植物在寒冷脅迫下H2O2和ABA信號分子的應答研究進展

張迷離　韓烈保

摘要：脫落酸（ABA）作為最早研究的植物逆境信號分子，被大量實驗證明參與了植物對低溫的傳導過程。此外，植物體內的H2O2亦可作為信號分子在寒冷脅迫下發揮作用。綜述了兩信號分子的研究進展，ABA和H2O2都能作為寒冷脅迫下的信號分子存在，并能形成交互作用的信號網絡。同時在寒冷脅迫條件下，H2O2成為ABA誘導植物氣孔關閉信號網絡的重要因素之一。根據已有的報道推測，ABA可能通過質膜上的ABA受體蛋白，通過電子傳導產生O-2進而酶促或非酶促產生H2O2。然而，植物細胞的信號傳導過程是一個復雜交錯的網絡途徑，ABA和H2O2并不可能只是一個簡單的上下游關系，對其之間的準確的作用仍然需要進一步的深入研究。

關鍵詞：寒冷脅迫；H2O2 ；ABA；交互作用

低溫是限制植物分布、生長及品質的最重要的因素之一。植物在寒冷脅迫下存在著一個復雜的信號應答和代謝調控網絡，而信號識別是整個抗逆性反應的最初事件以及最關鍵步驟。在低溫脅迫下，以ABA為主的信號分子調控了氣孔關閉和基因表達，形成一張復雜的信號應答網絡。而H2O2也伴隨著第二信使分子，蛋白激酶和蛋白磷酸酶等隨之出現在信號網絡之間。H2O2以信號分子的身份，與其他信號系統，特別是激素信號的相互作用受到人們越來越多的關注。

1 H2O2

H2O2是植物在遭受環境脅迫的過程中，細胞內的氧化還原被打破產生的代謝產物，屬于活性氧物質（ROS）的一種[1]。長期以來，H2O2被認為對植物細胞具有毒害作用，因為大量的H2O2會損壞生物大分子，與細胞內脂類、蛋白質和DNA發生反應，引起氧化傷害和細胞代謝失調，從而毒害植物[2]。直至今日，人們才發現少量的H2O2可與蛋白質、脂肪、多糖和核酸反應，參與和影響多種生物的代謝，誘導氣孔關閉，增強植物對外界不良環境抗性[3]。H2O2在植物細胞中存在的壽命較長，可以在細胞間跨膜長距離傳遞，環境脅迫時反應迅速[4]，這些重要特征，讓H2O2作為一種信號分子受到人們越來越多的關注。

1.1 H2O2作為響應低溫的可能信號

當植物遭受外界低溫脅迫的時候，體內H2O2都會有所提高，且抗寒性更強的植物累積的H2O2高于一般耐寒性的植物。大量試驗證明可以通過脂膜過氧化最終產物MDA及過氧化保護酶的活性來判斷植物抗寒性的高低[5-7]。Xiong等[8]研究表明植物在亞致死溫度下細胞內H2O2含量迅速提高。代曉霞等[9]嘗試用不同物質引起內源H2O2變化來看H2O2對植物抗寒性的影響，她以“賴多星”荷蘭小黃瓜為試材，用水楊酸（SA）處理來提高內源H2O2含量，進而延緩了丙二醛（MDA）和膜滲透率的增加，提高果實抗寒性；而用二甲基硫脲（DMTU）能抑制內源H2O2進而降低黃瓜耐寒性。再一次證明了一定濃度的內源H2O2能提高植物抗寒性。

1.2 H2O2作為解除休眠的可能信號

H2O2不僅可以作為響應低溫的可能信號，還可能作為影響休眠和解除休眠的可能信號。韓浩章等[10]以葡萄（Vitis vinifera和Vitis vinifera×V.labrusca）和油桃（Prunus persica var.nectarina Maxim）為試材，研究了田間自然越冬休眠過程中芽體活性氧的變化。結果顯示，葡萄和油桃芽體H2O2含量在初休眠期升高，深休眠期保持較高水平，休眠解除前后迅速下降，其H2O2 含量和自然休眠過程同步；需冷量高的葡萄芽H2O2含量明顯高于需冷量低的油桃。

1.3 外施H2O2提高植物抗寒性

大量研究證明了外施一定量的H2O2會提高植物的抗寒性。在低溫條件下，低濃度的H2O2可作為一種刺激因子，激活細胞抗氧化酶系統，清除累積的活性氧，減輕其對植物的傷害。王艷等[11]通過對溝葉結縷草進行葉面噴施信號化合物SA，H2O2和6BA，研究了預處理對溝葉結縷草耐寒性的影響。結果表明，SA，H2O2和6BA預處理可以有效控制或者防止結縷草葉片中活性氧的積累和氧化傷害的發生，從而提高其抗寒性。康國章等[12]研究表明，對香蕉幼苗噴施H2O2能提高抗氧化酶POD活性，降低膜滲透率，增加可溶性糖含量及減緩葉綠素降解，從而提高香蕉抗寒力。同樣的研究在水稻幼苗中也有發現，韓娜等[13]研究表明，4 mmol/L的H2O2可以通過提高呼吸速率、降低膜質過氧化程度等顯著提高水稻幼苗的抗寒性，但是外源H2O2預處理對水稻幼苗的內源H2O2含量以及O-2產生速率沒有顯著影響，或以一種獨立于內源活性氧系統以外的方式發揮作用。H2O2噴施提高耐寒性在玉米上也得到了證實[14]。

1.4 外施H2O2提高植物在低溫下發芽率

外源H2O2還能提高植物發芽率。張立軍等[15]以冷敏感型大豆品種沈農8號、沈農9411和耐冷型大豆品種鐵豐31、Kottman為材料，用10，20，50，100和200 mmol/L的H2O2進行浸種處理后，在低溫（5℃）下萌發。當外源H2O2濃度低于50 mmol/L時，各濃度處理都提高發芽率，降低電解質外滲率，提高SOD、CAT、POD活性，且耐冷品種的抗氧化酶活性始終高于冷敏感品種。在萌發過程中，內源H2O2含量隨H2O2處理濃度的升高而增加。表明外源H2O2可能通過大豆內源H2O2含量的提高誘導抗氧化酶活性的增強，從而減輕低溫傷害，提高在低溫下的萌發能力。

2 ABA

ABA是一種指能引起芽休眠、葉子脫落和抑制生長等生理作用的植物激素[1]。ABA對植物的影響是多方面，在合成后可以促進植物休眠，促進氣孔關閉，抑制生長，促進脫落，降低鈣調素蛋白的轉錄水平，改變其亞細胞分布。在逆境條件下，植物體內ABA會迅速增加，進而提高植物的抗逆性，所以ABA又被稱之為應激激素。

2.1 ABA作為響應低溫的可能信號

低溫脅迫下，植物體內ABA會顯著增加。田士林等[16]通過對晉麥47進行研究，發現經過低溫處理的小麥較未處理的小麥葉片內的ABA含量明顯增高，前者內源ABA含量比后者內源ABA高了14.5倍。楊佳明等[17]在6份耐低溫性不同的黃瓜材料中也找到了相似的變化，低溫脅迫下黃瓜的葉片中ABA顯著增加，其中黃瓜耐低溫性材料較強，其增加的幅度越大。Majken Pagter等[18]研究表明，在圓錐繡球中，木質部中的ABA和其抗寒性同時增加，表明了ABA與植物的寒冷脅迫密切相關。

2.2 外施ABA提高植物抗寒性

諸多研究已經證實了外施ABA可以提高植物的抗寒性。羅立津等[19]指出外施ABA能減輕低溫脅迫下給甜椒幼苗造成的傷害。表明外施ABA能通過降低甜椒幼苗呼吸速率，提高葉片脯氨酸、可溶性糖、鉀離子等滲透調節物質以及ABA的積累來增強甜椒幼苗的抗寒性，減少活性氧自由基的產生和累積量，從而減輕低溫脅迫造成的傷害，且低溫馴化條件下比常溫下效果更加明顯。田丹青等[20]研究表明，蝴蝶蘭苗葉面噴施不同濃度（0，5，25，50，100和200 mg/L）的ABA溶液后，置于6 ℃的低溫下處理2 d后，測定葉片相對電導率，并結合葉片冷害形態變化分析，結果表明，ABA處理可以提高蝴蝶蘭的抗寒性，以50 mg/L的ABA處理最有效。蒲高斌等[21]以20 mg/L的ABA能顯著增加西瓜苗葉片的SOD和CAT活性，有效減緩低溫脅迫過程中西瓜苗葉片葉綠素和GSH含量的降低，以及MDA的積累，促進脯氨酸含量和可溶性糖含量增加，使AsA含量保持在相對穩定的水平。外施ABA也被證明了能提高水稻的抗寒性[22]，香蕉果實的耐冷性及香蕉果實PAL活性[23]，對九里香離體枝條中的Vc含量、POD活性的降低、可溶性糖的消耗、電導率和MDA的升高等均具有抑制作用[24]。

2.3 ABA和低溫誘導脫水蛋白（Dehydrin）的產生

低溫及ABA均能誘導其在綠色組織中的表達[25]。張玉秀等[26]發現ABA缺陷型和ABA不敏感型突變體在種子成熟后期脫水蛋白合成減少，種子不耐脫水；施加外源ABA或有活性的ABA類似物后則表現正常。張訓忠等[27]研究表明外施ABA后狗牙根25 kDa的脫水蛋白有明顯提高。邊紅武[28]選取的3個ABA濃度分別為0.1，0.5和1.0 mg/L，處理鐵皮石斛類原球莖3 d，發現2種脫水蛋白的積累量均隨ABA濃度的增加而增加，且都積累2種脫水蛋白，分子量分別為28.7和34.3 kDa。

不僅ABA能誘導其蛋白的表達，植物的抗寒性也與脫水蛋白密切相關。Aaron[29]實驗結果證明

結縷草的抗寒性與脫水蛋白相關，但只有23 kDa的脫水蛋白在提高植物抗寒性上最為重要。Zhu等[30]研究大麥的K9型脫水蛋白表達后指出，脫水蛋白在低溫處理時大量表達，而在干旱和ABA誘導的條件下則有少量表達。張訓忠等[26]研究也表明，4種抗寒性不同的狗牙根在低溫條件下25 kDa的脫水蛋白表達增強。曾乃燕等[31]研究了低溫脅迫期間水稻光合膜色素與蛋白水平的變化，結果表明4 ℃低溫引起膜蛋白組成的深刻變化，表現在大部分原有膜蛋白組分的含量在低溫下明顯降低，同時在低溫處理的第3 d誘導出一條32.25 kDa的新蛋白帶。

3 ABA和H2O2的交互作用

ABA和H2O2都能以信號分子形式存在，在植物抗寒性中發揮著各自作用。它們可能形成一個復雜的信號網絡，但對它們之間的準確的關系仍然未知[13]。弄清它們在信號分子傳導的上下游關系對植物抗寒生理具有一定的意義。

近年大量研究已經證明，在各種植物品種中，H2O2和NO被認定為由ABA引導植物保衛細胞氣孔關閉的重要信號分子[32]。苗雨晨等[33]以蠶豆葉片下表皮為材料，將熒光探針HPTS導入蠶豆氣孔保衛細胞內，利用熒光光譜和激光共聚焦顯微技術，檢測到了ABA誘導蠶豆氣孔關閉過程中H2O2的產生。呂東等[34]報道：NO可能作為H2O2的下游信號介導ABA誘導的蠶豆氣孔關閉。而最新對擬南芥保衛細胞氣孔的研究報道，ABA誘導H2O2后繼而誘導出NO，用NO的清除劑去除NO后，H2O2不能引起氣孔關閉；反之，NO誘導氣孔關閉不再需要H2O2[35]。諸多實驗證明了在脅迫條件下，ABA誘導H2O2產生氣孔關閉。ABA通過作用于質膜上的ABA受體蛋白，蛋白受體傳導位于保衛細胞上中的ABA蛋白激酶（AAPK）和蛋白磷酸酶。通過一系列的電子傳導形成超氧陰離子O-2，最后經過酶促或非酶促反應生成H2O2[36]。同時，人們發現，NO也伴隨著H2O2的產生而產生。NO和H2O2都是可以跨膜的物質，在調劑氣孔關閉上，存在著網絡關系（圖1）。

此外，ABA調控了植物脅迫條件下的基因表達，而H2O2參與其中。Zong等[37]研究表明，從玉米中獲取分裂原蛋白激酶（MAPK）ZmMPK7，ABA通過誘導H2O2繼而增強了此基因的表達。Guan[38]以玉米為實驗材料，在mat1基因應答的ABA途徑中，H2O2很有可能參與其中。

與以上結論相反，在2010年，劉新等[39]以抗寒性較強的葡萄品種砧木貝達一年生枝條葉片為材料發現H2O2猝發時間早于ABA，外施H2O2的清除劑AsA顯著降低內源ABA的含量，提出H2O2可能位于ABA的上游。趙鳳云等[40]研究表明，H2O2誘導植物在逆境脅迫下應激激素，如SA，ABA和一些酶的累積。Xue xuan等報道H2O2作為一種信號分子，它的生理機制是很復雜的。雖然我們認為H2O2是ABA引起的氧化物之一，但是判斷那個因素更為重要并沒那么簡單。

4 展望

ABA和H2O2在植物的抗寒性上的生理功能有極高的相似度，兩者均能響應低溫的可能信號，外施兩者也均能提高植物的抗寒性。而在兩者信號傳導的上下游關系上，人們至今沒有一個統一的答案。ABA信號研究得比較多，認為其是主導信號，能誘導H2O2的產生，但研究的對象集中在植物保衛細胞的氣孔關閉上。而與此相反的結論是H2O2誘導ABA的產生，但研究報道較少。ABA和H2O2作為信號分子在植物抗寒性上的上下游關系，至今有待進一步研究。

植物在脅迫條件下的信號傳導途徑，既相互獨立又相互聯系。ABA和H2O2存在交互作用，很難說哪個因素是主導因素，并且可能在不同植物種上的表達順序有所不同。H2O2和ABA在植物抗寒脅迫下的信號網絡作用還需要進一步研究。

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