發(fā)現(xiàn)外源H2O2可以誘導(dǎo)大豆懸浮細(xì)胞中GST轉(zhuǎn)錄明顯增加，H2O2清除劑能阻止這種效應(yīng)[3]。在水稻幼苗中的研究也表明，H2O2處理對(duì)水稻苗體內(nèi)CAT和POD活性大小的影響具有濃度效應(yīng)[8]。采用H2O2處理還可明顯提高番茄體內(nèi)CAT活性，延緩CAT活性的降低，抑制細(xì)胞膜脂過氧化反應(yīng)的發(fā)生，提高植物抗性[8]。另有研究表明，采用H2O2處理菜豆懸浮細(xì)胞，細(xì)胞內(nèi)PAL、CHS等植保素合成所需酶基因表達(dá)量上調(diào)；而使用SOD 、CAT 等活性氧清除劑處理則可有效地抑制植物中植保素的合成與積累[9]。

此外，ROS還參與了細(xì)胞壁的木質(zhì)化及蛋白質(zhì)與細(xì)胞壁的交聯(lián)作用，以此加固植物細(xì)胞壁來抵御病原物入侵。Olson和Varner 觀察到，植物受病原物侵染后組織的木質(zhì)化位點(diǎn)有H2O2合成現(xiàn)象[2]。Thorda Christensen等發(fā)現(xiàn)，大麥-白粉菌(Blumeriagraminisf.sp.hordei)互作中，H2O2在寄主細(xì)胞壁乳突產(chǎn)生的過程中起促進(jìn)作用[6]。采用病原菌激發(fā)子處理均可誘導(dǎo)黃瓜子葉中H2O2積累及木質(zhì)化的發(fā)生，而CAT處理則有效抑制H2O2的產(chǎn)生和木質(zhì)化發(fā)生[8]。Fry等還發(fā)現(xiàn)，ROS能促使細(xì)胞壁上酚類物質(zhì)交聯(lián)形成聚合體，提高細(xì)胞壁強(qiáng)度，抵御病原物入侵[2]。

研究表明，活性氧還可誘發(fā)植物過敏反應(yīng)的發(fā)生。王源超研究表明，在棉疫菌(P.boehmeria)蛋白激發(fā)子誘發(fā)煙草HR的建立中，H2O2是一種重要的信號(hào)分子[10]。葛秀春在水稻-白葉枯病菌互作的研究中發(fā)現(xiàn)，使用抗氧化物質(zhì)清除ROS后，水稻HR死亡的細(xì)胞數(shù)量明顯較少[11]。另有研究表明，植物受病原物侵染后，體內(nèi)O2·-的積累水平與過敏性壞死細(xì)胞數(shù)量呈正相關(guān)，外源SOD處理受TMV感染的煙草葉片可明顯抑制HR反應(yīng)的擴(kuò)展[7]。

然而，Delledone等在研究大豆懸浮細(xì)胞HR中提出，HR的發(fā)生需要NO與H2O2的協(xié)同作用，只有兩者的濃度處于某一平衡狀態(tài)時(shí)才能誘導(dǎo)HR發(fā)生，單獨(dú)一種濃度過高或過低，都會(huì)抑制HR的產(chǎn)生[12]。但也有研究表明，這不是一個(gè)普遍規(guī)律[13]。齊放軍等研究發(fā)現(xiàn)，在水稻細(xì)胞HR誘導(dǎo)中并不存在著“NO/ H2O2平衡作用機(jī)制”，這兩種信號(hào)分子可以獨(dú)立或協(xié)同誘導(dǎo)水稻細(xì)胞HR的產(chǎn)生，NO與H2O2濃度平衡與否對(duì)HR的發(fā)生并無影響[7]。大量的離體實(shí)驗(yàn)也表明，單獨(dú)的外源H2O2即能誘導(dǎo)日本結(jié)縷草、擬南芥、大豆細(xì)胞HR的發(fā)生[3,4,6,14]。Montillet等研究還發(fā)現(xiàn)，白天和黑夜，煙草體內(nèi)誘導(dǎo)HR發(fā)生的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是不同的[9]。這些結(jié)果暗示了植物體內(nèi)誘導(dǎo)HR的機(jī)制不同，而同一種植物在不同的環(huán)境條件下也存在著不同的誘導(dǎo)機(jī)制。

2 植物中ROS產(chǎn)生途徑

在植物細(xì)胞正常代謝過程中，ROS可由多種代謝途徑產(chǎn)生，如光合作用和光呼吸作用。細(xì)胞內(nèi)具有高度氧化活性或強(qiáng)烈電子傳遞作用的細(xì)胞器或部位都可以產(chǎn)生，如葉綠體、線粒體和過氧化物體等，其中線粒體是其產(chǎn)生的主要部位[58]。

植物線粒體內(nèi)發(fā)生的電子傳遞過程，并非完全絕緣，會(huì)發(fā)生電子泄露現(xiàn)象，即電子并未傳遞給呼吸鏈底物端的一些物質(zhì)(如黃素蛋白、非血紅素鐵蛋白、醌等)，而是直接啟動(dòng)O2的單電子還原反應(yīng)，產(chǎn)生O2·-，O2·-在體內(nèi)SOD催化下，又可通過歧化反應(yīng)生成H2O2[8]。Lass等證明結(jié)合于線粒體膜上的CoQ含量與線粒體中自由基的產(chǎn)生速度呈正相關(guān)；復(fù)合物Ⅰ的黃素蛋白和復(fù)合物Ⅲ的細(xì)胞色素b566也與O2·-的產(chǎn)生有關(guān)[9]。

研究表明，植物細(xì)胞還可通過酶途徑產(chǎn)生ROS[6]。細(xì)胞膜上的還原型輔酶Ⅱ氧化酶(NADPH氧化酶)，細(xì)胞壁上的過氧化物酶(cell wall peoxidase，CW-POD)、胺氧化酶(amine oxidase)、草酸氧化酶(oxalate oxidase)以及細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase，XO)等都是活性氧產(chǎn)生的重要酶類[7]。

Doke等發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯受晚疫病菌(P.infestans)侵染后，塊莖中O2·-的產(chǎn)生主要與NADPH氧化酶有關(guān)，且該酶位于質(zhì)膜上[46]。萵苣受菜豆枯萎病菌(Pseudomonassyringaepv.phaseolicola)侵染后，胞外POD也參與了O2·-積累[13]。另有研究表明，黃嘌呤氧化酶(XO)也與活性氧的產(chǎn)生有關(guān)。菜豆受菜豆枯萎病菌(P.syringaepv.phaseolicola)侵染后，細(xì)胞內(nèi)XO活性出現(xiàn)明顯升高，且外源XO抑制劑處理阻止了菜豆體內(nèi)HR反應(yīng)的發(fā)生。有報(bào)道在大麥-白粉菌(Erysiphegraminis)互作中，胞外草酸氧化酶活性也對(duì)體內(nèi)H2O2的產(chǎn)生起著重要作用[3]。

近年來，研究表明，植物受病原物侵染后，體內(nèi)活性氧的突增不僅僅是由一種酶引起的，而是由多種酶共同作用。Able等在煙草與煙草疫酶(Phytophthoranicotianae)互作中則發(fā)現(xiàn)，活性氧的突增是NADPH氧化酶、胞外POD和XO共同作用的結(jié)果[6]。葛秀春在水稻與白葉枯病菌互作中的研究也表明，NADPH氧化酶、胞外POD、胺氧化酶DAO共同參與了水稻HR反應(yīng)中活性氧的大量積累[37]。

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The Role of ROS Signaling Molecules in Plant Disease Resistance Response

YU Lu-zhen1,WANG Chen2,LU Miao3

(1.ShanghaiUrbanConstructionEngineeringSchool;2.ShanghaiDongyuLandscapeTechnologyCo.Ltd.,Xuhui,Shanghai200232;3.ChangzhouEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Changzhou,Jiangsu213000)

The mechanism and role of ROS signaling molecules in plant disease resistance response were reviewed.

Active oxygen;signaling molecules;disease resistance;application

2014-12-18 作者簡介：俞祿珍(1987-),女,碩士生。

Q507

A 文章編號(hào):1001-2117(2015)02-0070-03