逆境條件下植物體內活性氧代謝研究進展

徐松華

摘 要：活性氧是一類具有很強的氧化能力的含氧物質。當植物遭受逆境脅迫時，其體內活性氧會過量積累，導致發生氧化性脅迫，因而必須依靠抗氧化酶系統對抗這種脅迫。該文主要介紹了活性氧代謝的產生和清除機制以及活性氧的影響因素，并綜述了近年來在逆境條件下超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶等活性氧清除酶系統的代謝作用機制，探討了環境脅迫下活性氧代謝的應答規律與機制，為植物適應性機制和逆境生理學研究提供參考。

關鍵詞：活性氧代謝;抗氧化酶;逆境脅迫;適應性機制

中圖分類號 Q945 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）21-0029-04

Abstract： Reactive oxygen species （ROS） are a kind of oxygen-containing substances with strong oxidizing ability. Reactive oxygen species will accumulate excessively in plants while plants are under stress， which will lead to oxidative stress in plants. It is necessary to rely on the antioxidant enzyme system to combat this stress. This paper mainly introduces the generation and removal mechanism of reactive oxygen species， and its influence factors of reactive oxygen species， and reveals the generation and removal mechanism of active oxygen enzyme system such as superoxide dismutase， catalase， peroxidase and so on， discusses the environmental response mechanism of active oxygen metabolism， which provides a scientific basis for the study of plant adaptive mechanism and stress physiology.

Key words： Reactive oxygen metabolism; Antioxidant enzyme; Environmental stress; Adaptive mechanism

1 活性氧代謝

1.1 活性氧在植物體內的產生機制 活性氧（Reactive oxygen species，ROS）是一類具有很強氧化能力、化學性質活潑的含氧物質及其衍生物質的總稱。植物體內ROS的主要類型有羥基自由基（·OH）、過氧化氫（H2O2）、過氧烷氧基自由基（ROO·）等，這類物質可直接與脂肪作用形成脂類過氧化物（ROOH），其中以·OH性質最為活潑[1]。在正常生理條件下，植物體內活性氧的滅活酶及各種水溶性、脂溶性的抗氧化劑等物質可形成抗氧化防御系統，使氧化性損傷與抗氧化防御處于一種動態平衡。當外界環境改變時，植物體內的這種動態平衡會遭到破壞，活性氧會導致膜脂發生過氧化，攻擊細胞分子，導致細胞膜發生損害，從而導致植物受到傷害[2]。

氧是電子受體，會得到不同數目的電子，形成不同的氧化產物，主要以·OH為主。氧的反應過程如式（1）所示：

1.2 活性氧在植物體內的產生部位 植物在獲得能源與碳源并維持正常生長發育過程中，作為呼吸作用最重要供體的氧起了十分重要的作用，氧在植物體內的線粒體和葉綠體參與形成活性氧類物質，然后通過細胞空隙可以自由擴散進入線粒體內，從而使線粒體受損[3]。

1.3 活性氧在植物體內的清除

1.3.1 酶促清除系統 酶促清除系統是植物體內活性氧清除的主要機制，其能顯著影響植物適應不利環境的能力[4]。酶促清除系統中的酶系主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、還原型谷胱甘肽（GSH）等[5]。

SOD在植物體內可結合不同的金屬離子，從而達到活性氧去除的目的，主要有Fe-SOD、Mn-SOD、Cu/Zn-SOD等3種結合方式，其中Mn-SOD和Fe-SOD存在于線粒體和葉綠體中，Cu/Zn-SOD存在于細胞質和葉綠體中[6]。SOD在酶促清除系統中能清除超氧陰離子自由基（O2-），并生成歧化產物H2O2，反應如式（6）所示：

O2-是生物體多種生理反應中自然生成的中間產物，具有極強的氧化能力，是生物氧毒害的重要因素之一 [7]。盡管H2O2也能產生對機體有害的活性氧，但體內CAT和POD會立即將其分解為完全無害的水，因此這3種酶形成了一道完整的抗氧化防御系統。在這3種酶中，SOD是酶促清除系統中的第一道防線，處于中心地位。

APX是植物氧化還原酶系的重要組分，是清除植物體內尤其是葉綠體中H2O2的關鍵酶。當APX活性顯著升高時，會使O2-產生速率顯著下降，過氧化作用顯著減弱[8]。

GSH是細胞內一種重要的調節代謝物質，它參與體內三羧酸循環及糖代謝，可激活多種酶，促進糖類、脂肪和蛋白質代謝[9]。GSH是一類具有活性巰基（-SH）基團的物質，可參與機體多種重要的生化反應，保護體內重要酶蛋白的巰基不被氧化和滅活，保證能量代謝和細胞利用的正常生理過程。同時，GSH的巰基可以與體內的自由基相結合，使自由基還原成酸性物質，從而加速自由基的排泄，從而減輕自由基產生臟器的生理損害。

1.3.2 非酶促清除系統 非酶促清除系統是活性氧清除的另一種機制。植物體內的非酶促清除劑是除上述幾種清除活性氧的保護酶外的其他抗氧化劑物質，如維生素C（抗壞血酸ASA）、維生素E（VE）、類胡蘿卜素（Carotenoid）等，它們與活性氧類物質反應，降低膜脂的過氧化作用，從而保護膜脂。ASA具有抗氧化、抗自由基的功能，保護植物免受光合作用有害副產物的侵害，也能有效抵御干旱、紫外線等不利環境。VE具有較強的抗氧化性，能有效去除植物體內單重態的氧及各種形式的氧自由基。

1.4 活性氧代謝的影響因素

1.4.1 內部因素

1.4.1.1 植物種類 不同植物抗氧化酶在逆境脅迫的差異性較大。相比于C3植物，C4植物適應高溫、光強、淹水[10]和干旱[11]的能力更強，其中抗氧化保護是重要原因。研究表明，當小麥（C3植物）和玉米（C4植物）受到水分脅迫后，小麥體內的H2O2含量比玉米要高得多，導致細胞受到損害更大[12]。由于C4植物葉片獨特的結構，使得某些極端環境下比C3植物更能適應逆境脅迫。

1.4.1.2 植物器官 不同的植物器官中的抗氧化酶在逆境脅迫下存在差異，這是因為抗氧化酶在植物的不同器官中含量分配存在差別。Misra等研究表明，高鹽脅迫下的長春花幼苗根部SOD、CAT、POD的活性比葉片中強[13]。Jiang研究表明，根系抗氧化酶的活性比葉片中的強[14]。對于多數綠色高等植物，高鹽和干旱脅迫通常最開始遭受損傷的是根部，同時也是適應反應的起點，因此在根系中抗氧化酶活性最高，而且顯著高于葉片。

1.4.1.3 不同的生長發育階段 植物不同生長發育階段的抗氧化酶在逆境脅迫下存在差異。在植物的生長周期中，抗氧化酶的活性在營養生長階段比開花期低。Oaed等研究表明，高溫脅迫時，生長期的五個不同品種小麥抗氧化酶活性都比開花期低[15]。不同葉齡的葉片在同種環境脅迫下對逆境脅迫的抗逆性不同。研究表明煙草嫩葉SOD、CAT活性明顯高于老葉[15];對大麥使用百草枯后，嫩葉SOD、POD活性的耐受力比老葉更強[8]。H2O2在植物幼葉中的含量低于老葉，隨著葉齡的增長，H2O2含量顯著增加，在老葉中含量達到最大，這可能是由于葉片中抗氧化酶含量的水平引起的。

1.4.2 外部因素

1.4.2.1 溫度 植物在生長發育過程中，外界環境因素的劇烈改變會對植物的生長和生存產生不利影響。環境條件的劇烈改變會使植物間接產生氧化脅迫，導致植物體內活性氧數量暴增，低于或者高于植物生活最適溫度都會對植物造成低溫或者高溫脅迫，從而改變植物抗氧化酶活性，進而影響植物的生長發育過程。

1.4.2.2 水分 植物細胞受到水分脅迫時，會主動積累溶質，降低滲透勢、水勢，維持水生理平衡，此時活性氧的大量產生會破壞這種平衡。干旱脅迫會增加植物中的活性氧含量。在正常水分條件下，植物體內的活性氧維持在低濃度水平，不會對植物的造成危害。當發生水分脅迫時，植物葉綠體中的O2·和H2O2的含量會增加。它們會攻擊蛋白質上的氨基酸殘基，在葉綠體內產生降解反應。此外，干旱時活性氧的增加，導致膜脂質的不飽和脂肪酸含量降低，影響細胞膜的流動性，從而導致膜功能弱化。

1.4.2.3 養分 外界CO2含量升高會抑制植物活性氧產生，增加抗氧化酶活性，從而增強光合作用。O3含量的升高能促進植物活性氧代謝過程，降低抗氧化酶活性，從而降低光合作用。在CO2和O3的含量均升高的環境下，CO2含量增大到一定程度時，會削弱植物受O3含量提高帶來的損害作用，而O3含量的提高在一定程度上也能削弱CO2含量上升對植物產生的有利影響。

2 逆境條件對植物活性氧代謝的影響

2.1 對活性氧自由基代謝的影響

2.1.1 對植物體內O2-的影響 逆境條件下，植物體內產生并累積活性氧從而破壞植物組織結構與功能，同時植物也可以通過改變活性氧代謝相關酶活性清除活性氧而減輕活性氧傷害以適應環境脅迫。O2-是其他類活性氧物質形成的主要物質，對植物有很強的毒性作用[9]，這是因為膜脂的過氧化或脫脂作用對膜結構產生了破壞作用[16]。比如，水分脅迫下八棱海棠和平邑甜茶幼苗葉綠體內O2-的產生速率顯著提高[17]，小麥葉片葉綠體的O2-產生速率隨著干旱時間的增加而增加[18]。

2.1.2 對植物體內H2O2的影響 H2O2是一種有毒有害的活性氧自由基[19]，它可以抑制光合固碳、參與葉綠體的降解過程。水分脅迫下，蘋果葉綠體中H2O2含量顯著上升，在水分脅迫后期，H2O2含量雖然有所降低，但仍高于對照組。Riley等[20]研究表明低氧脅迫下甜瓜植物的根和葉片中的H2O2含量也呈現相同的實驗結果。由于非生物脅迫下氧化傷害和膜脂質過氧化作用，導致植物葉片H2O2降解能力的下降，從而對植物產生損害作用[21]。

2.2 對植物膜脂過氧化程度的影響 逆境條件下，植物細胞產生大量的活性氧，這些活性氧以極強的氧化性造成細胞膜脂過氧化作用，導致膜系統損傷和細胞氧化，從而對植物造成嚴重傷害。丙二醛（MDA）含量是一種衡量植物膜脂過氧化程度的因子，它是植物細胞膜脂過氧化的產物，同時也是質膜受損傷程度的重要指標。研究表明在不同濃度NaCl處理下，鹽生大豆幼苗根中MDA含量未見明顯上升，葉片中略有增加;耐鹽性強的大豆根系中的MDA含量在高鹽脅迫下較對照有顯著上升，而耐鹽性弱的大豆根和葉中的MDA含量均有所上升，且隨著鹽脅迫強度的增大而升高[22]。

2.3 環境脅迫下抗氧化酶的應答機制 逆境脅迫下，植物體內的活性氧數量劇增，植物的抗氧化酶活性迅速升高，對清除活性氧起到重要應激反應。SOD催化O2-發生歧化反應生成O2和H2O2，在活性氧清除系統中起著重要的作用，它是植物抗逆境的重要的指標[23]。SOD活性和植物的抗氧化能力呈正相關[24-25]。受到輕度或短期水分脅迫的植物SOD活性逐漸增加，而受到嚴重或長期逆境脅迫的植物SOD活性會逐漸降低。然而在非生物脅迫下SOD活性變化較為復雜，SOD活性會一直下降或先降后升，或保持不變[26]。CAT在植物體內的主要作用是清除高濃度的H2O2，是植物體內重要的活性氧清除酶。在O3脅迫下的植物葉片中CAT活性會有所增加，但隨著脅迫強度增加而受到抑制，CAT活性下降;當O3濃度再次增加，CAT活性迅速下降。在水分脅迫下植物中的CAT活性會下降[27]，其原因有以下2個：一是H2O2過度的積累而導致CAT失活;二是發生了光失活，CAT為光失活酶，其酶活力的維持依賴于在光的作用下合成CAT蛋白，但其光修復對外界因素卻是異常敏感。另外，O2-和H2O2可分別或一起與CAT反應形成復合物，這也會使CAT活性得到抑制[28]。過氧化物酶（POD）也可以分解并清除植物組織中H2O2形成O2和H2O，有效地保護細胞免受毒害損傷[29]。

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（責編：張宏民）