干旱脅迫下ROS的產(chǎn)生、清除及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究進展

楊利 王波 李文姣 王興軍 趙術(shù)珍

（1. 山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，濟南 250014；2. 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究中心 山東省作物遺傳改良與生態(tài)生理重點實驗室，濟南 250100；3. 濰坊工程職業(yè)學(xué)院，濰坊 262500）

由于劇烈的氣候變化，鹽堿化、干旱、極端溫度、澇災(zāi)等非生物脅迫的加劇，已成為作物可持續(xù)生產(chǎn)的重大威脅［1］。這些非生物脅迫的必然后果之一是導(dǎo)致植物的細胞器（如葉綠體、過氧化物酶體和線粒體等）過度積累活性氧（reactive oxygen species，ROS）［2］。植物體在感知ROS水平改變后，能夠通過抗氧化防御系統(tǒng)等途徑對ROS進行清除，在一定程度上控制ROS水平的提高。此外，在脅迫條件下，ROS可以作為一種信號分子，通過H2O2等作為第二信使的特定信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，觸發(fā)防御反應(yīng)。盡管如此，如果脅迫長期持續(xù)，導(dǎo)致ROS過度產(chǎn)生，使其與清除作用失衡，將不可避免地導(dǎo)致植物體產(chǎn)生氧化損傷。本文將集中討論干旱脅迫期間ROS的產(chǎn)生、清除及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究進展。

1 ROS類型及產(chǎn)生部位

ROS通常是指不完全還原的氧，由自由基和非自由基組成。自由基包括羥基自由基（OH·），超氧自由基（O2-）和過氧自由基（ROO·）等，非自由基包括H2O2、單線態(tài)氧（1O2）和臭氧（O3）等。此外，一些酸如次溴酸（HBrO）、亞碘酸（HIO）、次氯酸（HClO）、碳酸鹽自由基（CO3-·）和半醌（SQ-·）也被劃歸為 ROS 中［3］。

在植物細胞中，葉綠體、線粒體、過氧化物酶體、質(zhì)膜和細胞壁是ROS產(chǎn)生的主要部位［4］。光照條件下，植物主要通過光合作用和光呼吸作用在葉綠體和過氧化物酶體中產(chǎn)生ROS，光照條件下線粒體中也產(chǎn)生ROS，但ROS水平要比葉綠體和過氧化物酶體低。線粒體電子傳遞鏈主要是黑暗條件下ROS的產(chǎn)生部位。

2 干旱脅迫下ROS的產(chǎn)生

干旱脅迫下，根系首先感知水分虧缺信號，然后將信號通過木質(zhì)部汁液向葉片傳輸。其中，脫落酸是主要的根莖脅迫信號之一。干旱導(dǎo)致氣孔關(guān)閉、CO2攝入減少、光合速率降低、光能利用失衡以及葉綠體光化學(xué)改變，導(dǎo)致ROS過量產(chǎn)生［5］。研究表明，干旱脅迫下ROS通過多種途徑產(chǎn)生。葉綠體中光系統(tǒng)PSI和PSII是產(chǎn)生ROS的主要部位。在PSII反應(yīng)中心附近，在脅迫條件下葉綠素過度激發(fā)時，O2可能產(chǎn)生1O2。此外，在通過QA和QB轉(zhuǎn)移到O2的電子轉(zhuǎn)移過程中，也可以通過Mehler反應(yīng)在PSI或PSII處形成O2-。干旱脅迫下，光呼吸作用也可以產(chǎn)生ROS，即在碳同化過程中催化核酮糖-1，5-二磷酸（RuBP）羧化的酶 rubisco 也可以利用 O2來氧化核酮糖-1，5-二磷酸產(chǎn)生乙醇酸，然后將其從葉綠體轉(zhuǎn)運到過氧化物酶體被氧化并生成［4］。此外，多胺氧化酶、銅胺氧化酶、亞硫酸鹽氧化酶和肌氨酸氧化酶活性也能在過氧化物酶體中生成H2O2［6］。單脫氫抗壞血酸還原酶（micro monodehydroascorbate reductase，MDHAR）也存在于過氧化物酶體中，主要通過AsA-GSH（抗壞血酸-谷胱甘肽）循環(huán)清除H2O2并再生AsA。在植物的非綠色部分，特別是根部，線粒體是產(chǎn)生ROS的主要部位，電子傳遞鏈復(fù)合物I和III的電子泄漏產(chǎn)生O2-，隨后被Mn-SOD和CuZn-SOD催化成H2O2［4，7］。

3 干旱脅迫下ROS清除

植物ROS的細胞穩(wěn)態(tài)水平必須受到嚴格的調(diào)控，以防止ROS過度積累而導(dǎo)致氧化爆發(fā)，最終導(dǎo)致大面積的細胞損傷和死亡。氧化損傷的癥狀（如脂質(zhì)過氧化）可作為判斷干旱脅迫下ROS水平的依據(jù)，但沒有氧化損傷癥狀并不能說明ROS水平?jīng)]有提高，而可能是由于細胞抗氧化防御的增強所致［8］。ROS的清除主要通過抗氧化酶促系統(tǒng)和非酶促系統(tǒng)進行。另外，葉綠體和線粒體中也存在其它控制ROS產(chǎn)生和清除的重要途徑。

3.1 酶促抗氧化系統(tǒng)

酶促抗氧化劑包含超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD），過氧化氫酶（catalase，CAT），過氧化物酶（peroxidase，POD），谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GPX），抗壞血酸過氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX），單脫氫抗壞血酸還原酶，脫氫抗壞血酸還原酶（dehydroascorbate reductase，DHAR），谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR），以及谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶（glutathione S-transferase，GST）等。測定干旱脅迫下抗氧化酶活性或分析其表達水平是評估抗氧化酶促系統(tǒng)參與干旱脅迫的一種方法。然而，許多研究成果存在差異。這些差異可能與植物的年齡和對水分脅迫的耐受性或策略有關(guān)，也可能與脅迫處理的持續(xù)時間和強度有關(guān)。然而，有研究表明抗氧化系統(tǒng)的誘導(dǎo)水平與植物物種或植物品種的耐旱程度密切相關(guān)［9］。

在水分脅迫下，向日葵幼苗和禾本科植物山羊草的SOD活性下降，與之相反，在小麥、豌豆中的SOD活性提高。研究表明，干旱脅迫下多種作物的SOD活性提高，如干旱脅迫下番茄的H2O2和O2-積累增多，SOD活性提高，從而增強了番茄的耐旱性［10］。兩個高粱品種［M-81E（耐受型）和Roma（敏感型）］在干旱脅迫下，M-81E和Roma的H2O2分別比對照提高28.9%和54.9%，SOD活性提高1.6倍和1.1倍，表明M-81E具有更強的耐旱性［11］。在干旱脅迫下，SOD過表達轉(zhuǎn)基因植物抗氧化能力也顯著提高。將耐旱的硬皮豆MuWRKY3在花生中異源表達，轉(zhuǎn)基因株系的MDA，H2O2和O2-含量較低，SOD的活性提高了3-5倍，花生耐旱性增強［12］。在轉(zhuǎn)基因苜蓿和水稻中也得到了相似的結(jié)果，即過量表達葉綠體靶向MnSOD提高了其耐旱性［13］。

干旱脅迫下，不同作物中的APX和GR活性也提高。如菜豆在干旱脅迫下APX和GR活性提高［14］。在輕度水分脅迫（-0.7 Mpa）下玉米離體葉片APX和GR活性均顯著提高［15］。由于APX對H2O2的高度親和力，干旱脅迫下即使是APX活性的輕微提高，也被認為是清除脅迫細胞內(nèi)H2O2的重要途徑。在豇豆葉片中的研究表明，干旱脅迫誘導(dǎo)GR基因表達上調(diào)，且與脅迫強度直接相關(guān)。而葉綠體APX基因在耐旱性植物中，對逐漸減少的水分有早期反應(yīng)。因此，干旱脅迫下APX和GR同工酶在胞內(nèi)不同部位發(fā)生的這種細微的變化，可能與品種的耐性有關(guān)［9，16］。在氧化脅迫誘導(dǎo)型啟動子的控制下，在馬鈴薯葉綠體中表達APX，提高了轉(zhuǎn)基因植株對甲基紫精介導(dǎo)的氧化脅迫和高溫的耐受性［17］。

在干旱脅迫下，在綠葉大戟中還誘導(dǎo)了另外兩種與谷胱甘肽代謝有關(guān)的酶，即谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（GST）和谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）［18］。GPXs能以谷胱甘肽（GSH）作為還原劑有效清除H2O2和脂質(zhì)氫過氧化物，但研究表明，在植物中還是優(yōu)先使用硫氧還蛋白作為還原劑。因此，與硫氧還蛋白密切相關(guān)的植物GPX可能是氧化脅迫下生物膜的有效保護酶［18］。

干旱脅迫下CAT活性變化也不盡相同。在水分脅迫下，CAT活性有的增加，有的保持不變，有的甚至降低。如油菜在干旱脅迫下總酚含量增加，CAT活性上調(diào)［10］。高羊茅在水分脅迫下CAT活性保持不變［19］。黃麻在水分脅迫下CAT活性下降，導(dǎo)致H2O2積累［20］。進一步研究表明，在氧化脅迫方面，APX是一種比CAT更敏感的清除酶。CAT通過直接分解生成H2O和O2來消除H2O2。研究表明，PEG處理和輕度干旱不會影響CAT活性［14，21］?？傊@些研究表明，CAT活性僅在嚴重干旱脅迫下才增強，而在中度干旱脅迫下，抗壞血酸通過AsAGSH循環(huán)清除H2O2的效果更好。此外，過量的H2O2可以攻擊并抑制APX，因此，CAT活性可能有利于在嚴重干旱脅迫下維持APX活性［22］。在APX和CAT的雙反義轉(zhuǎn)基因植物中發(fā)現(xiàn)了一種替代或冗余防御機制來補償APX和CAT的缺失。而在APX或CAT的單反義植物中沒有此替代防御機制，使得單反義植物比雙反義植物對氧化脅迫更敏感，這說明植物自身具有高度可塑性來應(yīng)對內(nèi)外環(huán)境的改變［22］。

以上研究表明，干旱脅迫會不同程度的改變多種酶促抗氧化劑的活性，同時，酶促抗氧化劑的過量表達也能提高植物的抗旱性。但是，在不同的細胞器不同酶的協(xié)調(diào)作用機制還需要進一步明晰。另外，ROS的半衰期短也限制了我們對酶促抗氧化系統(tǒng)對活性氧清除機制的研究。

3.2 非酶促抗氧化系統(tǒng)

非酶促抗氧化系統(tǒng)包括抗壞血酸（ascorbic acid，AsA）、谷胱甘肽（glutathione，GSH）、類胡蘿卜素、生育酚、脯氨酸（proline，Pro）和類黃酮等。其中AsA和GSH是高等植物中含量最多的可溶性抗氧化劑，它們作為電子供體和通過AsA-GSH循環(huán)直接清除ROS發(fā)揮著重要作用［2］。Mehler反應(yīng)產(chǎn)生的超氧化物可以被葉綠體中高濃度的AsA直接還原。類胡蘿卜素可以清除有害的自由基，保護捕光復(fù)合蛋白和類囊體膜的穩(wěn)定性［23］。α-生育酚是一種抗氧化劑，它不僅能防止1O2和OH·的形成，還可以清除脂質(zhì)過氧化物自由基［24］。在干旱脅迫下，這種有效的保護類囊體和葉綠體膜的保護劑在多種植物中均有積累。

干旱脅迫下，木豆中AsA含量增加，降低了過量H2O2產(chǎn)生的毒性［25］。干旱條件下兩個玉米雜交種Xida 889 和Xida 319，GSH含量分別比對照增加了17%和28%［26］。另外，Pro作為溶質(zhì)在干旱期間積累，Pro生產(chǎn)缺陷的突變體對干旱敏感［27］。Pro和甜菜堿有助于水分吸收和ROS猝滅，從而保護組織免受損傷［28-30］。Pro還和糖一起保護光合系統(tǒng)在干旱時免受過氧化作用［31］。

外源AsA對植物的滲透脅迫有緩解作用。在15%PEG處理下，外源AsA誘導(dǎo)的甘藍型油菜、野油菜和芥菜型油菜中氧化脅迫減弱，表現(xiàn)為H2O2和MDA含量的降低［32］。AsA介導(dǎo)的氧化脅迫緩解作用使得植物抗氧化劑防御機制增強。外源AsA緩解了玉米中PEG誘導(dǎo)的氧化脅迫，內(nèi)源AsA含量增加，降低了過多H2O2的生成，減少脂質(zhì)過氧化［33］。同樣，外源GSH提高了干旱脅迫下綠豆幼苗中AsA和GSH含量，增強了GSH / GSSG、APX、MDHAR、DHAR和GPX的抗氧化系統(tǒng)活性，減少了ROS產(chǎn)生的不利影響［34］。

AsA和GSH在清除ROS的抗氧化防御系統(tǒng)中的作用已被廣泛研究。然而，外源性GSH抗氧化防御系統(tǒng)的相關(guān)研究還需要在遺傳和分子水平上進一步證實。另外，在氧化脅迫過程中，AsA-GSH循環(huán)組分與激素或其他信號分子之間的相互作用尚不清楚。此外，AsA或GSH對生育酚的調(diào)節(jié)以及GSH對Pro的調(diào)節(jié)也是一個有趣的研究領(lǐng)域。這些問題的闡明將為緩解植物的氧化脅迫，提高植物的光合效率提供重要的理論依據(jù)。

3.3 干旱脅迫下光呼吸對ROS的清除作用

盡管光呼吸產(chǎn)生的H2O2是一種有效的硫醇抑制劑（卡爾文循環(huán)中的硫醇酶是H2O2抑制的靶點），但在干旱脅迫下，當(dāng)氣孔關(guān)閉限制CO2的固定而降低RuBP的羧化速率時，光呼吸卻是保護植物的重要途徑［35］。首先，光呼吸有助于能量耗散，從而減輕光合機構(gòu)的光抑制作用。其次，光呼吸將H2O2的產(chǎn)生轉(zhuǎn)移到過氧化物酶體而不是葉綠體。植物過氧化物酶體是動態(tài)的細胞器，能根據(jù)環(huán)境變化調(diào)整其數(shù)量，并隨著H2O2的積累而增加，因此，這種變化可能也發(fā)生在干旱脅迫條件下。CAT和其他過氧化物酶體APX亞型的非還原性清除作用可以抵消過氧化物酶體中H2O2的生成，這些亞型能迅速為細胞器解毒。最后，光呼吸產(chǎn)生的甘氨酸是GSH的前體，是AsA-GSH途徑的代謝產(chǎn)物。因此，提供了抗氧化脅迫的額外保護作用［4，7］。

3.4 線粒體中控制ROS產(chǎn)生的途徑

干旱脅迫下控制ROS 的產(chǎn)生是植物應(yīng)對干旱脅迫的重要策略。線粒體通過高效的能量耗散機制在控制 ROS產(chǎn)生中發(fā)揮重要作用［4，7］。交替氧化酶（alternativeoxidase，AOX）途徑是線粒體中細胞色素途徑的替代途徑，它可以轉(zhuǎn)移流經(jīng)電子傳輸鏈的電子，并利用它們將O2還原為水。硬粒小麥是一種耐旱的地中海植物，其線粒體中存在3種活性能量耗散系統(tǒng)，即ATP敏感性植物線粒體鉀通道（PmitoKATP），植物解偶聯(lián)蛋白（PUCP）和AOX。這些系統(tǒng)的激活會導(dǎo)致線粒體ROS的產(chǎn)生顯著減少［36］。在氧化脅迫下，ROS可以非常迅速地誘導(dǎo)PmitoKATP和PUCP活性，進而控制ROS的產(chǎn)生。而AOX是ROS不敏感型的，是由光呼吸代謝調(diào)節(jié)。研究表明，在環(huán)境脅迫如干旱脅迫下，硬粒小麥線粒體中光呼吸途徑的中間產(chǎn)物乙醛酸和羥基丙酮酸激活A(yù)OX，來對抗氧化脅迫［36］。

4 干旱脅迫下的ROS信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

ROS產(chǎn)生和清除之間存在脆弱的平衡，當(dāng)植物遭受輕度的干旱脅迫時，氣孔關(guān)閉導(dǎo)致ROS水平增加，與此同時，滲透物積累增加并使抗氧化劑系統(tǒng)激活，可以有效清除ROS。而當(dāng)植物遭受嚴重的干旱脅迫時，干旱脅迫導(dǎo)致ROS過度產(chǎn)生，而抗氧化系統(tǒng)功能失調(diào)無法清除ROS，使 ROS 的產(chǎn)生與其清除失衡，從而導(dǎo)致氧化脅迫［37］。但ROS水平升高不會立即產(chǎn)生有害作用，如果對其及時控制，可能會對植物有益。事實上，細胞內(nèi)升高的ROS水平是觸發(fā)植物防御途徑和適應(yīng)性反應(yīng)的關(guān)鍵信號，脅迫條件下ROS作為植物信號分子的研究也越來越多。

4.1 H2O2作為第二信使

由于OH·具有最短的半衰期（～1 μs）和極強的反應(yīng)性，OH·難以擴散。因此，這種ROS不可能從其產(chǎn)生位點遷移并作為一種信號分子發(fā)揮作用，而是與其他分子及其本身發(fā)生局部反應(yīng)［3］。而H2O2是一種非常穩(wěn)定的ROS，具有最長的半衰期（～1 ms），并且擴散性極強，它可以很容易地從細胞器“逃逸”到細胞質(zhì)中。H2O2也可以通過胞質(zhì)SOD在胞質(zhì)溶膠中直接產(chǎn)生。然而，在胞質(zhì)溶膠中，H2O2很容易通過AsA-GSH循環(huán)被抗壞血酸鹽清除。在干旱脅迫下H2O2可以迅速產(chǎn)生，抗氧化系統(tǒng)能夠?qū)ζ溥M行有效清除，從而可以使信號快速“接通”和“斷開”，這也是作為有效第二信使的必要條件［37］。傳統(tǒng)上認為，ROS是有氧代謝的有毒副產(chǎn)物。然而，近年來，越來越多的研究表明，植物主動產(chǎn)生ROS作為信號分子來控制細胞程序性死亡、非生物脅迫反應(yīng)、病原防御和系統(tǒng)性信號傳導(dǎo)等過程［14］。與動物相比，植物對H2O2的耐受性極強，抗氧化系統(tǒng)嚴密控制細胞氧化還原狀態(tài)，而不是清除所有細胞內(nèi)的H2O2［38］。

細胞ROS信號的特異性可以通過其產(chǎn)生、調(diào)控和轉(zhuǎn)導(dǎo)的部位決定。干旱脅迫下，不同的植物細胞器對細胞氧化還原信號產(chǎn)生不同的響應(yīng)。盡管H2O2在過氧化物酶體和葉綠體中的生成速度更快［4］，但線粒體是最易受到氧化損傷的細胞器［4，7］。線粒體產(chǎn)生的ROS（如H2O2）的增加可能是一個重要的警報信號，上調(diào)抗氧化防御系統(tǒng)或在氧化脅迫增強時觸發(fā)程序性細胞死亡。識別易受氧化損傷的細胞內(nèi)位點，對創(chuàng)建抗非生物脅迫轉(zhuǎn)基因植物有重要的指導(dǎo)意義。

大量研究表明，由H2O2調(diào)控的下游事件是鈣動員、蛋白質(zhì)磷酸化和基因表達。ROS通過激活擬南芥保衛(wèi)細胞質(zhì)膜上的超極化依賴性Ca2+通道，誘導(dǎo)［Ca2+］cyt增加［39］。這種 ROS誘導(dǎo)的［Ca2+］cyt的增加在其他類型的細胞中也被檢測到，這表明Ca2+通道的激活可能是許多ROS介導(dǎo)的信號過程的關(guān)鍵步驟［40］。另一方面，H2O2誘導(dǎo)了絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）的磷酸化，MAPK進而參與調(diào)節(jié)下游基因表達的多個信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)［41］。

H2O2在植物中起著脅迫信號的作用，促進多種細胞保護劑的積累，這些保護劑可能直接或間接地調(diào)節(jié)細胞氧化還原狀態(tài)，從而控制信號本身的程度。例如，H2O2可以誘導(dǎo)編碼線粒體AOX的核基因Aox1的表達，Aox1基因表達會導(dǎo)致細胞內(nèi)ROS含量迅速增加［42］。Desikan 等［43］利用 cDNA 芯片技術(shù)對氧化脅迫下擬南芥中H2O2調(diào)控基因進行了轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，共鑒定出175個受H2O2調(diào)控的非冗余ESTs，其中113個表達上調(diào)，62個表達下調(diào)［43］。在表達上調(diào)的113個ESTs中篩選出了14個功能已知的基因，如鈣調(diào)蛋白、熱休克蛋白、潛在信號蛋白等基因。在有抗壞血酸存在和無抗壞血酸存在的情況下，測定了干旱脅迫對以上14個ESTs表達的影響，結(jié)果表明，干旱脅迫誘導(dǎo)了H2O2響應(yīng)型ESTs的表達?？箟难犷A(yù)處理可以降低干旱誘導(dǎo)的ESTs的表達。同樣，紫外線照射也誘導(dǎo)了H2O2響應(yīng)型ESTs的表達，而抗壞血酸預(yù)處理同樣降低了紫外線照射對H2O2響應(yīng)型ESTs表達的誘導(dǎo)［43］。

H2O2促進哺乳動物內(nèi)皮細胞中NO介導(dǎo)的蛋白酶體復(fù)合物的活化，該復(fù)合物參與了氧化損傷蛋白質(zhì)的清除。這種H2O2觸發(fā)的蛋白酶激活也可能發(fā)生在植物中，此前已經(jīng)證明干旱脅迫能誘導(dǎo)細胞內(nèi)蛋白酶溶解活性的提高。由于氣孔關(guān)閉導(dǎo)致蒸騰量減少，植物受到干旱脅迫的同時也受到了熱脅迫。H2O2能夠誘導(dǎo)熱休克蛋白的表達，表明H2O2可能也參與了熱脅迫信號傳導(dǎo)途徑［44］。

4.2 干旱條件下ABA和ROS信號的交叉反應(yīng)

激素ABA和ROS之間存在錯綜復(fù)雜的調(diào)控關(guān)系。干旱脅迫下，植物中ABA積累，并觸發(fā)下游響應(yīng)，使植物以ABA依賴的方式對干旱脅迫產(chǎn)生響應(yīng)［45］。然而，僅ABA不能引起某些ABA依賴的水分脅迫響應(yīng)［46］。例如，在低水勢條件下，ABA積累是誘導(dǎo)擬南芥脯氨酸積累的必需條件，但是在高水勢條件下，外源ABA不能誘導(dǎo)脯氨酸的積累［47］。這表明，除了ABA以外，還需要其他因素來調(diào)節(jié)水分脅迫下的ABA反應(yīng)，植物的代謝狀態(tài)可能是導(dǎo)致這種差別的原因。干旱脅迫會引起許多生理和生化變化，從而改變植物的代謝狀態(tài)，影響細胞對ABA積累的敏感性。干旱脅迫引起的一個重要變化是ROS增加導(dǎo)致細胞氧化還原狀態(tài)的改變。因此，干旱脅迫下ROS的產(chǎn)生是代謝狀態(tài)與ABA信號之間的聯(lián)系，ROS作用于ABA的下游并調(diào)節(jié)ABA信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑［46］。

干旱脅迫下ABA誘導(dǎo)的生理反應(yīng)最顯著特征之一是葉片氣孔關(guān)閉。研究表明，ABA通過膜結(jié)合的NADPH氧化酶促進保衛(wèi)細胞中H2O2的合成，H2O2通過激活（超極化）質(zhì)膜Ca2+通道介導(dǎo)氣孔關(guān)閉［48］。ABI1和ABI2這兩種類似于2C型蛋白磷酸酶（PP2C）是保衛(wèi)細胞ABA信號的負調(diào)控因子，它們分別在ABA/ROS介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉的上游和下游發(fā)揮作用。OST1蛋白是一種絲氨酸或蘇氨酸蛋白激酶，對ABA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉有促進作用，在ABA誘導(dǎo)的ROS的上游起作用［49］。擬南芥谷胱甘肽過氧化物酶6（ATGPX6）也通過負調(diào)節(jié)ABI2活性參與ABA依賴的保衛(wèi)細胞H2O2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)［49］。與野生型相比，過表達ATGPX6的轉(zhuǎn)基因植物對干旱脅迫的抵抗力更強。有人認為ATGPX6具有雙重作用，不僅是H2O2的重要清除劑，而且還是ABA信號通路中介導(dǎo)氣孔調(diào)節(jié)以應(yīng)對干旱脅迫的必不可少的因子［50］。

所有這些研究表明，ROS在保衛(wèi)細胞ABA信號網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮了中心作用。此外，干旱脅迫下的ROS信號不僅作用于氣孔關(guān)閉的下游，而且作用于ABA信號網(wǎng)絡(luò)的上游。Zhao等［51］對干旱脅迫下ROS和NO對小麥幼苗根尖激素ABA合成影響的研究表明，干旱脅迫下根系產(chǎn)生的ROS和NO可能在水分平衡調(diào)控和干旱脅迫下的其他脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。由于ABA的積累是植物對干旱的一種早期反應(yīng)，而ROS和NO在干旱時誘導(dǎo)植物ABA合成中起重要作用，它們可能是植物“感知”干旱條件的信號。

4.3 糖和ROS信號

可溶性糖對ROS具有雙重作用，一方面光合作用通過糖和Mehler反應(yīng)導(dǎo)致ROS的積累，另一方面通過NADPH生成途徑間接參與ROS的清除［52］。蔗糖在體外表現(xiàn)出最強的抗氧化能力，表明蔗糖在植物中也可能發(fā)生類似的抗氧化反應(yīng)。在低濃度下，蔗糖充當(dāng)脅迫誘導(dǎo)修飾的底物或信號，而在高濃度下，蔗糖直接作為保護劑發(fā)揮作用。來源于蔗糖的可溶性低聚糖如RFOs（a-galactosyl extensions of sucrose）和半乳醇，在植物營養(yǎng)器官［53］和種子［54］氧化脅迫保護中發(fā)揮重要作用。氧化的RFO自由基可以通過ASC或類黃酮再生。蔗糖處理的綠豆芽總酚含量、SOD、POD和APX活性均顯著升高，說明蔗糖處理增強了綠豆芽的抗氧化活性［55］。在擬南芥中過量表達新型糖轉(zhuǎn)運體DsSWEET12可提高滲透和氧化脅迫耐受性［56］。此外，糖還參與了一些光合相關(guān)基因以及ROS相關(guān)基因如SOD、HXK（hexokinase，己糖激酶）等的表達調(diào)控。HXKs是所有生物中普遍存在的蛋白質(zhì)，催化葡萄糖和果糖的磷酸化，是一種真正的葡萄糖傳感器。研究表明，HXKI和HXKII可降低哺乳動物細胞內(nèi)ROS水平［57］。馬鈴薯mtHXK可以促進ADP的穩(wěn)態(tài)循環(huán)，調(diào)控線粒體內(nèi)膜上電子傳遞鏈上H2O2的形成［58］。HXK衍生的葡萄糖-6-磷酸鹽可以為Smirnoff-Wheeler途徑中的L-半乳糖提供營養(yǎng)，促進ASC的生物合成［59］，ASC與GSH協(xié)同作用去除H2O2。因此，可溶性糖可以作為信號，不僅參與植物光合活性的調(diào)節(jié)，而且對細胞的氧化還原平衡有重要的感知和調(diào)控作用［60］。然而，糖與ROS信號之間的聯(lián)系極為復(fù)雜，在某些特定途徑中還涉及ABA信號［61］。水分虧缺條件下ABA誘導(dǎo)脯氨酸積累可以說明這一點。缺水條件下脯氨酸的積累是以ABA依賴的方式產(chǎn)生的。雖然糖也能影響脯氨酸水平，但在低Ψw時，糖不能替代ABA誘導(dǎo)脯氨酸積累。aba2-1是一個糖不敏感突變體，在低Ψw時積累極低水平的脯氨酸，這是因為ABA積累是脯氨酸積累所必需的。只有ABA、糖和滲透調(diào)節(jié)信號相互作用才能誘導(dǎo)高水平的脯氨酸積累［62］。

干旱脅迫誘導(dǎo)ROS在葉綠體、線粒體和過氧化物酶體中積累。低水平的ROS尤其是H2O2作為信號分子發(fā)揮作用，而過量的ROS則具有毒性，可以破壞細胞膜，氧化各種細胞基質(zhì)和大分子。在脅迫條件下，ROS由酶促和非酶促抗氧化系統(tǒng)清除。ROS與糖代謝、植物激素ABA、Ca2+等其他信號分子之間存在相互作用，協(xié)同調(diào)控不同環(huán)境下植物的生長發(fā)育過程。

5 問題與展望

植物在生長發(fā)育過程中會遭受各種環(huán)境脅迫，干旱脅迫是影響植物生長和限制作物生產(chǎn)力的主要因素。ROS作為植物有氧代謝的副產(chǎn)物，在正常條件下ROS的產(chǎn)生與清除處于動態(tài)平衡，而當(dāng)植物遭受嚴重的干旱脅迫時會破壞這種平衡，導(dǎo)致ROS的積累造成植物細胞的氧化損傷。因此，植物細胞進化出多種防御機制來清除ROS，其中主要包括酶促和非酶促抗氧化系統(tǒng)。另外，ROS尤其是H2O2作為重要的信號分子，與其他信號分子如植物激素ABA、Ca2+、糖之間相互作用共同構(gòu)成植物體龐大而復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)，在植物體的生長發(fā)育中起著重要的調(diào)控作用（圖1）。

干旱脅迫下ROS的產(chǎn)生或清除作用的輕微變化可能會對信號轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生直接影響。然而，不同研究者干旱處理方法很難統(tǒng)一。以PEG處理的滲透脅迫模擬干旱也與大田中的干旱脅迫有很大區(qū)別，因此，不同研究成果間很難進行比較。在不同的研究中，干旱脅迫程度也是非常主觀的，標準不盡相同。大量研究雖然已經(jīng)揭示了ROS、ABA、Ca2+和糖之間存在的互作關(guān)系，但這個復(fù)雜關(guān)系的分子調(diào)控本質(zhì)仍有待解析。ABA、ROS和Ca2+是對多種非生物脅迫產(chǎn)生交叉耐受性的常見因子，它們之間存在著復(fù)雜關(guān)系，這種關(guān)系仍需進一步深入解析。

盡管轉(zhuǎn)基因植物在一定程度上能夠提高酶活性進而提高植物的抗旱性，但在氧化脅迫條件下，植物往往通過一個復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)逆境，因此，單純過量表達一個酶的基因并不能顯著提高作物對干旱脅迫的耐性。然而，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)及代謝組學(xué)等多組學(xué)層面的深入研究將有助于深入解析植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生，特別是活性氧清除的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，挖掘參與逆境脅迫應(yīng)答的關(guān)鍵核心基因，從而利用最先進的基因組編輯工具如CRISPR/Cas等，對關(guān)鍵核心基因或多個基因同時進行定點編輯，構(gòu)建作物抗逆轉(zhuǎn)基因株系，進而有效提高作物的耐旱性。