抗氧化酶在植物抗旱過程中的功能研究進(jìn)展

林宇豐，李 魏，戴良英*

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，長沙 410128； 2 作物基因工程湖南省重點實驗室，長沙 410128)

抗氧化酶在植物抗旱過程中的功能研究進(jìn)展

林宇豐1，2，李 魏1，2，戴良英1，2*

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，長沙 410128； 2 作物基因工程湖南省重點實驗室，長沙 410128)

干旱會導(dǎo)致植物產(chǎn)生大量活性氧，如果不能及時清除，會影響植物正常生長和發(fā)育。植物體內(nèi)抗氧化酶在清除活性氧的過程中發(fā)揮重要作用。介紹了植物體內(nèi)幾種主要的抗氧化酶(超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、單脫氫抗壞血酸還原酶、脫氫抗壞血酸還原酶和谷胱甘肽還原酶)在植物抗旱過程中的功能，并對抗氧化酶在抗旱基因工程中的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

植物；抗旱；活性氧；抗氧化酶；基因工程

隨著水資源日益匱乏，全球干旱區(qū)域不斷擴(kuò)大，干旱程度日趨嚴(yán)重。干旱嚴(yán)重影響植物的生長和發(fā)育，如何提高植物的抗旱性已成為遺傳育種研究的重中之重。目前，關(guān)于植物抗旱機(jī)制的研究取得了較大進(jìn)展，主要包括：活性氧(Reactive oxygen species，ROS)的清除、氣孔行為、滲透調(diào)節(jié)、植物激素水平的調(diào)節(jié)和光合效率的提高[1]。干旱可誘導(dǎo)植物產(chǎn)生大量ROS，而過量的ROS積累會對植物產(chǎn)生損害。植物主要通過自身抗氧化系統(tǒng)清除體內(nèi)多余的ROS。植物抗氧化系統(tǒng)包括抗氧化酶系統(tǒng)和抗氧化劑系統(tǒng)?？寡趸钢饕谐趸锲缁?SOD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)和谷胱甘肽還原酶(GR)[2]。研究抗氧化酶在植物體內(nèi)的抗旱機(jī)制，以及利用基因工程來增強(qiáng)抗氧化酶相關(guān)基因的表達(dá)，對提高植物抗旱性有著重要的現(xiàn)實意義。

1 干旱脅迫中ROS的產(chǎn)生及對植物的損害

2 SOD、CAT和APX在抗旱過程中的功能

植物抗氧化酶主要種類及其催化的反應(yīng)、所在亞細(xì)胞區(qū)室如表1所示。SOD、CAT和APX 3種酶廣泛存在于植物細(xì)胞內(nèi)，它們通過直接清除ROS以調(diào)控ROS水平，并把ROS轉(zhuǎn)換成活性較低和毒性更小的有害物質(zhì)。它們因為直接與ROS反應(yīng)，所以被看作是細(xì)胞內(nèi)ROS的傳感器。

表1 植物體內(nèi)參與ROS清除的主要抗氧化酶

2.1 SOD在抗旱過程中的功能

表2 植物體內(nèi)3種SOD的比較[15]

注：“否”表示SOD不受氰化物(KCN)或H2O2的抑制。

2.2 CAT在抗旱過程中的功能

CAT又稱觸酶，為同源四聚體，含有血紅素，主要存在于植物的過氧化物酶體和乙醛酸循環(huán)體中。CAT可直接分解和催化分解H2O2，但它與H2O2的親合力相對較弱，所以CAT在清除逆境脅迫產(chǎn)生的H2O2時有一定局限性。植物體內(nèi)的CAT可分為3類：CAT1、CAT2和CAT3[16]。其中，CAT1能清除光呼吸過程產(chǎn)生的H2O2，主要存在于光合作用組織中；CAT2受UV-B、病原物和臭氧誘導(dǎo)，在植物抗逆中起重要作用，主要存在于微管組織中；CAT3主要清除乙醛酸循環(huán)中脂肪降解產(chǎn)生的H2O2，在種子內(nèi)表達(dá)豐富[17]。研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫能夠誘導(dǎo)CAT基因上調(diào)以促進(jìn)H2O2的分解。對煙草進(jìn)行干旱處理時發(fā)現(xiàn)，CAT1基因表達(dá)量隨著干旱時間的變化而發(fā)生改變：前期輕微增加，中期達(dá)到最高峰，是對照的20倍，后期表達(dá)量明顯下降至與對照相近。這一研究結(jié)果說明煙草CAT1基因參與了植物抗旱信號傳導(dǎo)過程[18]。

2.3 APX在抗旱過程中的功能

APX主要存在于葉綠體基質(zhì)中，是一種由卟啉與肽鏈構(gòu)成的血紅蛋白，是清除葉綠體中抗壞血酸-谷胱甘肽(AsA-GSH)循環(huán)所產(chǎn)生的H2O2和催化AsA氧化的關(guān)鍵酶[19]。APX與CAT不同之處在于APX與H2O2的親合力較強(qiáng)，但需要AsA作為底物。根據(jù)APX在植物細(xì)胞中定位的不同可分為：細(xì)胞質(zhì)APX(cAPX)、類囊體APX (tAPX)、微體膜APX (mAPX)和葉綠體基質(zhì)可溶APX(sAPK)[20]。有研究表明：在干旱脅迫下，小麥抗旱品種的cAPX活性增加程度明顯高于不抗旱品種[21]。此外，棗樹ZjAPX基因在干旱脅迫下誘導(dǎo)表達(dá)，在一定時間和濃度范圍內(nèi)，隨著干旱程度的加大表達(dá)量增加，說明APX參與了減少干旱給植物帶來的損傷[22]。

3 GR、MDHAR和DHAR在抗旱過程中的功能

另一組酶為GR、MDHAR和DHAR，它們參與調(diào)控抗壞血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)合成及還原的過程，從而平衡植物細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)[23]。這3種酶催化的反應(yīng)和所在亞細(xì)胞區(qū)室見表1。在干旱脅迫下，由于ROS的大量積累，會引起抗氧化酶在轉(zhuǎn)錄水平和蛋白水平上的上調(diào)以達(dá)到調(diào)控ROS水平的目的[24]。

3.1 GR在抗旱過程中的功能

3.2 MDHAR和DHAR在抗旱過程中的功能

MDHAR和DHAR都是AsA代謝途徑的關(guān)鍵酶。在干旱條件下，MDHAR和DHAR活性變高，并分別將AsA的氧化產(chǎn)物單脫氫抗壞血酸(MDHA)和脫氫抗壞血酸(DHA)還原再生成AsA，對維持植物細(xì)胞內(nèi)AsA的平衡和氧化還原平衡起著重要作用[27]。有研究表明，干旱脅迫激發(fā)了冰草葉片中抗壞血酸防御系統(tǒng)，使清除H2O2的APX和加快AsA循環(huán)再生的MDHAR和DHAR酶活性上升，從而維持葉片抗壞血酸水平和緩解干旱對植物的傷害[28]。

4 抗氧化酶在抗旱基因工程上的應(yīng)用及研究展望

4.1 抗氧化酶在抗旱基因工程上的應(yīng)用

目前，多種植物的抗氧化酶基因已克隆并應(yīng)用于植物抗旱基因工程研究。相關(guān)研究表明，抗氧化酶基因的過量表達(dá)能不同程度地提高植物對干旱脅迫的抵抗能力。例如：將棉花APX基因?qū)肫漳蔷哲?CichoriumintybusL.cv.Puna)植物體內(nèi)，轉(zhuǎn)基因植株葉片中抗氧化酶活性明顯提高，MDA含量降低，轉(zhuǎn)基因普那菊苣表現(xiàn)出良好的抗干旱和鹽脅迫的特性[29]。此外，在番茄中，過表達(dá)質(zhì)體MDHAR增加了MDHAR活性和AsA的效力，提高了轉(zhuǎn)基因番茄對干旱、溫度等非生物脅迫的抗性[30]。Prashanth等[31]將白骨壤(Aricenniamarina)中的Cu/Zn-SOD基因轉(zhuǎn)到秈稻品種巴斯馬蒂-1中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植物對干旱的抗性增強(qiáng)，此外對氧化和鹽脅迫的抗性也增強(qiáng)。但是部分轉(zhuǎn)SOD基因植物并不能明顯提高對干旱和氧脅迫的耐受性。例如：將煙草和擬南芥中Mn-SOD和Fe-SOD基因轉(zhuǎn)入苜蓿后發(fā)現(xiàn)抗旱性少有增強(qiáng)[32]。但是同時轉(zhuǎn)入多種抗氧化酶基因，植物抗干旱和氧化脅迫的能力會大大增加。例如：同時轉(zhuǎn)入Cu/Zn-SOD和APX基因的甘薯中Cu/Zn-SOD和APX酶活性提高，在干旱脅迫下清除ROS能力顯著增強(qiáng)，葉片含水量和凈光合速率較高，增強(qiáng)了對干旱的抗性[33]；Aono等[34]也證明同時過量表達(dá)Cu/Zn-SOD和GR的轉(zhuǎn)基因煙草抗氧化能力較高，且氧化脅迫下受傷程度小于單獨表達(dá)SOD和GR的植株。因此單獨大幅提高SOD酶活性，不提高其它抗氧化酶的活性，會導(dǎo)致植物體內(nèi)H2O2不能及時清除，不但無法提高植物的抗旱能力，反而會對植物造成氧化損害。所以，如何保持SOD和其他抗氧化酶之間的酶活性平衡對提高植物的抗旱性很重要。

4.2 研究展望

植物抗氧化酶系統(tǒng)能夠有效清除細(xì)胞內(nèi)ROS，是植物抗旱保護(hù)機(jī)制的一個重要組成部分。目前，關(guān)于抗氧化酶在植物抗旱信號傳導(dǎo)中的作用機(jī)制的研究取得顯著進(jìn)展，但仍有許多尚未解決的問題。主要問題和具體對策如下：(1)目前克隆出的抗氧化酶相關(guān)抗旱基因還不多，需要挖掘更多抗氧化酶基因資源以用于植物抗旱基因工程；(2)目前植物抗氧化酶抗旱基因工程多為單基因轉(zhuǎn)化，而植物清除ROS是多種抗氧化酶協(xié)同作用的結(jié)果，單一提高某個抗氧化酶基因的表達(dá)，有一定效果，但并不明顯，甚至?xí)a(chǎn)生反作用，因此多基因轉(zhuǎn)化能更顯著地提高植物的抗旱性；(3)目前對抗氧化酶轉(zhuǎn)基因植物的抗旱性研究多在實驗室和溫室條件下進(jìn)行，但大田生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，因此需進(jìn)一步在自然干旱條件下對抗氧化酶轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行抗旱性鑒定和研究；(4)植物的抗旱性最終表現(xiàn)在產(chǎn)量上，還需要對抗氧化酶轉(zhuǎn)基因植物的農(nóng)藝性狀指標(biāo)進(jìn)行鑒定。

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Research Progress of Antioxidant Enzymes Functioning in Plant Drought Resistant Process

LIN Yu-feng1，2，LI Wei1，2，DAI Liang-ying1，2*

(1 College of Plant Protection，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 Crop Gene Engineering Key Laboratory of Hunan Province，Changsha，Hunan 410128，China)

Drought stress induces plant producing mass of reactive oxygen (ROS)，which can influence plant growth and development when it could not be scavenged from plant organisms in time.The antioxidant enzymes play an important role in the process of scavenging ROS.Here，the plant main antioxidant enzymes (superoxide dismutase，peroxidase，catalase，ascorbate peroxidase，monodehydroascorbate reductase，dehydroascorbate reductase and glutathione reductase) were reviewed for their functions in plant drought stress.Moreover，the application of antioxidant enzymes in genetic engineering was also reviewed.

plant；drought resistance；reactive oxygen species；antioxidant enzymes；genetic engineering

2015-03-13

林宇豐(1989-)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，Email：linyf728@163.com。

*通信作者：戴良英，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：植物與微生物分子互作，Email：daily@hunau.net。

國家轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專項(2013ZX08001-002)；國家自然科學(xué)基金項目(31371246，31300250)。

Q948.112+.3

A

1001-5280(2015)03-0326-05

10.3969/j.issn.1001-5280.2015.03.26