農藥脅迫對植物抗氧化系統的研究現狀

李海峰，王瑞華，韓 琛

（新疆農業科學院吐魯番農業科學研究所，新疆吐魯番 838000）

農藥（Pesticides） 是現代農業生產中作為防治病蟲草害的一類不可或缺的化學或生物制劑，對農作物病、蟲、草害防治和增加農作物產量和質量上起著重要作用。然而，農藥不科學的使用，不僅會對社會經濟發展、自然環境及人體健康造成巨大的危害，同時農藥噴施到農作物上后，可通過表皮滲透到植物組織內部，在保護作物免遭病蟲害危害的同時，也會對作物造成脅迫，使農作物遭受到看不見的“內傷”，影響作物正常的生理代謝活動。

研究表明，植物在逆境脅迫下自身會產生大量的活性氧（Reactive oxygen species，ROS），活性氧具有極強的氧化性，可以使膜脂過氧化、蛋白質變性，導致植物細胞的組織構造和功能遭到破壞，致使細胞死亡[1]。植物為了維持其正常的生理代謝活動，本身的抗氧化防御系統能夠抵抗和清除活性氧的傷害，表現為抗氧化酶類物質、抗氧化非酶類物質對活性氧的清除功能。近年來，國內外學者在農藥與植物抗氧化系統方面進行了大量的研究，取得了很多成就，現就農藥脅迫對植物抗氧化防御系統的影響研究現狀做一綜述。

1 植物細胞中活性氧的形成及損傷作用

活性氧是植物在高溫、低溫、干旱、高鹽、大氣污染、重金屬等逆境環境中，在生理生化代謝過程中不斷產生的一類具有較高化學及生物活性的含氧自由基，主要包括超氧化物（O2-）、過氧化氫（H2O2）、羥基由基（·OH）、氫氧根離子（OH-）等[2]。一直以來，這些物質被認為是植物代謝過程中產生的有毒副產品，能引起植物細胞膜質、蛋白質及DNA等大分子物質的損傷[3]。

1.1 活性氧的形成

植物體在正常生理活動中，可以通過多種生理代謝途徑產生活性氧，如植物光合作用的過程中，在葉綠、線粒體發生電子傳遞過程中將電子傳遞到氧分子上，從而產生具有毒性的活性氧；當植物處于干旱、鹽害、寒冷、高溫、重金屬污染、紫外線輻射、臭氧、農藥等外界不良環境下，植物光合作用效率、二氧化碳的固定也受到影響，氧分子成為電子受體，形成具有較強氧化作用的O2-，O2-能引發一系列的鏈式反應，使植物體內產生大量的活性氧[4]。

1.2 活性氧對植物的氧化損傷作用

正常情況下，活性氧在植物體內的產生與消除是一個動態平衡狀態，但是，當外環境不良因素破壞了這一平衡狀態，致使活性氧濃度超過植物正常生理承受范圍時，就會使生物大分子受到損傷。很多研究表明，活性氧水平超過閾值會使植物細胞膜及細胞器膜發生脂質過氧化，增加膜的流動性及通透性，影響細胞膜的正常功能。活性氧可造成蛋白質的損傷，使肽鏈斷裂、蛋白質交聯、氨基酸電荷改變等，從而使蛋白結構改變，功能降低或喪失。活性氧能使細胞內遺傳物質DNA的受損，導致編碼蛋白的結構改變和功能失常、復制和轉錄受阻、染色體畸變甚至細胞死亡。活性氧的積累可導致酶活降低甚至失效，引起植物細胞、組織的生理生化反應停滯；能分解植物IAA、破壞生理生化反應中的重要輔酶NAD和NADP，及光合作用的色素系統等，最終導致植物的死亡。

2 植物抗氧化系統

植物的抗氧化系統分為酶類抗氧化和非酶類抗氧化防御系統，這兩大系統存在著一些能夠清除植物體活性氧的酶和一些小分子次生代謝物質。這些物質主要包括超氧化物岐化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧物酶（GPX）、谷胱甘肽還原酶（GR）、脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR）等酶類及括谷胱甘肽（GSH）、抗壞血酸（ASA）、甘露醇、多酚類，脯氨酸、多糖等非酶類物質。植物抗氧化防御系統的酶類和非酶類抗氧化物質協同作用，將植物體內過剩的活性氧一一清除，恢復植物體內活性氧的動態平衡，通過這種方式解除活性氧對植物體的氧化脅迫。

3 農藥脅迫對植物抗氧化系統的影響

3.1 農藥脅迫對植物抗氧化酶的影響研究

3.1.1 超氧化物歧化酶（SOD）

超氧化物歧化酶（SOD）的主要功能是清除超氧陰離子自由基，對超氧陰離子具有專一性，SOD能將其歧化為氧氣（O2）和過氧化氫（H2O2），H2O2再經過一系列反應轉化為無毒的水和氧氣，從而減輕活性氧對制物體的損傷。許多研究表明，農藥脅迫對植物具有濃度效應和時間效應。莊小花等人[5]研究發現，丁硫克百威、功夫乳油、印楝素處理上海青葉片1，3，5 d后，各處理SOD的活性均高于對照組，而處理7 d以后，上海青葉片中SOD的活性急劇下降，其值均低于對照組。低濃度和高濃度的毒死蜱處理的小白菜中SOD活性在第1天至第3天降低，第5天到第14天升高，第21天恢復到對照水平[6]。不同濃度苯噻草胺處理水稻后，低濃度苯噻草胺對SOD有最大刺激作用，水稻根部酶活性增加了0.33倍，高濃度苯噻草胺對SOD產生抑制了作用[7]。呂海燕[8]研究表明，不同種類的農藥在同一濃度水平下，SOD增加或降低的幅度也不同。

3.1.2 過氧化物酶（POD）

過氧化物酶（POD） 普遍存在于植物不同生育時期的組織、器官中，其主要功能是催化H2O2分解為H2O和O2，當植物體內積累H2O2時POD能優先發揮作用。據報道，農藥對POD的激活率定向表現出“漲落現象”，不同類型農藥不同處理對POD激活率各有差別[9]。小白菜在高效氯氟氰菊酯脅迫下，POD活性降低，低濃度抑制作用不明顯，隨著高效氯氟氰菊酯的降解，抑制作用緩解[10]。乙草胺處理葡萄上部、中部葉片，使POD活性顯著降低[11]。低濃度甲胺磷對壇紫菜誘導POD活性，高濃度先誘導后抑制，并且濃度越大越早出現抑制[12]。不同濃度的毒死蜱處理上海青，POD活性是先增加后降低[13]。

3.1.3 過氧化氫酶（CAT）

過氧化氫酶（CAT）又稱觸酶，屬于血紅蛋白酶。主要分布在植物組織的微體中，如過氧化物體、乙醛酸循環體、線粒體內。其重要功能是促進H2O2迅速分解轉化分子氧和水，與其他的抗氧化酶共同協作以維持植物體內的ROS平衡。由于農業種類繁多，農藥的化學成分、作用機理、施用濃度的不同，植物在遭受農藥脅迫時，過氧化氫酶的變化會有所不同。郭明等人[14]研究發現，有機磷、有機氯、擬除蟲菊酯類不同濃度農藥處理棉株葉片后，農藥對CAT的抑制率隨時間推移表現出“上漲-回落”的漲落現象。草甘膦異丙胺鹽在低濃度下會使棕囊藻的CAT活性升高，在較高濃度時，導致藻細胞死亡，未能檢測到CAT活性[15]。李英濤[13]研究發現，對上海青噴施中低濃度甲維鹽和苦參堿，致使上海青葉片中CAT的活性增加，而在高濃度處理中，上海青的生長受到了一定影響，CAT的活性表現為先下降，短期內又恢復至正常水平。

3.1.4 谷胱甘肽還原酶（GR）

谷胱甘肽還原酶主要存在于葉綠體基質中，與抗壞血酸過氧化物酶在細胞質中形成抗壞血酸-谷胱甘肽循環，產生還原性的谷胱甘肽（GSH），而GSH可以與羥基自由基和氧發生還原反應，減輕膜質受到氧化損傷。有研究表明，菠菜受到毒死蜱脅迫后，菠菜葉片中H2O2含量明顯升高，而葉片GR活性在脅迫初期較對照組明顯提高，到后期，GR活性逐步下降到對照水平，這表明植物體在脅迫初期可以通過自身防御體系對毒死蜱脅迫作出應激反應，以增強其清除H2O2等活性氧的能力[16]。袁興超等人[17]報道，低濃度的草甘膦能顯著刺激微囊藻體內的GR活性，而高濃度的草甘膦顯著抑制GR活性。也有研究發現，不同農藥種類對同一植物GR的活性影響也不同，如不同濃度氧化樂果能抑制小麥幼苗的GR活性，而不同濃度的吡蟲啉處理小麥幼苗，其GR活性無明顯變化[18]。

3.2 農藥脅迫對植物抗氧化非酶類物質的影響研究

3.2.1 谷胱甘肽（GSH）

谷胱甘肽于1929年由Hopkins最早發現并對其予以命名，是由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸組成的三肽，分為還原型和氧化型，通常所說的為還原型谷胱甘肽，是植物葉片和分生組織中廣泛存在的一類含巰基的低分子肽。GSH作為植物體內非常重要的自由基清除劑（可溶于水），其主要功能是抑制膜質過氧化，保護細胞膜恢復細胞功能，在高溫、冷害、干旱、重金屬、農藥等逆境脅迫下保護農作物正常的生長，在植物體內含量水平與植物忍耐環境脅迫的程度密切相關。有研究表明，相同濃度的乙草胺處理不同品種的玉米的根部和葉片，GSH的含量呈現先升高后降低的變化現象，不同濃度乙草胺處理下隨藥劑濃度的升高，GSH含量值開始快速上升，達到極值后，隨藥劑濃度的繼續升高開始下降后趨于穩定[19]。甲胺磷農藥處理白菜后，對照組GSH含量總體低于處理組GSH含量，對照組GSH含量基本維持穩定[20]。丙草胺處理水稻后第3天，水稻植株內的GSH含量高于對照，施藥后第7天水稻中的GSH含量達到最大值，之后隨著施藥量的增加，水稻中GSH含量逐漸降低[21]。說明少量的農藥在一定濃度范圍內能夠刺激植物體內GSH的產生，一旦超過某個閾值，GSH的生理功能將受到抑制甚至失常。

3.2.2 抗壞血酸（AsA）

抗壞血酸又叫VC，在植物體除了參與維持正常的生理代謝活動，同時在植物體遭受高溫等逆境脅迫時也是植物體內的一種重要的抗氧化劑，可以清除植物生理代謝過程中產生的自由基，減少膜脂過氧化作用對細胞造成的傷害[22]。植物在逆境脅迫下產生的活性氧主要通過抗壞血酸-谷胱甘肽循環進行清除，維持細胞氧化還原狀態，以保護細胞不受破壞。有研究報道，百草枯處理引起水稻中AsA含量的顯著上升[23]。轉基因的煙草在脫氫抗壞血酸還原酶作用下抗壞血酸對百草枯的氧化脅迫顯示出更高的耐性[24]。王亞慧[25]發現，番茄植株經嘧菌酯處理后，葉片中的AsA含量先增加后降低，總體含量水平均高于對照，進一步證明了AsA能夠減弱氧化的傷害，在維持細胞正常的生理功能和提高植物的抗性方面具有重要作用。

3.2.3 多酚

植物多酚又名植物單寧，為植物體內的一種次生代謝產物，具有多元酚結構，是多羥基酚類化合物的總稱。多酚類化合物是廣泛存在植物根、葉、皮、果中，具有多種生理功能的活性物質，包括茶多酚、黃酮類、原花青素等。植物在低溫、干旱、營養不良等非生物環境脅迫下產生大量的活性氧和自由基，多酚化合物可以通過自身極強的還原性降低氧含量，同時作為氫供體釋放出氫與自由基結合，減少和清除自由基，保護植物體正常的生理功能。據報道，赤豆總黃酮對超氧陰離子自由基具有清除作用，其清除效果與總黃酮的添加量呈正相關關系[26]。而在農藥方面，化學農藥、植物源農藥均能降低煙葉總酚含量[27]。水稻植株內類黃酮含量隨農藥種類、處理方式及農藥濃度的不同而變化。縮節胺可使棉株各組織內棉酚含量增加，蕾內可增加49.0%～92.1%，鈴殼內增加13.8%～65.5%，葉內增加3.6%～39.7%[28]。

3.2.4 脯氨酸

脯氨酸是一種水溶性高、分子量小的滲透調節物質。能夠在植物受到滲透脅迫時，通過在細胞質中積累脯氨酸增大細胞質濃度，降低滲透勢，保持細胞之內外水分平衡。同時，脯氨酸也是一種自由基清除劑，可以螯合單線態氧和羥基自由基，減輕氧化傷害，因此脯氨酸積累可以作為植物受到脅迫的一種信號。據報道，吡蟲啉、啶蟲脒、吡蟲啉·敵敵畏和敵畏·氧樂樹干注藥后均可不同程度地提高游離脯氨酸含量，30 d后可逐漸恢復到正常水平[29]。研究發現不同農藥脅迫后1～10 d，大葉黃楊脯氨酸的含量均較對照植物顯著提高，脯氨酸最大能提高到對照的378倍[30]。還有報道顯示，隨著異丙隆處理濃度的加大，脅迫加大，脯氨酸的積累量也隨之加大。

4 結語

農藥能促進和抑制植物抗氧化系統的抗氧化物質的活性，表現為低濃度農藥能激活植物抗氧化酶和非酶類物質，高濃度農藥能抑制抗氧化物質的活性，使其喪失抗氧化功能，從而使植物發生生理損傷甚至死亡。不同農藥種類因其作用機理不同，對抗氧化系統的影響也不同。不同植物類型，因其形態結構、生理特性的差異，其抗氧化系統對農藥脅迫的響應也不同，需要有針對性的深入探索。抗氧化酶與抗氧化非酶物質相互協作，構成植物抗氧化防御系統抵御環境脅迫，其協作關系很復雜，還有待進一步探索。

SOD和CAT等抗氧化酶有多種同工酶，農藥脅迫下，各同工酶之間的響應差異及同工酶之間的協同作用機理有待深入研究。另一方面，農藥脅迫誘導植物抗氧化酶活性的提高與相關基因的表達等機理仍不明朗，是今后需要解決的問題。

植物抗氧化酶及非酶類物質的變化可作為植物出現明顯藥害特征前的生理指標，探明抗氧化系統在植物中的作用機理，對農作物的安全生產具有重要意義。

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