植物超氧化物歧化酶的研究进展

张宇婷，高建民，张琼琳，张爱东，王海霞，孙 杰

（1.内蒙古大学，内蒙古 呼和浩特 010010；2.内蒙古农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；3.内蒙古赤峰市草原工作站，内蒙古 赤峰 024000）

植物超氧化物歧化酶的研究进展

张宇婷1，高建民1，张琼琳2，张爱东3，王海霞2，孙 杰2

（1.内蒙古大学，内蒙古 呼和浩特 010010；2.内蒙古农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；3.内蒙古赤峰市草原工作站，内蒙古 赤峰 024000）

植物在生长发育的过程中会受到不同程度的生理或非生理胁迫，导致植物细胞内产生大量活性氧，影响植物正常生长代谢，甚至引起植物衰老死亡。大量研究显示，植物中的超氧化物歧化酶能发挥其独特的功能有效地清除多种活性氧，维持植物正常生命活动，并已经在农业、医疗、食品和化工多个领域得到了应用。就抗氧化酶系统中极其重要的成员——超氧化物歧化酶的分布类别、理化性质、生理功能及相关的研究应用情况进行了概述。

超氧化物歧化酶；植物；应用途径；研究进展

植物在生长发育的整个过程中，都会由于自然因素或者人为因素产生的如空气污染物 （二硫化物、臭氧等）、重金属（铜、镉、铝等）、离子辐射、生物体毒素、极端温度（高温或低温）、水分胁迫（尤其是在强光下）、强光、盐渍、病原菌侵染和外源物质侵入等生理或非生理胁迫而导致植物体内原本处于动态平衡的活性氧的机制被打破。活性氧是植物细胞进行正常生理代谢产生的中间产物，同时它也可以作为生物开启防御机制的重要信号［1-2］。如果因外界压力引起活性氧清除过少而残余活性氧过多，就会对植物细胞性能造成损伤或引起细胞反应［3］，从而使细胞衰老以致死亡。在有效清除多种活性氧、维持植物正常生命活动的过程中，植物抗氧化酶系统发挥了重要作用，尤其是对抗氧化酶系统中的超氧化物歧化酶（peroxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶 （catalase，CAT）、过氧化物酶（peroxidase， POD）等主要抗氧化酶在这方面的研究更是成为近年来的热点。笔者主要对抗氧化酶系统中极其重要的成员——超氧化物歧化酶的分布类别、理化性质、生理功能及相关的研究应用情况进行了概述。

1 SOD的分布类别、理化性质

SOD是活性氧清除反应的其中一个参与者，在抗氧化酶系统中处于核心地位，在动物、植物和微生物细胞中均广泛分布。在早期的研究中主要将SOD分为3类：铁超氧化物歧化酶（Fe-SOD）、锰超氧化物歧化酶（Mn-SOD）和铜锌超氧化物歧化酶（Cu/Zn-SOD）［4-5］。Fe-SOD多见于原核细胞及少数植物细胞叶绿体中，呈黄褐色，相对分子量在3.87×104左右，经研究被认为是一种存在于较原始的生物类群中的SOD类型；Mn-SOD是在Fe-SOD基础上进化来的一种蛋白类型［6-7］，呈紫红色，主要分布于原核生物和真核生物的线粒体中，相对分子量在4.0×104左右；Cu/Zn-SOD主要存在于真核细胞的胞浆、叶绿体和过氧化物酶体中，呈蓝绿色，相对分子量约为3.2×104。近年来的研究发现，在生物体内还存在一种细胞外铜锌超氧化物歧化酶（ECSOD）［8］。在链霉菌属中还存在一种镍超氧化物歧化酶（Ni-SOD）［9］，呈淡蓝色，相对分子量为1.3×104。此外在Scoelicotor中曾报道存在性质类似于Fe-SOD的Fe/Zn-SOD［10］，相对分子量为2.2×104。

2 SOD的生理作用及应用途径

当植物受到外界生理或非生理因素胁迫而产生过量的活性氧时，植物超氧化物歧化酶就可以清除这些氧自由基，从而防止氧自由基破坏细胞的组成、结构和功能，保护细胞免受氧化损伤。经研究表明，当受到外界胁迫时，植物在不同的环境条件下或者不同的生长发育阶段，甚至不同的组织器官中其SOD的活性表现均有显著差异，而且耐外界胁迫能力强即抗性强的植物与抗性弱的植物相比，其体内SOD活性明显较高，所以SOD基因的表达也与植物抗逆性有关［11］。

2.1 SOD与植物抗逆性的关系及其在农业方面的应用 干旱胁迫不仅可以直接影响植物的生长，还可以通过对植物生理特性的影响而间接影响生长。干旱胁迫会使原生质膜透性增加，引起大量的无机离子和氨基酸、可溶性糖等小分子被动向组织外渗漏，活性氧产生和清除系统的动态平衡也会被打破，活性氧如果不能及时清除，则会引起生物膜的脂质产生过氧化作用，最终引发膜系统的崩溃，严重时可导致植物死亡。研究显示，当干旱或者水涝时，SOD活性也会发生改变。胡景江等［12］对元宝枫进行干旱处理，结果显示，SOD活性先下降而后逐渐回升，直到接近正常水平。研究者们还将抗旱性不同的植物品种体内的SOD活性变化进行了比较，例如花生［13］、草莓［14］在受到干旱及水分胁迫时，抗旱性越强的品种其SOD活性增加较快。

温度对植物体内SOD活性的影响也十分显著。王海娟等［15］对玉米及黄瓜进行低温处理后发现，SOD活性均呈现先下降再增加，然后又下降的趋势，这表明在受到低温胁迫时植物SOD活性随着温度的下降而增强，但超过一定限度后SOD活性则会下降。同样，高温条件下也表现出相同的效果。

植物病害是植物面临的最为严重的胁迫，关于这一点学者们也进行了大量研究。例如大豆受到病害胁迫后，先引起了活性氧的积累，然后诱导防御酶活性的增强，最终使SOD的活性上升。研究表明，大部分植物包括蔬菜、作物等感染病害后均呈现出与大豆相同的反应。

限制植物生长发育还有一个不可忽略的因素，也是许多年来我国农业发展的重要威胁——土壤盐渍化。经对扁桃砧木叶片［16］、紫花苜蓿［17］进行盐分胁迫后发现，在一定限度内SOD活性随盐胁迫程度的增加而上升，但超过一定值后便会下降。

近年来，国内外专家们关于超氧化物歧化酶的主要研究领域就是其与植物抗逆性之间的关系，所以该内容也成为农业生产中普遍关注的问题，它将为我国农业带来极好的发展前景。通过SOD转基因技术来培育高抗逆性农作物新品种、利用基因克隆与表达技术来实现SOD的大规模发酵生产，已成为国内外SOD研究领域的热点之一［18］。在SOD转基因技术领域的探索过程中，目前从动物体内提取SOD的技术已经走向成熟，但是动物本身存在致病因子，因此，为了提高安全性，可以选择从植物中进行提取。现已发现的从植物中提取的SOD活性大都很低，有的甚至没有活性，所以更好地利用转基因技术使植物中的SOD成为SOD的主要来源，提高植物SOD的提取技术是继续进行探索的方向。

根据SOD活性与植物抗逆性之间的关系，已经研究得知在一定程度上植物因体内SOD的存在具有更好的耐受性，但超过该限定值便不会起到作用。国外学者将Mn-SOD融合基因转入烟草和玉米中，结果显示，该种转基因烟草和玉米在受到除草剂产生的氧胁迫后其耐受性得到了提高。之后又将烟草中的Mn-SOD转入苜蓿中并过量表达，结果对冷害的耐受性有明显提高。国内学者也将该结论应用于低温敏感性植物——番茄中，结果表明，该技术可以使番茄通过提高SOD的活性来适应低温。学者们对马铃薯线粒体中含有的Mn-SOD进行研究进一步证明Mn-SOD除了具有清除超氧化物阴离子自由基的功能外，还具有参与基因的表达与调控等其他生物学功能。Fe-SOD在烟草和玉米叶绿体中的过量表达，也产生了类似效果，但它们对冷害和盐胁迫的耐受性并没有提高。姚冉等［19］利用克隆技术从微生物中得到Cu/Zn-SOD基因，并对烟草进行遗传转化将基因导入，研究结果显示，Cu/Zn-SOD基因也能够有效地提高烟草对盐胁迫的耐受性。

SOD转基因植物的发展为我国农业领域培养高抗性植物提供了良好的基础。2002年克隆出了桃的Mn-SOD基因，之后我国也克隆出了水稻的Fe-SOD基因，并在转基因植物的研究道路上取得了重大突破，解决了我国农业生产所遇到的许多难题，包括植物所遇到的常见病害，以及因地域差异、水土情况不同而造成的一定地域植物品种单一、植物成活率低等情况。

2.2 SOD与植物衰老的关系及其在医疗、食品行业的应用 机体氧化损伤引起衰老死亡是由于植物受到损害产生大量活性氧导致的。通过对水稻叶片自灌浆期到成熟期SOD活性变化的观察可知［20］，水稻叶片的衰老过程就是SOD活性下降，活性氧累积，膜脂过氧化作用不断加强的过程，但是如果切除植物主茎则可延缓植物衰老，这是因为该举措恢复了植物体内的SOD活性。大量研究表明，SOD与生物衰老，即生物寿限密切相关，目前该研究已经被利用于医疗、食品等领域中。

2.2.1 在医疗方面的应用：当机体感染疾病或自然衰老时其细胞中SOD的活性将明显下降，这一点在医疗中用作判别某些疾病的引发。就简单方面而言，SOD可作为抗衰老药品，虽然应用于该方面依然存在争议，但其作用机理无可厚非；从复杂方面来说，SOD在病毒性疾病、自身免疫性疾病、心肌缺血和缺血再灌注损伤、老年性白内障、心血管疾病、辐射病、癌的预防和放射治疗以及人类长寿等领域的研究已有突破性进展［21-23］。

①在抗衰老方面：产生衰老的机制比较复杂，究其根本，细胞氧化是病变的主要原因，而SOD无疑为抗衰老的研究带来了福音。SOD能阻止O2-堆积并且清除O2-自由基，通过抑制脂褐素的形成来控制高血压、冠心病、动脉硬化和老年性痴呆症。

②在对抗复杂疾病方面：近年来的试验研究表明，低密度脂蛋白的氧化是导致心血管类疾病的关键因素。美国每年用于对心血管疾病方面的开发费用数额巨大，我国近年来也把心血管药物研究列为国家医药攻关的重点，而SOD是该氧化过程最好的抑制剂。更值得关注的是SOD在癌症治疗中发挥的作用，例如在感染HIV病毒早期，SOD能抑制CFs因子从而减除了病毒诱导因素，如果作为辅助药物与其他药物联合使用，还可大大延长病毒的潜伏期［24］。目前，治疗艾滋病的首选药物是AZT（三叠氮二脱氧胸苷），但其毒性较强，治疗中往往伴随着氧损伤，从而引起很多组织的细胞功能紊乱，因此在应用上受到较大的限制。若将SOD作为它的辅助药物应用于艾滋病的治疗，将为艾滋病患者带来希望。人体自身免疫缺陷病是由于特殊情况下，人体自身的免疫系统对自身成分免疫应答过分强烈所引起的疾病，目前发现的各种自身免疫性疾病至少有30多种，发病机制虽有不同，但经研究已经证实SOD和其他氧自由基清除剂能抑制这种自身免疫性疾病的慢性发病过程。

2.2.2 在食品方面的应用：当前我国农业发展已经逐步从传统模式走向现代农业，在这一跨越性的发展中，作为食品添加剂的SOD与其他抗氧化剂一样，不仅可以用作罐头食品、果汁、啤酒等的抗氧化剂来防止过氧化酶引起的食品变质及腐败现象，还可以作为水果、蔬菜等的良好保鲜剂。研究发现，大部分水果和蔬菜中均含有SOD，包括刺梨、香蕉、猕猴桃、菠萝、山楂、大蒜等。利用这些富含SOD的原料开发天然保健食品，如芦荟汁、大蒜素、刺梨汁、菠萝汁、麦绿素等已经走入大众生活。其中，麦绿素是以100%纯越冬大麦嫩叶为原料提取的，富含多种营养成分，被称为“碱性食物之王”。蒜饮料是以大蒜为原料，经过热烫、脱臭加工而成的含蒜素酶和SOD的绿色健康饮料，它具有调节胰岛素、抗癌防癌、防治心血管疾病、抗炎灭菌等功效，被称为植物中的“广谱抗生素”。市场上还有一种绿色健康型果露酒——番木瓜SOD酒，它是采用低温生物技术发酵而成的低度纯天然酒，富含多种氨基酸、微量元素及活性蛋白质，更含有大量的SOD，同样具有保健功效。食用菌中猴头菇的SOD活性较强，已被制成灵芝酒投放市场。对常见调味品的研究发现，酱油、鱼露、豆腐乳中均含有SOD样活性物质，但其具体性质还有待于进一步研究。

目前将SOD作为营养强化剂开发出的食品已经进入市场，例如已经研制的SOD强化牛奶和冰淇淋已经成为试用产品，并准备正式投入批量生产。2002年，我国SOD苹果种植基地开发成功，SOD苹果即将配制好的一定浓度的SOD制剂，分次喷洒在生长期的苹果树上，通过树枝、树叶和幼果等树体各部分的代谢和吸收，使其富含SOD。经专家研究认为，食用约1颗这样的SOD苹果就可以满足人体当天对SOD的需求，并可达到延缓衰老的作用，这也意味着农产品的商品价值得到了极大的提升，对我国农业及食品行业来说是一个突破性进展，值得深入研究。

2.2.3 在其他方面的应用：研究发现，在人体红细胞中，SOD的活力会随供者年龄的升高而下降，人皮肤中的Cu/Zn-SOD和Mn-SOD的活力变化与年龄呈负相关［8］，因此，作为“人体有机肥”的SOD还可以作为药用酶被用于化妆品的添加剂。SOD被国际生化委员会、美国联邦食品管理局称为“抗衰因子”“美容娇子”，具有抗衰老、防晒、抗炎等功效。另外，SOD具有一定的防治瘢痕形成的作用。在该领域已经有试验证明，外源SOD能透过皮肤进入体内，但需要注意的是应控制好化妆品中防腐剂和表面活性剂的品种和浓度等，同时为了提高化妆品基质中SOD的活性，应继续对天然、无毒、无不良反应的SOD进行化学修饰并继续探索。

3 小结

经过多年对植物抗氧化物酶多种途径的研究已经可以比较清楚地认识到植物体内活性氧的产生及清除机制，超氧化物歧化酶作为植物防御机制是必不可缺的，它与其他重要抗氧化酶之间相互协同抵抗外界环境的胁迫并有效地提高了植物的抗逆性。目前，对超氧化物歧化酶在植物抗逆性方面的研究已经逐渐趋向转基因植物，但是受植物抗氧化酶类型复杂多样、提取技术要求严格以及不同条件下对活性的影响比较大等因素影响，其在研究上依然存在很大的局限性，因此需要更加深入的探索；在食品方面，目前人体摄入的外源SOD的作用机制依然不明确，所以无法确定其在保健品中的添加标准，以及摄入后在人体内受到各种因素影响而引起的变化仍需更加深入研究；在医疗方面，SOD虽然已经进行了大量的利用，但仍需进一步阐明SOD在体内的抗氧化过程，延长SOD在体内的半衰期，减少其对机体的毒副作用等；在化妆品领域，需要更加全面地考虑各方面外界因素可能对化妆品内SOD活性的影响，以及需对化妆品中SOD的活性进行更准确的测定。随着研究不断的深入，植物超氧化物歧化酶的研究领域将更加广阔。

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Research Progress on Plant Superoxide Dismutase

ZHANG Yu-ting1，GAO Jian-min1，ZHANG Qiong-lin2，ZHANG Ai-dong3，WANG Hai-xia2，SUN Jie2
（1.Inner Mongolia University，Hohhot 010010，China；2.Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences，Hohhot 010031，China；3.Chifeng Municipal Grassland Working Station，Chifeng 024000，China）

Plants are always suffered from physiological or non-physiological stress with different degrees in growth and development,which results in the production of numerous ROS affecting normal growth and metabolism of plants and even causing senescence and death.Numerous studies have shown that the superoxide dismutase of plants can exert its unique effect to remove a serious of ROS effectively so as to maintain plant′s ordinary life activities,and it has been widely applied in agriculture, medicine,food and chemical industry.We introduced the distribution,category,physical and chemical properties,physiological functions and progress on research and application of one of the most import members in antioxidant enzyme systems of plantssuperoxide dismutase.

superoxide dismutase；plants；application ways；research progress

Q814.9

A文章顺序编号：1672-5190（2016）09-0028-04

2016－08－11

项目来源：内蒙古自治区科技计划项目“乌拉特柄扁桃活性蛋白体外无细胞表达技术研究”。

张宇婷（1995—），女，所学专业为草业科学。

孙杰（1963—），女，研究员，博士，主要研究方向为草业科学。

（责任编辑：慕宗杰）