家蠶過氧化氫酶研究進展

吳凡　李德臣　肖勝武　陳登松

摘要：過氧化氫酶在家蠶（Bombyx mori）的生長發(fā)育中發(fā)揮重要作用，參與家蠶免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，與家蠶的抗逆性、抗病性、滯育等重要的生命活動相關(guān)。綜述了近幾年國內(nèi)外對家蠶過氧化氫酶的研究狀況，并簡要分析了過氧化氫酶研究的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：家蠶（Bombyx mori）;過氧化氫酶;生物學(xué)功能;研究進展

中圖分類號：S881.2+4 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）18-0005-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.18.001 ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Research progresses on the catalase of Bombyx mori

WU Fan1a，LI De-chen1a，XIAO Sheng-wu2，CHEN Deng-song1b

（1a.Industrial Crops Institute;1b.Fruit Tree and Tea Institute，Hubei Academy of Agricultural Sciences，Wuhan 430064，China;

2.Luotian Sanbao Silkworm Co.，Ltd.，Luotian 438600，Hubei，China）

Abstract： The catalase plays an important role in the growth and development of silkworm（Bombyx mori）， and participates in the regulation of the immune system of silkworm， which is related to the important life activities such as resistance， disease resistance and diapause of silkworm. The research progresses on the catalase in silkworm were reviewed， and the development trend of catalase in silkworm was briefly prospected.

Key words： silkworm（Bombyx mori）; catalase; biological function; research progress

生物體內(nèi)有多種抗氧化酶，這些酶可提高生物的抵抗力，幫助生物應(yīng)對外界的不良環(huán)境條件[1]。過氧化氫酶（Catalase，CAT）又被稱為觸酶，是一種重要的抗氧化酶之一，在生物體內(nèi)起防御保護作用，廣泛存在于各種生物體內(nèi)。過氧化氫酶在生物體內(nèi)的作用是清除生命活動中產(chǎn)生的多余自由基。主要催化過氧化氫分解為水和分子氧，避免過氧化氫的積累對生物體造成傷害[2]。家蠶（Bombyx mori）作為重要的經(jīng)濟昆蟲和研究鱗翅目昆蟲的模式生物，在長期的進化過程中也不例外地形成了保護酶系，以抵御外界不良環(huán)境條件的影響。家蠶體內(nèi)有許多與家蠶免疫能力和抗逆性相關(guān)的酶類，其中超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶組成了重要保護酶系。目前，過氧化氫酶被認為是家蠶最重要的保護酶之一，參與到家蠶的各種生命活動中，特別是在幫助家蠶應(yīng)對各種生物和非生物的脅迫中起重要的作用。

在家蠶體內(nèi)的各種保護酶中，CAT是已知的催化能力最強的關(guān)鍵酶，可以清除家蠶體內(nèi)代謝產(chǎn)生的活性氧H2O2。H2O2能氧化破壞蛋白質(zhì)、核酸和脂類等分子，積累時可導(dǎo)致細胞損傷，甚至凋亡，嚴重影響家蠶的生長與發(fā)育，而CAT能把有毒的H2O2催化降解成水和分子氧，從而維持蠶體正常的生理活動，因此，CAT在家蠶的生長發(fā)育中起至關(guān)重要的作用。對國內(nèi)外學(xué)者近幾年在家蠶過氧化氫酶上的研究進展進行了綜述，為利用過氧化氫酶進行家蠶品種的選育及農(nóng)林害蟲的生物防治提供參考。

1 ?過氧化氫酶分類

過氧化氫酶是在1811年被發(fā)現(xiàn)的，在1901年被Loew命名，催化過氧化氫產(chǎn)生氧氣，廣泛存在于植物、動物和微生物體內(nèi)，具有活性中心，其活性可被氰化物抑制。過氧化氫酶有3種，根據(jù)序列、結(jié)構(gòu)和功能的不同，可分為單功能CAT、雙功能CAT和假CAT;根據(jù)其物理和化學(xué)特性的不同，分為3種類型：過氧化氫酶-過氧化物酶、典型的過氧化氫酶及非典型的過氧化氫酶。該酶的活性中心含有卟啉結(jié)構(gòu)，根據(jù)卟啉結(jié)構(gòu)含有的金屬離子的不同，又可以分為鐵卟啉酶和錳過氧化氫酶。

2 ?家蠶過氧化氫酶的生物學(xué)功能研究

2.1 ?家蠶過氧化氫酶的性質(zhì)研究

對家蠶過氧化氫酶的研究開始的比較早，1963年孫本忠等[3]研究發(fā)現(xiàn)家蠶CAT的活性與品種、化性有關(guān)，品種、化性不同，該酶的活力相差很大，隨著化性的增加，該酶的活力增加，即一化性品種<二化性品種<多化性品種。CAT的活性還與家蠶的性別有關(guān)，在同一發(fā)育時期，雄蠶的CAT活性大于雌蠶的。秦鳳等[4]的研究也證實CAT的活性在家蠶品種間存在差異。吳載德等[5]發(fā)現(xiàn)同一家蠶品種，催青溫度不同，引起家蠶化性變化時，家蠶幼蟲血液CAT的活性不同。Yamamoto等[6]克隆并分析了家蠶CAT基因和活性，發(fā)現(xiàn)CAT mRNA分布非常廣泛，但CAT mRNA水平的表達與CAT活性變化趨勢不完全一致，并且發(fā)現(xiàn)家蠶的CAT基因與黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）和白腹果蠅（Apis mellifera）的同源性分別為71%和66%。Yuan等[7]的研究結(jié)果也表明，家蠶CAT的活性與其在mRNA表達水平是有差異的，不具有嚴格的相關(guān)性。還有學(xué)者研究證明，還原型磷酸吡啶核苷酸（NADPH）是家蠶過氧化氫酶維持活性所必需的。時桂芹[8]研究發(fā)現(xiàn)，家蠶CAT亞家族基因具有物種特異性，BmCat4基因是真正的家蠶Cat基因，其編碼的蛋白質(zhì)很有可能是一類分泌型蛋白質(zhì)。Shi等[9]研究也證實，BmCAT4缺失信號肽和跨膜結(jié)構(gòu)域，可能是一個假定分泌蛋白質(zhì)。

家蠶所處的生長發(fā)育階段不同，CAT的活性也是不同的。阮氏茉莉等[10]比較了原種新九、黃白限及其雜交后代F1蠶卵蛋白質(zhì)的CAT活性，發(fā)現(xiàn)雜交后代的CAT活力在兩個親本之間或低于親本，雜種優(yōu)勢不明顯，同時還發(fā)現(xiàn)黃白限品種中，雄蛹血淋巴中CAT的活力比雌蛹中要高。吳小鋒等[11]發(fā)現(xiàn)隨著家蠶的生長發(fā)育，其血液中的CAT活性呈規(guī)律性變化，幼蟲期，以齡初、齡末較高，化蛹后，酶活先升高后降低，直至化蛾。家蠶血液中CAT活性的高低可以作為評價家蠶抗逆性的一項生理指標。陳萍等[12]的研究結(jié)果表明，家蠶血液CAT活性與5齡歷期、同宮率不具有相關(guān)性，而與全齡期、死籠率、普繭率具有負相關(guān)性，與全繭量、繭層量、繭層率、萬蠶產(chǎn)繭量、萬蠶繭層量、蟲蛹率、幼蟲生命率呈正相關(guān)。

2.2 ?過氧化氫酶在家蠶抗逆性中的作用

家蠶的過氧化氫酶在家蠶抗逆性中起至關(guān)重要的作用，可幫助家蠶提高對外界環(huán)境的抵抗力，應(yīng)對突發(fā)狀況，提高家蠶的強健性，而家蠶的強健性直接關(guān)系到養(yǎng)蠶業(yè)的生產(chǎn)效益。陳志偉等[13]研究表明，家蠶氟中毒后，其體內(nèi)的CAT活性顯著增強，且CAT的活性大小與氟的濃度呈正相關(guān)。米智等[14]的研究也證實，家蠶CAT活性與家蠶對氟的耐受性相關(guān)。唐文超等[15]對家蠶5齡幼蟲添食不同濃度NaF溶液浸泡的桑葉，發(fā)現(xiàn)家蠶幼蟲生殖腺中CAT的活性與對照相比明顯升高，且家蠶生殖腺中cat基因在mRNA轉(zhuǎn)錄水平的表達也升高，但超過其耐性閾值時，CAT的活性會逐漸下降。Micheal等[16]研究了低溫、低氧、病毒感染對家蠶抗氧化酶的誘導(dǎo)作用，發(fā)現(xiàn)在低溫、缺氧和病毒感染24 h后，家蠶中腸和血液中過氧化氫酶、超氧化物歧化酶的活性明顯升高。

CAT也參與家蠶對農(nóng)藥的耐受過程。Gu等[17]在家蠶有機磷中毒后對中腸基因表達的變化進行了qRT-PCR分析，結(jié)果表明CAT在轉(zhuǎn)錄水平的表達下降了3.51倍。張蒙蒙等[18]從家蠶3齡起蠶開始，持續(xù)添食啶蟲脒藥液，發(fā)現(xiàn)當啶蟲脒藥液的質(zhì)量濃度達到一定程度時，5齡第六天的家蠶幼蟲中腸內(nèi)CAT的活性受到顯著抑制。Gao等[19]在5齡家蠶添食乙酰半胱氨酸后，讓家蠶接觸吡蟲啉，發(fā)現(xiàn)添加乙酰半胱氨酸能顯著提高吡蟲啉中毒家蠶的體重、存活率、全繭量、繭層量和繭層率，增強家蠶中腸內(nèi)超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物谷胱甘肽等抗氧化酶的活性。

2.3 ?過氧化氫酶在家蠶抗病性中的作用

研究結(jié)果表明，過氧化氫酶參與到家蠶抗病性反應(yīng)中，提高了家蠶對細菌、病毒等的抵抗力。Zhang等[20]研究表明，家蠶被銅綠假單胞菌感染后，其中腸上皮細胞中CAT的活性被上調(diào)表達。王樹昌等[21]研究發(fā)現(xiàn)，家蠶幼蟲在感染白僵菌后，家蠶血淋巴、脂肪體、中腸和馬氏管中CAT活性顯著降低，Bmcat基因在脂肪體、中腸和馬氏管中的表達水平顯著下降，而在血淋巴中的表達水平變化不大，添食CAT抗氧化劑能顯著延長家蠶的存活時間。Fang等[22，23]研究了添食4-甲基傘形酮對家蠶的影響，發(fā)現(xiàn)在添食后，家蠶體內(nèi)過氧化氫酶的活性顯著升高，家蠶對細菌的抵抗力增強。

目前，由家蠶核型多角體病毒（Bombyx mori nucleopolyhedrovirus，BmNPV）引起的家蠶病毒病，嚴重影響蠶業(yè)生產(chǎn)效益。選育對BmNPV有抗性的家蠶品種是防治該病最有效的措施，CAT參與了家蠶對BmNPV的應(yīng)激反應(yīng)。Vessaro-Silva等[24]對5齡家蠶添食BmNPV懸濁液后，對其中腸的抗氧化系統(tǒng)進行分析，發(fā)現(xiàn)中腸中CAT活性發(fā)生了變化，表明CAT參與了阻止病毒感染的過程。Hu等[25]研究了BmNPV感染引起家蠶消化液蛋白的變化，發(fā)現(xiàn)家蠶感染BmNPV 6 h后，過氧化氫酶基因的表達沒有顯著的變化。Li等[26]分析了家蠶在添食二氧化鈦納米顆粒后對BmNPV的抗性變化，發(fā)現(xiàn)添食后，家蠶體內(nèi)過氧化氫酶基因的表達升高，家蠶對BmNPV的抵抗力增強。Li等[27]在家蠶的人工飼料中添加CeCl3，喂食5齡家蠶后，家蠶對BmNPV的抵抗力增強，體內(nèi)CAT活性升高。在家蠶品種選育中，能否利用CAT來提高家蠶對細菌、病毒的抵抗性，還有待于進一步研究。

2.4 ?過氧化氫酶在家蠶滯育中的作用

家蠶以卵滯育，關(guān)于滯育的機理、機制還未完全闡明。有研究表明，在家蠶的滯育過程中也有CAT的參與。韓武梅等[28]研究發(fā)現(xiàn)，與15 ℃暗催青處理相比，在25 ℃明催青可以顯著提高蠶卵滯育誘導(dǎo)和決定時期的CAT mRNA的表達水平和CAT活性。Zhao等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在家蠶卵進入滯育時，CAT活性急劇升高。但是當家蠶卵進入滯育期后，CAT的活性比較低且變化不大[30-32]。有研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，滯育卵經(jīng)過即時浸酸處理后，卵內(nèi)的CAT活性升高[33]，當對滯育卵進行低溫冷藏（5 ℃）處理，解除滯育，CAT在轉(zhuǎn)錄水平的表達和活性均顯著增加[34]。Sima等[35]在家蠶產(chǎn)卵后20 h進行蠶種浸酸處理，阻止蠶卵進入滯育狀態(tài)，同時用5 ℃低溫處理滯育蠶卵，終止蠶卵的滯育過程，比較這兩種處理蠶卵和滯育卵之間CAT的表達變化，發(fā)現(xiàn)CAT表達的變化與家蠶卵滯育的起始和終止有關(guān)。Zhao等[36]對同一個家蠶品種的滯育卵和非滯育卵在5 ℃冷藏30 d以上，測定滯育卵與非滯育卵之間CAT活性的變化，發(fā)現(xiàn)滯育卵的CAT活性明顯低于非滯育卵。

2.5 ?家蠶過氧化氫酶其他的生物學(xué)功能

CAT作為防御性保護酶，可以幫助家蠶應(yīng)對各種環(huán)境變化，如重金屬脅迫、抗輻射等。袁紅霞等[37]的研究發(fā)現(xiàn)，在家蠶受到鎘脅迫時，家蠶體內(nèi)CAT的活性先升高后下降，且雌性家蠶脂肪體中CAT的活性變化與cat基因在mRNA水平上的表達具有正相關(guān)性。Chen等[38]研究表明家蠶脂肪體、中腸和血液中的CAT活性可以被玫瑰（紅景天）提取液所誘導(dǎo)。Suman等[39]發(fā)現(xiàn)家蠶體內(nèi)的CAT還參與到對輻射的耐受過程中。Ogawa等[40，41]研究發(fā)現(xiàn)，CAT與家蠶馬氏管的發(fā)育有關(guān)，在馬氏管朱砂酸的形成過程中發(fā)揮重要作用。

3 ?家蠶過氧化氫酶的研究展望

過氧化氫酶在家蠶的生長發(fā)育中起重要作用，家蠶一生要經(jīng)歷卵、幼蟲、蛹和蛾四個變態(tài)發(fā)育階段，在變態(tài)發(fā)育過程中，家蠶體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)處于不斷的發(fā)展變化過程中，CAT作為家蠶體內(nèi)廣泛存在的抗氧化酶，參與到家蠶的各個發(fā)育過程中。CAT與家蠶的抗性相關(guān)，在家蠶體內(nèi)起重要的防御和保護作用，研究CAT在其中所起的具體的作用機制，可以為家蠶抗性品種的選育提供參考和指導(dǎo)作用。

增強家蠶的抗逆性，對于蠶桑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義，目前對于家蠶CAT的作用已經(jīng)有了很多的研究報道，專家學(xué)者們對家蠶的CAT研究主要集中在免疫系統(tǒng)中，即該酶對環(huán)境、病毒、細菌等抗性的作用方面，而對其他方面的作用機制研究較少，還有許多問題未闡明。比如家蠶體內(nèi)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子是怎樣與CAT酶相互作用，CAT在家蠶體內(nèi)完整的催化機制，是否可以在家蠶體內(nèi)過表達CAT基因提高家蠶對環(huán)境的抗性，來培育優(yōu)質(zhì)抗性的家蠶新品種等，這些都有待于進一步探討和研究。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，必將對家蠶CAT作用的分子機制有更深層次的了解，使CAT更好地應(yīng)用于蠶桑產(chǎn)業(yè)，為鱗翅目害蟲的防治和家蠶抗性品種的選育提供更好的思路。

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