植物抗氧化系統(tǒng)對水分脅迫及復(fù)水的研究進(jìn)展

1、植物抗氧化系統(tǒng)對水分脅迫及復(fù)水響應(yīng)研究進(jìn)展*胡國霞馬蓮菊陳強(qiáng)趙貴林褚妍任菲李雪梅(沈陽師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,遼寧沈陽110034摘要:干旱是影響植物正常生長發(fā)育的主要環(huán)境脅迫因素之一。本文從抗氧化酶(超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶和抗氧化物質(zhì)(抗壞血酸和谷胱甘肽兩方面綜述了植物抗氧化系統(tǒng)對水分脅迫及復(fù)水響應(yīng)的研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞:抗氧化酶;抗氧化物質(zhì);水分脅迫;復(fù)水中圖分類號(hào):?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):?Progress on the response of plant antioxidant system to water stress and

2、rewateringHu GuoXia, Ma LianJu,Chen Qiang,Zhao GuiLin,Chu Yan,Ren Fei,Li XueMei(College of Chemical and Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034 Abstract:Drought is one of the major environmental stressor influencing plant growth and development. The article reviewed the research ad

3、vances on the response of plant antioxidant system to water stress and rewatering in antioxidant enzymes (superoxide dismutase, peroxidase, catalase, ascorbate peroxidase, glutathione reductase and antioxidant substances (glutathione and ascorbic acid.Keywords:antioxidant enzyme;antioxidant substanc

4、es;water stress;rewatering0 植物為保證其代謝機(jī)能的正常進(jìn)行對本身活性氧(ROS的傷害具有適應(yīng)調(diào)節(jié)和抵御的能力,具體表現(xiàn)為在體內(nèi)存在著一套精細(xì)而又復(fù)雜的抗氧化系統(tǒng),其主要特征是降低或破壞抗氧化酶的活性或抗氧化物質(zhì)的含量,使ROS的代謝失衡。在正常條件下ROS在植物體內(nèi)的產(chǎn)生和清除處于一種動(dòng)態(tài)平衡,其濃度也維持在一個(gè)較低的水平,此時(shí)ROS不會(huì)損傷植物體而顯示出獨(dú)特的生理作用。但在逆境條件下這種動(dòng)態(tài)平衡遭到破壞,植物抗氧化系統(tǒng)清除ROS的能力下降,大量積累ROS對植物造成的傷害。這種傷害一方面使ROS的產(chǎn)生加快,另一方面破壞了以SOD為主的抗氧化系統(tǒng)導(dǎo)致ROS進(jìn)一步積累,

5、使植物遭到破壞1-2。為了清除ROS,植物會(huì)應(yīng)激的產(chǎn)生有效的抗氧化酶和抗氧化物質(zhì)3。因此,逆境脅迫下清除ROS的能力也會(huì)發(fā)生變化。植物在水分脅迫及復(fù)水時(shí)是主動(dòng)的適應(yīng)調(diào)節(jié)而不是被動(dòng)承受傷害,正是對這種脅迫的*基金資助:國家自然科學(xué)基金資助課題(30870205,31070285,遼寧省教育廳資助課題(L2010516,遼寧省自然科學(xué)基金(20092070,20102205 ,沈陽市科技局國際合作項(xiàng)目(1091241-6-00通訊作者:李雪梅作者簡介:胡國霞(1983-,女,遼寧錦州人,沈陽師范大學(xué)在讀碩士研究生,植物逆境生理。不斷適應(yīng),才使植物在長期的進(jìn)化過程中形成了比較完善復(fù)雜的抗氧化系統(tǒng)來清

6、除ROS4。近年來人們對植物清除ROS的抗氧化系統(tǒng)做了大量的研究,現(xiàn)就植物體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)及其對水分脅迫及復(fù)水的響應(yīng)研究做一綜述。1 植物的抗氧化系統(tǒng)植物的抗氧化系統(tǒng)在緩解脅迫方面起著重要的作用,是植物生理學(xué)的研究熱點(diǎn),它可清除植物體內(nèi)的ROS,以避免過量ROS對植物的傷害。植物的抗氧化系統(tǒng)由抗氧化酶類和抗氧化物質(zhì)即抗氧化劑類組成?？寡趸割惏▽OS起直接作用的超氧化物歧化酶(SOD、過氧化氫酶(CA T、抗壞血酸過氧化物酶(APX以及范圍作用較廣的過氧化物酶(POD,還包括維持抗氧化物質(zhì)還原性所必須的酶類即抗壞血酸(AsA-谷胱甘肽(GsH循環(huán)酶類等,如谷胱甘肽還原酶(GR、脫氫抗壞血酸

7、還原酶(DHAR、單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR等?？寡趸镔|(zhì)主要包括AsA和類胡蘿卜素(Car以及一些含巰基的低分子化合物(如還原型GsH等,它們可以通過多條途徑直接或間接地清除ROS,又可作為酶的底物而扮演重要角色。通過抗氧化系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用使ROS在植物體內(nèi)維持在較低水平,從而使植物進(jìn)行正常的生長和發(fā)育5。2 植物抗氧化系統(tǒng)對水分脅迫及復(fù)水的響應(yīng)一般情況下,抗氧化酶或抗氧化物質(zhì)具有較高的活性或含量,可以有效地清除ROS。大量的實(shí)驗(yàn)表明水分脅迫及復(fù)水時(shí),植物體內(nèi)抗氧化酶活性或抗氧化物質(zhì)含量會(huì)發(fā)生很大的變化,并隨著試驗(yàn)材料、抗氧化酶種類、脅迫程度及時(shí)間的不同而不同,通常情況下植物需要啟動(dòng)整個(gè)

8、抗氧化系統(tǒng)來抵抗水分脅迫及復(fù)水造成的傷害,單一的抗氧化酶或抗氧化物質(zhì)不能抵抗水分脅迫及復(fù)水造成的傷害。所以,植物體內(nèi)需要多種抗氧化酶或抗氧化物質(zhì)的共同參與,才能有效的清除植物體內(nèi)過量的ROS。2.1 植物抗氧化酶對水分脅迫及復(fù)水的響應(yīng)SOD是植物抗氧化系統(tǒng)的第一道防線,在清除ROS方面發(fā)揮著重要作用。SOD催化2個(gè)超氧自由基發(fā)生歧化反應(yīng)形成O2和H2O2,H2O2再被POD、CA T、APX、GR等抗氧化酶催化清除6。作為誘導(dǎo)酶, SOD活性受底物O2.-濃度的影響,水分脅迫下超氧陰離子(O2.-的產(chǎn)生增多,從而誘導(dǎo)SOD活性的增強(qiáng)。不同程度水分脅迫前期的蘋果葉片SOD活性大幅度上升,上升幅度

9、為嚴(yán)重脅迫>中度脅迫>輕度脅迫,嚴(yán)重脅迫時(shí)SOD失活7。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明,隨干旱脅迫強(qiáng)度的加強(qiáng)和處理時(shí)間的延長,大多數(shù)植物體內(nèi)SOD活性先升高后下降,輕中度脅迫下緩慢上升而重度脅迫下迅速上升。復(fù)水后隨時(shí)間的延長SOD活性有不同程度的恢復(fù),SOD活性下降可能是改變了細(xì)胞膜保護(hù)系統(tǒng),也可能是保護(hù)膜受到了嚴(yán)重?fù)p傷而喪失了保護(hù)功能8-12。而李建梅等13在轉(zhuǎn)基因甘薯上的研究發(fā)現(xiàn),隨著水分脅迫時(shí)間的延長SOD活性下降后上升,復(fù)水后開始下降。卜令鐸14、李云飛15和周雪英等16研究在不同的干旱脅迫程度下,隨著時(shí)間的延長SOD活性上升。說明通過提高SOD的活性,加強(qiáng)ROS的清除能力以適應(yīng)環(huán)境,

10、復(fù)水后SOD的活性有不同程度的變化, SOD活性先升高后下降,可能因?yàn)镾OD可清除O2.-,減輕膜脂過氧化對膜結(jié)構(gòu)的傷害,所以酶活性上升較高,清除后活性又下降;SOD活性下降說明SOD活性對ROS的積累產(chǎn)生不同的響應(yīng);而SOD活性上升可能加強(qiáng)了ROS的清除能力。杜建雄17和崔秀敏等18研究表明,干旱脅迫引起SOD活性下降;復(fù)水后活性上升。邵艷軍等19以C4植物玉米和高粱為材料研究表明,隨著水分脅迫程度的加強(qiáng),SOD活性的變化不同,抗旱性弱的玉米SOD活性變化與抗旱性強(qiáng)高粱SOD活性的變化均呈上升-下降-上升的變化趨勢,說明二者SOD抗氧化調(diào)節(jié)機(jī)制相同。復(fù)水后隨時(shí)間的延長,抗旱性強(qiáng)的玉米SOD活

11、性下降后回升;而高粱SOD活性變化一致,表明兩品種有共同抗氧化機(jī)制。這說明SOD有清除ROS的作用并參與了抗逆和復(fù)水后的修復(fù)。另外,冉飛等20研究發(fā)現(xiàn),錫金微孔草SOD活性在干旱脅迫期間變化不顯著,復(fù)水后SOD 活性有一定幅度的上升,這與李燕等21的研究結(jié)果相一致。而Wang和Huang22研究發(fā)現(xiàn),干熱脅迫時(shí)耐旱性強(qiáng)的品種SOD活性上升速度快幅度大,復(fù)水后SOD活性上升慢。POD也是植物抗氧化系統(tǒng)中重要的酶類,與CA T共同作用消除由SOD作用產(chǎn)生過量的H2O2,使H2O2維持在一個(gè)較低的水平。POD通過催化其他底物與H2O2反應(yīng)以消耗H2O223。植物在受到水分脅迫及復(fù)水時(shí),可誘導(dǎo)體內(nèi)PO

12、D活性上升,從而起到保護(hù)植物的作用。大量的研究表明,玉米14、刺槐苗木24、黃連木25和匍燈蘚等26植物的POD活性隨干旱脅迫時(shí)間的延長而上升,POD活性上升說明H2O2分解增強(qiáng)減輕了對植物的危害。復(fù)水后POD活性除匍燈蘚的活性下降外,其余均呈上升-下降-上升的變化趨勢,說明干旱脅迫使POD活性能維持在一個(gè)較高水平,增強(qiáng)了植物的抗氧化能力。POD作用具有雙重性。在逆境脅迫下,POD既可清除H2O2表現(xiàn)為保護(hù)效應(yīng),還可參與ROS的形成表現(xiàn)為傷害效應(yīng)27。何承坤28和李永強(qiáng)等11研究表明,POD活性在短期干旱脅迫后下降,復(fù)水后迅速恢復(fù)。劉海艷17、冉飛20和Cavaleanti29等研究發(fā)現(xiàn),PO

13、D活性隨著干旱脅迫時(shí)間的延長,呈先升高后降低的變化趨勢,復(fù)水后POD活性有不同程度的恢復(fù)。邵艷軍19和米海莉等8的研究表明,POD活性先隨干旱脅迫強(qiáng)度增加而升高-下降-上升的變化趨勢,復(fù)水后下降。此外,丁菲等9以當(dāng)年生構(gòu)樹幼苗為材料,研究不同程度干旱脅迫及復(fù)水后POD活性表明,POD活性變化不顯著,說明POD活性還沒有對逆境作出明顯的反應(yīng)。復(fù)水后POD活性下降。CA T是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶類之一,在干旱脅迫下水分的缺失可誘導(dǎo)植物體內(nèi)CAT活性的增強(qiáng),加速了對H2O2的分解從而避免羥基自由基(HO-的生成,在一定程度上減緩了植物過氧化的發(fā)生30。卜令鐸14、張立新31、Saneoka 32、

14、Srivalli33和李朝陽等26研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)干旱處理,CAT活性上升復(fù)水后下降。而杜建雄17、崔秀敏18和何承坤28等卻發(fā)現(xiàn),隨著干旱脅迫時(shí)間的延長引起CAT活性下降,復(fù)水后活性上升。CAT可清除植物體內(nèi)的H2O2,使ROS維持在一個(gè)較低水平,從而減緩ROS的積累及其它傷害的發(fā)生,以維持植物較正常的生長發(fā)育,并且可能在植物抗性中發(fā)揮重要作用34。CA T活性均隨著干旱脅迫程度及時(shí)間的延長,呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢,復(fù)水后CA T活性有不同程度的恢復(fù)11、17、20。而米海莉8和丁菲9等的研究卻發(fā)現(xiàn),CAT活性隨脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)和處理時(shí)間的延長表現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢。在復(fù)水期間活性變化不

15、同,牛心樸子的CA T活性恢復(fù)了而構(gòu)樹CAT活性卻下降,這表明CAT活性無論在干旱脅迫還是正常情況下都呈現(xiàn)出較大的波動(dòng),并且沒有表現(xiàn)出與干旱脅迫的程度和時(shí)間相關(guān)的規(guī)律性變化,即CAT酶的抗氧化作用不明顯?？箟难徇^氧化物酶(APX 也叫維生素C過氧化物酶,APX是葉綠體專一清除H2O2的關(guān)鍵酶。APX 是植物體內(nèi)清除ROS分子H2O2的主要酶類,APX以還原型AsA為反應(yīng)底物,將對植物體造成危害的H2O2分解成無毒的H2O和O2,單脫氫抗壞血酸可通過不同的途徑被還原成AsA35。李建梅等13的研究表明,在干旱脅迫及復(fù)水過程中,轉(zhuǎn)基因甘薯的APX活性先升高后下降,未轉(zhuǎn)基因甘薯與轉(zhuǎn)基因甘薯相反。而

16、陸燕元等36研究表明,轉(zhuǎn)基因甘薯植株的APX活性隨水分脅迫時(shí)間的延長呈現(xiàn)上升-下降-上升的變化趨勢,這與非轉(zhuǎn)基因甘薯植株的APX活性變化相反。水分脅迫24h后復(fù)水,轉(zhuǎn)基因甘薯植株APX活性先下降后上升,而脅迫48h后復(fù)水,APX活性則呈現(xiàn)先升后降再升高的雙峰變化。非轉(zhuǎn)基因植株APX活性變化沒有轉(zhuǎn)基因植株APX的活性變化明顯。這種變化的原因可能是在復(fù)水初期最初受到脅迫時(shí)積累的ROS 尚未完全清除,還繼續(xù)合成新的APX而最終導(dǎo)致APX活性的增加。復(fù)水中期APX活性的降低,可能是部分APX在ROS的清除過程中而消耗;而復(fù)水后期APX活性又升高,一種可能是沒有及時(shí)分解過量的APX,而表現(xiàn)出較高的活性。

17、另一種可能是APX的活性并不與脅迫的時(shí)間成比例關(guān)系。一定程度的水分脅迫APX的活性被激活;但隨著水分脅迫程度的加深,APX的活性則被抑制而不能及時(shí)響應(yīng),所以APX 的活性在水分脅迫48h比24h時(shí)的低。GR是一種黃素蛋白氧化還原酶,廣泛存在于真核生物和原核生物中,在水分脅迫下對ROS清除起關(guān)鍵作用。GR活性的提高可促進(jìn)GsH含量的增多,較高含量的GsH有利于再生AsA,APX活性的增強(qiáng)又可促進(jìn)AsA轉(zhuǎn)變?yōu)镈HA。該系統(tǒng)的GR對輕度水分脅迫作出積極的反應(yīng)活性升高,表明在水分脅迫下的重要作用37。說明GR活性的變化一方面反映植物對干旱脅迫的適應(yīng)性,另一方面反映ROS與抗氧化酶系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)平衡38

18、。李永強(qiáng)等11研究表明,隨著脅迫時(shí)間的延長,GR活性先升高后下降,復(fù)水后GR 不能恢復(fù)。GR活性上升可能是植物受到水分脅迫的刺激,為適應(yīng)體內(nèi)O2-與H2O2積累的一種適應(yīng)性調(diào)節(jié)。總之,植物體內(nèi)SOD、POD和GR等抗氧化酶的協(xié)同作用,能夠在干旱等逆境中清除體內(nèi)過量的ROS 以維持ROS的動(dòng)態(tài)平衡,保護(hù)膜結(jié)構(gòu)而最終增強(qiáng)植物對逆境的抗性39-41。而這種平衡可能有2種原因,一是SOD和POD等抗氧化酶在清除ROS的過程中相互協(xié)調(diào)而保持一個(gè)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡42;另外可能是在干旱脅迫下POD等抗氧化酶啟動(dòng)植物衰老機(jī)制的開始。2.2 植物抗氧化物質(zhì)對水分脅迫及復(fù)水的響應(yīng)植物體內(nèi)ROS的有效清除還需要抗氧化

19、物質(zhì)共同作用。水分脅迫及復(fù)水可影響植物體內(nèi)抗氧化物質(zhì)含量的變化,其影響程度和植物種類、品種以及抗性存在一定的相關(guān)性。AsA和GsH等均是植物有效的抗氧化物質(zhì),它們可直接同ROS反應(yīng),將其還原又可作為酶的底物并在ROS的清除過程中扮演重要角色。AsA是一種普遍存在于植物高豐度的小分子抗氧化物質(zhì),它可以直接與單線態(tài)氧(O21、O-2、H2O2和HO-等ROS反應(yīng),清除·OH猝滅O21及歧化H2O2,還可再生V E。因此在抵抗水分脅迫中具有重要作用43。也有研究表明,葉綠體中的AsA能與O2-反應(yīng)并能碎滅O21和清除H2O2,從而有利于避免受有毒物質(zhì)的傷害44。AsA在APX作用下與H2O2反應(yīng),H2O2接受以GsH為中介的NADPH的電子還原成H2O,從而清除H2O2。AsA氧化時(shí)形成MDHA,MDHA進(jìn)一步氧化形成DHA。在MDAH及DHA還原酶存在時(shí),AsA 可由MDHA及DHA再生45-46。由于AsA具有多種氧化功能,AsA含量下降可為植物抗氧化能力總體衰退的指標(biāo)47,在水分脅迫下,AsA含量的降低有可能代表諸葛菜葉片的整個(gè)抗氧化能力的降低48。王澤杰49、李朝陽26、王賀正50和王娟等37對不同種植物進(jìn)行不同方式的水分脅迫后復(fù)水發(fā)現(xiàn),