1、逆境（干旱、盐胁迫）下植物衰老及活性氧清除机理高旭东 生技 134 2013013987摘要：植物在逆境下会产生不利于自身生长发育的活性氧，并且活性氧在植物体内大量的堆积很可能导致植物的资深加速衰老以及程序性死亡，为了使植物能够提高生存效率，本文对于植物的活性氧清除机理进行了综述阐明。关键词：植物 逆境 衰老 活性氧 清除 活性氧(reactive oxygen species，ROS) 是指某些氧代谢产物及其衍生物，它们都含有氧原子，但较氧具有更活泼的化学反应，主要包括超氧 阴离子(0 :)、羟自由基(OH )、 单线态氧(O 2)、脂质过氧化物和过氧化氢 H202)等 ,不同种类的活性氧可
2、同时出现在一个生物体系中。活性氧的存在对于植物来说也是必不可少的信号传递以及抵御外来入侵的机制。植物干旱也分为了大气干旱，土壤干旱和生理干旱三种。且植物的活性氧的产生与干旱有着密不可分的关系，而细胞衰老目前有着两种大家公认的理论：一是自由基理论，这是细胞衰老的随机学说(stochastic theories)；二是细胞 的程序死亡理论，这属于细胞衰老的程序化理论(programmed theories)，本文将就这三点之间的关系，以及植物的活性氧清除机理来进行论述。1. 植物逆境下活性氧与植物衰老1.1 概述植物体在正常生长条件下能产生少量的活性氧， 但在正常的生理情况下， 活性氧的产生和清除
3、保持平衡， 因而不会造成机体的损伤。当外界条件发生急剧变化时， 植物体内会产生大量的活性氧，高浓度的活性氧对植物细胞有很强的毒害， 低浓度的活性氧不仅不会对细胞造成伤害，而且还可充 当信号分子参与植物的某些防卫反应过程。所以在处于逆境下（干旱或盐胁迫）的植物会产生过多的活性氧并对植物造成损伤。1.2 活性氧活性氧(reaction oxygen species，ROS) 就是属于自由基类的一类高活性氧化剂，指某些氧代谢产物及其衍生物，它们都含有氧原子，但较氧具有更活泼的化学反应，目前，我们较熟知的几种植物体内比氧更活泼的含氧化合物主要包 括：超氧阴离子(O 2-)、过氧化氢(H 202 )、过
4、氧化自由基(ROO)和活性很强的羟基自由基(OH )等。这些物质在生物的再生过程中具有非常重要的影响。在植物细胞正常代谢过程中,活性氧可由多种途径产生。如叶绿体、线粒体和质膜上的电子传递产生了一个不可避免的后果:即电子传递至分子氧上, 随之产生活跃的、具有毒性的活性氧。生物和非生物胁迫的介入都可使活性氧的水平升高。高等植物叶绿体光合电子传递链 PSI 的受体端存在大量的自动氧化酶类,能够通过米勒反应将氧光还原成超氧化物 , 这些超氧化物或参与 PSI 电子循环,或从类囊体腔扩散至基质膜表面 , 在那里超氧根阴离子可通过酶促反应歧化成H202 和 O2;或在 Fe 或 Cu 的存在下通过 Fen
5、ton 或 Haber Weiss 反应产生 OH-和 O2。最近研究发现 ,在强光处理的类囊体及完整的叶绿体中,超氧化物和 H202 同样可由 PSII 产生。1.3 活性氧造成的损伤活性氧可能对植物机体造成多种损伤，比如对于抗氧化系统的损伤，对于生物膜系统的损伤，对于呼吸链和DNA 的损伤。当环境胁迫长期作用于植株 , 使其产生的活性氧超出活性氧清除系统的能力所及时,就会产生氧化损伤。活性氧可以攻击蛋白质的氨基酸残基,尤其是 Tyr、Phe、Trp、Met 和 Cys ,形成羰基衍生物，此种损害即对于植物体内酶类造成较大损伤，使卡尔文循环中的酶类失活。最主要的是 H 2O2 能够通过 Ha
6、ber Weiss 反应产生更活跃、更有毒性的 OH - ,从而导致碱基突变、DNA 链的断裂和蛋白质的损伤。同时，活性氧的大量积累造成细胞膜过氧化产物丙二醛（） 大量产生，引发或加剧细胞膜脂质或膜脂过氧化作用， 造成膜系统损伤。1.4 植物衰老与活性氧伤害自由基 (Free Radical，FR)又称游离基，是指外层轨道含有未配对电子的原子、原子团或特殊状态的分子。自由基 中以氧自由基 (Oxygen free radicals，OFR )对机体的危害最大。活性氧(Reactive Oxygen Species，ROS)是指化学性质活跃的含氧原子或原子团，包括超氧阴离子自由基(O 2-)、过
7、氧化氢(H 202)、单线态氧(0：)、羟自由基( OH )、烷过氧化自由基、脂过氧化自由基等。植物衰老是避不可免的，由于自由基的氧自由基的大量积累所导致的，活性氧的大量积累导致了植物的衰老甚至死亡。目前，对于植物衰老过程中自由基损伤的研究尚未成熟，但是在活性氧造成的氧伤害的问题上，已经取得了不少进展。由于植物的衰老，其内部的光合作用相关酶活性显著下降，Rubisco 活性的下降以及 NADPH 再生 NADP+的不足均会导致电子传递链的失衡，从而将电子泄露给 O2，使 O2-等活性氧的产生增加。同时，在黄嘌呤氧化酶的催化下，黄嘌呤也可形成尿酸和 O2-，都能对植物细胞造成伤害。活性氧极易得失
8、电子，有极强的氧化能力，可以通过代谢途径产生，部分典型反应如下所示：O2 + e-O 2-黄嘌呤+2 O2+ H202尿酸+20 2- +2H+O2 能歧化生成 H202：2O 2 +2H+H 202+ O2 O2 也可通过 HaberWeiss 反应形成 OH：H 202 + O2-OH+OH -+ O2H202 可透过细胞膜。在酸性条件下促使 Fe2+Fe 3+ ，产生 OH，这就是 Fenton 反应：H202 + F e2+Fe 3+OH+OH-2. 植物体内活性氧清除机理 2.1 植物体内超氧化物岐化酶(SOD)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，简写 SOD)
9、其功能是清除超氧化物离子(20 2-)以后，在植物细胞中也发现了这种酶，并且证明具有同样的功能。一般认为，在逆境下植物体内的活性氧含量会显著提升，而逆境条件下引起植物体内抗氧化酶活性升高，以及时清除产生的活性氧(ROS)，是植物的保护性反应。SOD 作为体内抗氧化酶系统的主要成分，是一种典型的诱导酶，适度的刺激条件可诱导其合成。在高等植物中,SOD 根据其辅基部位结合的不同金属离子分为 3 类:Mn-SOD、Fe-SOD、Cu/ Zn-SOD。对 SOD 基因家族的深入研究是在玉米中进行的。已得到的序列分析表明,广泛存在于真核生物中的Cu/Zn-SOD 与 Fe-SOD 和 Mn-SOD 不同
10、源。2.2 抗坏血酸过氧化物酶(APX)抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)是利用抗坏血酸(ascorbic acid，AsA )为电子供体的 H202 的清除剂。其反应机理如下，APX 的催化循环属于过氧化物酶的乒乓机制，反应如下(R 表示卟啉或保守 Trp 残基，MDA 为单脱氢抗坏血酸)：APXFe()-R+H 202APX-Fe(IV)=O-R + +H20APXFe(IV)=O-R+AsAAPX-Fe()=O-R+MDAAPXFe(IV)= O-R+AsAAPX-Fe()-R+MDA+ H 20APX 首先被 H202氧化成中间复合物，此种中间复合物
11、接着氧化抗坏血酸双电子氧化物形成 2 个分子的 MDA。当 AsA未为复合物利用时，APX 失活。植物叶绿体和胞质中,一个主要的 H202清除系统称为抗坏血酸一谷胱甘肽(AsAGSH)循环,其中 APX 是关键的酶。叶肉细胞的过氧化物酶体内广泛分布着过氧化氢酶(catalase，CAT)，但在叶绿体中尚未发现 CAT 的存在，也未发现清除 H202的 GSH、细胞色素 c 或吡啶核苷酸，而且APX 对 H202有更高的亲和力，故认为叶绿体中的 H202是由APX 清除的。2.3 过氧化氢酶 (CAT)CAT 是 C3植物中 H202 清除的关键酶，是 C3植物是环境压迫时所必需的。CAT 与
12、SOD、POD、ASP 一起被称为酶保护系统。目前过氧化氢酶的体系虽然并没有被完全研究清楚，但其催化过程被认为可以分为两步：H202+Fe()-EH 20+O=Fe(IV)-E(+)H202+O=Fe(IV)-E(+)H 20+Fe()-E+O 2过氧化氢酶还可以氧化其它一些毒性物质，如甲醛，甲醛，苯酚和乙醇。3. 总结与展望植物在逆境中会产生大量的活性氧，活性氧的大量积累可能会导致细胞内氧自由基的积累，这是细胞衰老的主要原因之一。活性氧的过多同样会导致细胞膜、DNA 以及植物体内生理系统的大量损伤。而植物体内存在许多自身解除活性氧的机制，其中分为酶系统的保护机制与非酶系统保护机制。但是植物体
13、内的自身保护毕竟有限，所以需要我们通过人为干涉手段对于经济作物进行保护，这对于植物的经济作用有着很大的价值。其中一种方式便是通过转基因方法来人为的提高作物的抗氧化性，这种方法是通过某些基因片段的植入来提升植物的抗逆性，所以应用的是植物的酶系统保护机制来缓解活性氧的。这些转基因的方法还有很大的空间可以突破，这一方面的研究仍然是当今的热门研究。参考文献1 曹树煜,刘均洪 过氧化物酶应用的生物技术进展 化学工业与工程技术 第 24 卷第 5期 Vol.24 No.5 2003 年 10 月2 孙卫红 王伟青 孟庆伟 植物抗坏血酸过氧化物酶的作用机制、酶学及分子特性 植物生理学通讯 第 41 卷 第
14、2 期，2005 年 4 月3 李充璧，李 琛，李赛男 细菌过氧化氢酶基因的克隆方法研究安徽农业科学， Journal of Anhui AgriSci2012，40(26):1276112763，127774 徐同良，范丽清*，张 丽，金君勇，姜 帆 空气污染对延边地区植物过氧化氢酶活性的影响 安徽农业科学，Journal of Anhui Agri Sci2014，42(32):11477 114785 陈珺，赖齐贤，何宝龙，贺晓波，曹丽平土壤干旱对观赏植物活性氧产生和抗氧化酶活性的影响西北植物学报，2014，34(7)：139013966 蔡永智， 祝建波， 郝晓云， 王爱英， 徐登献
15、转过氧化氢酶基因棉花的抗旱性 西 北 农 业 学 报 2013，22(12) ：56617 南芝润 范月仙 植物过氧化氢酶的研究进展安徽农学通报, AnhuiAgri.Sci.Bull. 2008,14( 5)8 李泽琴, 李静晓, 张根发 植物抗坏血酸过氧化物酶的表达调控以及对非生物胁迫的耐受作用 HEREDITAS (Beijing) 2013 年 1 月, 35(1): 45 549 汪 由 ,吴 禹 ,王 岩 ,李兆波 ,王光霞 五种常用的植物转基因技术 2010, 30( 3):186 18910 郑祥正 几种常见的植物转基因技术概述 第 34 卷 第 12 期 2012 年 12
16、月11 任永波 段拥军 植物体内超氧化物岐化酶(SoD)作用研究进展 2002 年 9 月 Sep 200212 徐春晖，夏光敏，贺晨霞 农杆菌转化系统研究进展 生命科学 Chinese Bulletin of Life Sciences 第 14 卷 第 4 期 2002 年 8 月13 王 霞 候 平 植物对干旱胁迫的适应机理；2001-614 王孝威 ，曹 慧 高等植物衰老的机理研究 山西农业大学学报(2004 ) 0404 16 0415 夏铁骑 自由基、活性氧、SOD 及植物衰老机理研究的现状与进展 濮阳职业技术学院学报 第 2 期 2005 年 5 月16 王建华 刘鸿先 徐 同超
17、氧物歧化酶(S0D)在植物逆境和衰老生理中的作用 1989(1)17 吕 品 张 岩 李建华。 张凤云 陈玉玲 植物细胞活性氧的产生和清除机制 生物学教学 2010 年(第 35 卷)第 2 期18 张 怡 路铁刚 植物中的活性氧研究概述生 生物技术进展 2011 年 第一卷 第四期24224819 黄亚成 ，秦云霞 植物中活性氧的研究进展 中国农学通报 2012，28(36)： 2 19-22620 赵丽英， 邓西平 ，山 仑 活性氧清除系统对干旱胁迫的响应机制 西北植物学报 2005 25(2) 4l34 l821 杜秀敏 殷文璇 赵彦修 张 慧 植物中活性氧的产生及清除机制 生物工程学报 17 卷 2 期 2001 年 3 月
