非生物逆境對植物抗壞血酸過氧化物酶作用的影響研究進展

摘要：指出了植物抗壞血酸過氧化物酶（Ascorbate peroxidase， APX）含有高度保守的氨基酸殘基，分為葉綠體型同工酶和非光合器官型同工酶，以各自特異方式調控細胞內過氧化氫（H2O2）濃度。APX基因編碼區同源性較高，表達具有組織特異性，響應H2O2、熱激轉錄因子（Heat shock factors， HSFs）等信號因子調節，可調控脅迫相關蛋白和轉錄因子的表達。非生物逆境脅迫下，過量表達APX，可有效清除物體內活性氧（reactive oxygen species， ROS），減輕過氧化損傷，提高植物抵御逆境的能力。

關鍵詞：抗壞血酸過氧化物酶；非生物逆境；活性氧；基因表達

中圖分類號：O157.5文獻標識碼：A文章編號：16749944（2014）10008303

1植物APX的酶學、分子特征及組織特

異性表達植物在生長發育過程中易受干旱、高低溫、鹽堿、重金屬、強光、澇害等非生物脅迫因子的影響，細胞內累積大量的ROS自由基，膜脂被過氧化，膜系統遭破壞，細胞功能紊亂。APX對抗壞血酸專一性極高，是谷胱甘肽循環中的關鍵酶，分布于胞質（cytosolic APX， cAPX）、葉綠體（chloroplasts APX， chlAPX）、微體及線粒體膜，催化H2O2還原為H2O[1]。植物可通過調節APX，調控細胞中的氧化還原信號，響應非生物逆境。

1.1植物APX酶特性

高等植物APX同工酶含有6個高度保守氨基酸殘基，是血紅素配體結合的必需功能機團。cAPX與chlAPX區別較大，二者分子量和含量不同，chlAPX比cAPX PH適應范圍相對較低，但在抗壞血酸氧化還原過程中專一性更高，對抑制劑也更加敏感。植物在氧化脅迫下，H2O2會使chlAPX快速失活，cAPX和微體APX同工酶雖然序列和結構與chlAPX相似，但對H2O2耐受力卻遠強于chlAPX[2]。chlAPX中基質APX（stroma APX， sAPX）和類囊體膜APX（thylakoid-bound APX， tAPX），在許多植物中由同一基因編碼，是不同剪切方式產生的同工酶，而擬南芥中是被各自核基因編碼[3]。APX同工酶可能以各自特異性方式進行調控，其表達量與H2O2濃度處于動態平衡狀態，不同定位的APX在H2O2清除中可能發揮著不同作用[4，5]。

1.2植物APX基因信息

目前，已在40多個物種中擴增出APX同工酶基因，多數為單拷貝，組間基因編碼區核苷酸同源性較高，而3-端非編碼區同源性低，包含9個內含子，氨基酸為單體結構。chlAPX mRNA全長約1500多bp，cAPX mRNA全長超過1000bp。擬南芥cAPX由小的多基因家族編碼[6]，草莓cAPX報道是由多個等位基因共顯性表達調控[7]。

1.3植物APX組織特異性表達

植物不同組織、部位的APX活性差異明顯，黃芩不同組織中APX總活力大小依次為頂芽>葉片>根>種子>花瓣[8]?！S香草莓Faapx-c可在植株不同組織部位表達，果實中表達量最高，且從小綠期開始隨果實發育逐漸增加[9]。番茄果實成熟后期和小麥衰老葉片中，CAT活性降低到低水平或CAT活性比APX下降得早，表明植物衰老進程可調節APX基因表達，在成熟果實、衰老葉片中APX比CAT在H2O2代謝中起更重要作用[10，11]。

2植物APX響應逆境的調控方式

2.1植物APX及其編碼基因響應逆境的調節表達

植物受到逆境脅迫后，APX活性同其它ROS清除酶一起被增強，APX中cAPX對環境敏感，響應最高[12]。強光脅迫早期，擬南芥中cAPX同源基因（APX1，APX2）表達受H2O2和光電子傳遞中氧化還原變化系統調節增強[13]。植物APX的表達與HSFs及H2O2的調節密切相關，如，擬南芥APX1啟動子區含有特定熱激響應元件，可與番茄HSFs結合，調控熱脅迫下基因表達[14]。擬南芥中缺失HsfA2后，即使在高溫、強光復合脅迫下，APX2不表達，而HsfA2超量表達后，APX2可誘導表達，APX2的表達也受HsfA3調控，而HsfA3在轉錄水平又被脫水響應元件結合因子調控[15， 16]。受熱脅迫誘導的H2O2可有效調控HSF與APX啟動子熱響應元件結合，誘導擬南芥APX表達[17]。過高濃度的H2O2還可破壞APX催化中間產物-化合物I的血紅素輔基，抑制APX的活性[18]。此外APX的表達還受水楊酸、Ca2+、NO等物質的調節。

2.2植物APX響應逆境的信號傳導和調控其它基因

的表達逆境下植物體內產生的H2O2可作為脅迫信號，參與依賴ABA途徑和非ABA途徑調節的氣孔運動，而APX作為H2O2代謝中的關鍵酶，可調節H2O2的濃度，調控H2O2處于精細的平衡狀態，使其有利作為第二信使[19，20]。擬南芥APX1敲除后，可誘導脅迫相關蛋白和轉錄因子上調表達及信號轉導蛋白的表達，在光脅迫下，還可增強熱激蛋白的誘導[21]。

3APX在基因工程中提高植物的耐逆性

作用 3.1APX基因表達增強植物的耐鹽性

鹽離子可造成植物體內ROS產生，使膜脂或膜蛋白過氧化，破壞膜結構，增加質膜透性。APX基因的表達，有助于清除植物體內鹽離子脅迫產生的自由基，提高植物的耐鹽能力。鹽地堿蓬葉片內SsAPX經鹽脅迫后表達量增加，酶活也相應增加，可保護鹽地堿蓬免遭氧化損傷[22]。紫花苜蓿中超量表達水稻OsAPx2后，轉基因植株比野生型在清除H2O2和耐鹽性方面都有所提高[23]。鹽脅迫下，轉正義番茄LetAPX的煙草比野生型發芽率、鮮干重、APX酶活性、凈光合速率和PSⅡ最大光化學效率均提高，有助于增強煙草的耐鹽能力和抗氧化性[24]。endprint

3.2APX基因表達提高植物的耐旱性

植物在遭受干旱脅迫后，ROS代謝破壞，生物大分子受到損害，代謝紊亂，生長受到抑制。APX作為葉綠體和胞質中清除H2O2的關鍵酶，其表達量的大小直接影響植物耐逆能力的強弱。研究表明，玉米在干旱、高溫及二者復合脅迫下，體內APX等ROS清除酶活性提高，隨著脅迫時間延長，APX活性被誘導顯著增強[25]。干旱條件下，甘薯內同時正義表達Cu/Zn SOD和APX后，可有效提高植株的抗氧化能力，減輕水分脅迫受損程度，復水后，復壯能力更強[26]。煙草中過表達MsAPX2，耐干旱能力同樣增強[27]。轉APX菊苣在干旱條件下，APX活性、葉片相對含水量、幼苗根系生長量、葉綠素和葉片脯氨酸含量均高于野生型，而丙二醛含量降低，表明轉基因菊苣有一定的耐旱能力，通過有效清除活性氧在增強植物的耐逆能力中起一定作用[28]。棗樹ZjAPX基因在干旱和鹽脅迫下誘導表達，在一定時間和濃度范圍內，隨著處理強度的加大表達量增加，可減輕鹽和干旱危害帶來的損傷[29]。

2014年10月綠色科技第10期

弓鵬娟：非生物逆境對植物抗壞血酸過氧化物酶作用的影響研究進展植物與植被

3.3APX基因表達提高植物的其它非生物脅迫能力

在光、熱、低溫等非生物脅迫信號誘導下，植物APX基因組織特異性啟動子存在順式作用元件，識別相應轉錄因子，響應環境刺激，調控基因表達。水稻幼苗中受熱激誘導的APXa基因表達，可能會減輕冷脅迫帶來的傷害[30]。擬南芥葉片cAPX，尤其tAPX表達對光破壞防護和光氧化脅迫下的基因調控起重要作用[31]。超量表達擬南芥tAPX，能增加由百草枯引起的氧逆境抗性[32]。低溫脅迫下，轉正義LetAPX番茄幼苗生長量明顯高于野生型，超量表達LetAPX可提高番茄的耐低溫能力[33]。

4展望

目前，利用基因工程技術手段，通過增強APX基因表達，提高植物耐逆性已經取得較大進展。綜合上述非生物逆境對植物APX作用的影響研究進展，今后的探索不僅僅局限于對植物APX的單一克隆和蛋白分析，逆境誘導的APX家族基因之間的相互關系，以及APX與其相關的逆境響應因子間的互作和代謝調控網絡的分析將成為研究的熱點。此外，APX參與的逆境脅迫信號轉導和啟動子相關研究也將成為研究重點。

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