活性氧在植物體中的有益作用

黃家華 呂曼芳 李元強(qiáng) 蔣恒潔 卓聲瑩 溫榮芬 覃祥林

摘要：植物體中的活性氧（Reactive oxygen species，ROS）是植物有氧代謝的副產(chǎn)物ROS作為信號代謝分子調(diào)控不同的代謝反應(yīng)，例如病毒防御、細(xì)胞程序性死亡和氣孔開閉等。但是，當(dāng)植物體內(nèi)活性氧過量時，胞內(nèi)活性氧穩(wěn)態(tài)受到嚴(yán)重破壞，影響作物的生長發(fā)育，從而降低作物產(chǎn)量及品質(zhì)。本文主要討論了ROS在植物的生長發(fā)育過程中有益的作用，為今后進(jìn)一步研究提供參考。

關(guān)鍵詞：活性氧（ROS）;杭性;信號分子

自由基是包含了一個或者更多未成對電子的物質(zhì)，其化學(xué)性質(zhì)非?；顫?、氧化能力極強(qiáng)，并且極易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)?；钚匝酰≧eaction Oxygen Species，ROS）就是屬于自由基類的一類高活性氧化劑Ill，主要包括過氧化氫（H₂O₂）、單線態(tài)氧、超氧化陰離子和活性羥基自由基[2]。超氧陰離子（O^-2）是由于氧分子發(fā)生單電子還原反應(yīng)產(chǎn)生，而發(fā)生此反應(yīng)的單電子可以來自不同的途徑，包括光合鏈、呼吸鏈、還原劑反應(yīng)（如還原型核黃素、黃素核苷酸、黃素腺嘌吟二核苷酸、半胱氨酸、還原型谷胱苷肽等），以及體內(nèi)的一些酶促反應(yīng)。另外，在生物反應(yīng)及代謝過程中的Haber-Wiss反應(yīng)、Fe²⁺存在條件下的Fenton反應(yīng)及大量酶促反應(yīng)也可以產(chǎn)生大量的OH·及H₂O₂[1]。

1 活性氧在植物體內(nèi)的有益作用

最初，ROS被認(rèn)為是氧化代謝中具有很強(qiáng)毒性的副產(chǎn)物，并且沒有任何生物意義，但深入研究發(fā)現(xiàn)，活性氧在植物細(xì)胞中常常作為細(xì)胞反應(yīng)的調(diào)節(jié)分子，調(diào)節(jié)細(xì)胞程序性死亡（Programmed Cell Death，PCD）、調(diào)控生物體的生長發(fā)育以及向地性生長等生物活動過程lal，并且在植物細(xì)胞正常生理代謝過程中，所有的有氧細(xì)胞產(chǎn)生的ROS還能夠平衡抗氧化生化過程。

1.1 ROS對植物杭性的影響

目前的研究表明，H₂O₂在抗病信號傳導(dǎo)中處于水楊酸（Salicylic Acid，SA）的下游，并能誘導(dǎo)病程相關(guān)蛋白的表達(dá)[4]。越來越多的試驗表明，H₂O₂可以作為局部和系統(tǒng)的信號分子誘導(dǎo)植物的抗病性。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)來提高植物體內(nèi)的H₂O₂水平能夠積累SA和幾丁質(zhì)酶，并提高陰離子CA丁水平以及誘導(dǎo)防衛(wèi)基因的表達(dá)從而提高植物對病原菌的抗性。Grant[5]已經(jīng)證明，·O²-和H₂O₂具有直接抑制菌的生長，并且在植株上也得到了證明;一般認(rèn)為，寄主植物與病原菌互作過程中首先由病原菌激發(fā)子誘導(dǎo)寄主植物中特殊的氧化酶活性，由該酶產(chǎn)生·J-和H₂O₂等活性氧，來抑制病原菌的生長發(fā)育。

蘆光新[6]在研究活性氧積累與小麥抗白粉病關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，活性氧是植物抗病反應(yīng)的一個指標(biāo)，與細(xì)胞防衛(wèi)反應(yīng)的強(qiáng)度有關(guān)。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，ROS在植物的抗逆信號傳導(dǎo)中具有重要作用，表現(xiàn)為植物在一種環(huán)境脅迫的條件下可以獲得對其它脅迫更高的抗性。這是因為不同的脅迫在細(xì)胞及分子水平上產(chǎn)生相似的作用，即均能產(chǎn)生ROS[7]。

1.2 ROS在植物細(xì)胞程序性死亡中的作用

細(xì)胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）是植物生長周期中必要的過程，目前植物的PCD反應(yīng)研究最好的模型是植物與病原菌非親和互作中的HR（hypersensitive response）反應(yīng)。在HR反應(yīng)過程中，病原菌侵入點附近的細(xì)胞內(nèi)氧化性物質(zhì)的大量產(chǎn)生并導(dǎo)致細(xì)胞的程序性死亡，從而抑制了病原菌的侵染。這種氧化性物質(zhì)的爆發(fā)是由于NADPH氧化酶復(fù)合物的作用。然而，正是由于在HR反應(yīng)過程中產(chǎn)生的ROS調(diào)節(jié)了這種NADPH氧化酶復(fù)合物的活性。通過用病原菌的激發(fā)子處理煙草細(xì)胞，能夠誘導(dǎo)煙草細(xì)胞內(nèi)大量的H₂O₂積累，同時煙草體內(nèi)的過氧化氫酶基因Cat1和Cat2的mRNA水平和蛋白質(zhì)水平都有所減少，且該酶的活性也受到了抑制。同樣，病毒介導(dǎo)的類似HR反應(yīng)同樣能夠誘導(dǎo)H2Oz積累從而抑制Apx類基因的表達(dá)。

Torres等研究也表明，植物體在病毒防御反應(yīng)中通過ROS控制細(xì)胞程序性死亡。在病毒防御過程中，植物細(xì)胞通過增加質(zhì)膜連結(jié)NADPH氧化酶，細(xì)胞壁連結(jié)過氧化物酶和胺基氧化酶的酶活性產(chǎn)生活性氧。在這樣的環(huán)境下，能直接或通過超氧化物歧化而產(chǎn)生多達(dá)15μmolH₂O₂，和超氧化物相比較H₂O₂能擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞并且激活植物的防御反應(yīng)。在對病菌的反應(yīng)過程中活性氧作為細(xì)胞程序性死亡調(diào)節(jié)分子和第二信使，在許多植物激素反應(yīng)中起著重要作用。

1.3 ROS對植物氣孔關(guān)閉的影響

保衛(wèi)細(xì)胞中ABA經(jīng)NADPH氧化酶介導(dǎo)H₂O₂合成，而H₂O₂介導(dǎo)ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，其中微摩爾級H₂O₂對于激活質(zhì)膜Ca²⁺通道非常重要。ABA誘導(dǎo)質(zhì)膜NADPH氧化酶（RBOH）或葉綠體合成H₂O₂，H₂O₂使向內(nèi)的K⁺通道失活，引起細(xì)胞質(zhì)pH值升高（堿性增加），從而激活質(zhì)膜上的Ca²⁺通道。ABA可以促使ABA生長控制型突變體2（gca2）產(chǎn)生HZOz，但不能使Ca²⁺活化。abi1突變體保衛(wèi)細(xì)胞不能合成H₂O₂，但能夠?qū)ζ浒l(fā)生反應(yīng)，而abi2保衛(wèi)細(xì)胞可以合成H₂O₂，但不能對其發(fā)生反應(yīng)。

1.4 ROS對植物向地性生長的影響

最近研究發(fā)現(xiàn)H₂O₂介導(dǎo)生長素調(diào)節(jié)的向地性反應(yīng)。重力誘導(dǎo)H₂O₂在玉米根部的不對稱分布和生長素的作用一樣，而且使用H₂O₂：或抗氧化劑都可以促進(jìn)或抑制根向地性的產(chǎn)生。過氧化氫酶不影響其根部的向地性生長，表明H₂O₂的產(chǎn)生可能涉及細(xì)胞內(nèi)源途徑，但其產(chǎn)生機(jī)制仍不清楚181

1.5 ROS在種子休眠中的作用

強(qiáng)妮花[9]的研究發(fā)現(xiàn)，新收獲的向日葵種子處于休眠狀態(tài)，需要經(jīng)過后熟作用才能萌發(fā)，而后熟作用會導(dǎo)致胚軸細(xì)胞中的超氧陰離子和過氧化氫逐漸積累，ROS的這種積累發(fā)生在脂質(zhì)過氧化反應(yīng)和胚蛋白的羰基化反應(yīng)之后。用HCN（活性氮）或甲基紫精（methyl viologen，MV）（產(chǎn)生ROS的化合物）處理休眠的種子也可以引起休眠的解除和一系列特定的胚蛋白的氧化;單色楓木（槭樹科）種子在非凍土壤中幾乎不能萌發(fā)，季節(jié)性凍土處理促進(jìn)其萌發(fā)，并伴隨著ROS的遞增，表明ROS在種子休眠的解除中充當(dāng)正調(diào)控因子。

1.6 ROS與其他信號分子的協(xié)同作用

和NO信號分子的協(xié)同作用一氧化氮（nitric oxide，NO）是生物體內(nèi)普遍存在的信號分子，能夠與·O^2-作用形成高度活化的過氧化亞硝酸陰離子（peroxynitriteanion，ONOO-），隨后由過氧化亞硝酸陰離子誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生反應(yīng)。在植物防衛(wèi)反應(yīng)中，Delledonn等以大豆為材料首次發(fā)現(xiàn)并進(jìn)一步驗證了ROS協(xié)同NO作用對過敏反應(yīng)起加強(qiáng)效應(yīng)。

2 展望

對ROS作用的研究大多是對生物體的有害研究。ROS的生物活性強(qiáng)，易與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，損壞生物膜系統(tǒng)和生物結(jié)構(gòu)，引起蛋白質(zhì)失活和細(xì)胞DNA、RNA在結(jié)構(gòu)和功能上的損害。對ROS在生物體細(xì)胞變形、突變、衰老和凋亡中的影響研究較多[10]。對ROS的有益作用研究相對較少。隨著人們對活性氧研究的深入，越來越多的ROS的功能將得到闡明，尤其是ROS在植物基因表達(dá)調(diào)控信號網(wǎng)絡(luò)中的作用，將會有更深入的了解。ROS介導(dǎo)的蛋白氧化還原的動態(tài)轉(zhuǎn)化，也是ROS研究的熱點，這對于揭示很多生命現(xiàn)象具有重要意義。

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