农药胁迫对植物抗氧化系统的研究现状

李海峰，王瑞华，韩 琛

（新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所，新疆吐鲁番 838000）

农药（Pesticides） 是现代农业生产中作为防治病虫草害的一类不可或缺的化学或生物制剂，对农作物病、虫、草害防治和增加农作物产量和质量上起着重要作用。然而，农药不科学的使用，不仅会对社会经济发展、自然环境及人体健康造成巨大的危害，同时农药喷施到农作物上后，可通过表皮渗透到植物组织内部，在保护作物免遭病虫害危害的同时，也会对作物造成胁迫，使农作物遭受到看不见的“内伤”，影响作物正常的生理代谢活动。

研究表明，植物在逆境胁迫下自身会产生大量的活性氧（Reactive oxygen species，ROS），活性氧具有极强的氧化性，可以使膜脂过氧化、蛋白质变性，导致植物细胞的组织构造和功能遭到破坏，致使细胞死亡[1]。植物为了维持其正常的生理代谢活动，本身的抗氧化防御系统能够抵抗和清除活性氧的伤害，表现为抗氧化酶类物质、抗氧化非酶类物质对活性氧的清除功能。近年来，国内外学者在农药与植物抗氧化系统方面进行了大量的研究，取得了很多成就，现就农药胁迫对植物抗氧化防御系统的影响研究现状做一综述。

1 植物细胞中活性氧的形成及损伤作用

活性氧是植物在高温、低温、干旱、高盐、大气污染、重金属等逆境环境中，在生理生化代谢过程中不断产生的一类具有较高化学及生物活性的含氧自由基，主要包括超氧化物（O2-）、过氧化氢（H2O2）、羟基由基（·OH）、氢氧根离子（OH-）等[2]。一直以来，这些物质被认为是植物代谢过程中产生的有毒副产品，能引起植物细胞膜质、蛋白质及DNA等大分子物质的损伤[3]。

1.1 活性氧的形成

植物体在正常生理活动中，可以通过多种生理代谢途径产生活性氧，如植物光合作用的过程中，在叶绿、线粒体发生电子传递过程中将电子传递到氧分子上，从而产生具有毒性的活性氧；当植物处于干旱、盐害、寒冷、高温、重金属污染、紫外线辐射、臭氧、农药等外界不良环境下，植物光合作用效率、二氧化碳的固定也受到影响，氧分子成为电子受体，形成具有较强氧化作用的O2-，O2-能引发一系列的链式反应，使植物体内产生大量的活性氧[4]。

1.2 活性氧对植物的氧化损伤作用

正常情况下，活性氧在植物体内的产生与消除是一个动态平衡状态，但是，当外环境不良因素破坏了这一平衡状态，致使活性氧浓度超过植物正常生理承受范围时，就会使生物大分子受到损伤。很多研究表明，活性氧水平超过阈值会使植物细胞膜及细胞器膜发生脂质过氧化，增加膜的流动性及通透性，影响细胞膜的正常功能。活性氧可造成蛋白质的损伤，使肽链断裂、蛋白质交联、氨基酸电荷改变等，从而使蛋白结构改变，功能降低或丧失。活性氧能使细胞内遗传物质DNA的受损，导致编码蛋白的结构改变和功能失常、复制和转录受阻、染色体畸变甚至细胞死亡。活性氧的积累可导致酶活降低甚至失效，引起植物细胞、组织的生理生化反应停滞；能分解植物IAA、破坏生理生化反应中的重要辅酶NAD和NADP，及光合作用的色素系统等，最终导致植物的死亡。

2 植物抗氧化系统

植物的抗氧化系统分为酶类抗氧化和非酶类抗氧化防御系统，这两大系统存在着一些能够清除植物体活性氧的酶和一些小分子次生代谢物质。这些物质主要包括超氧化物岐化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧物酶（GPX）、谷胱甘肽还原酶（GR）、脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）等酶类及括谷胱甘肽（GSH）、抗坏血酸（ASA）、甘露醇、多酚类，脯氨酸、多糖等非酶类物质。植物抗氧化防御系统的酶类和非酶类抗氧化物质协同作用，将植物体内过剩的活性氧一一清除，恢复植物体内活性氧的动态平衡，通过这种方式解除活性氧对植物体的氧化胁迫。

3 农药胁迫对植物抗氧化系统的影响

3.1 农药胁迫对植物抗氧化酶的影响研究

3.1.1 超氧化物歧化酶（SOD）

超氧化物歧化酶（SOD）的主要功能是清除超氧阴离子自由基，对超氧阴离子具有专一性，SOD能将其歧化为氧气（O2）和过氧化氢（H2O2），H2O2再经过一系列反应转化为无毒的水和氧气，从而减轻活性氧对制物体的损伤。许多研究表明，农药胁迫对植物具有浓度效应和时间效应。庄小花等人[5]研究发现，丁硫克百威、功夫乳油、印楝素处理上海青叶片1，3，5 d后，各处理SOD的活性均高于对照组，而处理7 d以后，上海青叶片中SOD的活性急剧下降，其值均低于对照组。低浓度和高浓度的毒死蜱处理的小白菜中SOD活性在第1天至第3天降低，第5天到第14天升高，第21天恢复到对照水平[6]。不同浓度苯噻草胺处理水稻后，低浓度苯噻草胺对SOD有最大刺激作用，水稻根部酶活性增加了0.33倍，高浓度苯噻草胺对SOD产生抑制了作用[7]。吕海燕[8]研究表明，不同种类的农药在同一浓度水平下，SOD增加或降低的幅度也不同。

3.1.2 过氧化物酶（POD）

过氧化物酶（POD） 普遍存在于植物不同生育时期的组织、器官中，其主要功能是催化H2O2分解为H2O和O2，当植物体内积累H2O2时POD能优先发挥作用。据报道，农药对POD的激活率定向表现出“涨落现象”，不同类型农药不同处理对POD激活率各有差别[9]。小白菜在高效氯氟氰菊酯胁迫下，POD活性降低，低浓度抑制作用不明显，随着高效氯氟氰菊酯的降解，抑制作用缓解[10]。乙草胺处理葡萄上部、中部叶片，使POD活性显著降低[11]。低浓度甲胺磷对坛紫菜诱导POD活性，高浓度先诱导后抑制，并且浓度越大越早出现抑制[12]。不同浓度的毒死蜱处理上海青，POD活性是先增加后降低[13]。

3.1.3 过氧化氢酶（CAT）

过氧化氢酶（CAT）又称触酶，属于血红蛋白酶。主要分布在植物组织的微体中，如过氧化物体、乙醛酸循环体、线粒体内。其重要功能是促进H2O2迅速分解转化分子氧和水，与其他的抗氧化酶共同协作以维持植物体内的ROS平衡。由于农业种类繁多，农药的化学成分、作用机理、施用浓度的不同，植物在遭受农药胁迫时，过氧化氢酶的变化会有所不同。郭明等人[14]研究发现，有机磷、有机氯、拟除虫菊酯类不同浓度农药处理棉株叶片后，农药对CAT的抑制率随时间推移表现出“上涨-回落”的涨落现象。草甘膦异丙胺盐在低浓度下会使棕囊藻的CAT活性升高，在较高浓度时，导致藻细胞死亡，未能检测到CAT活性[15]。李英涛[13]研究发现，对上海青喷施中低浓度甲维盐和苦参碱，致使上海青叶片中CAT的活性增加，而在高浓度处理中，上海青的生长受到了一定影响，CAT的活性表现为先下降，短期内又恢复至正常水平。

3.1.4 谷胱甘肽还原酶（GR）

谷胱甘肽还原酶主要存在于叶绿体基质中，与抗坏血酸过氧化物酶在细胞质中形成抗坏血酸-谷胱甘肽循环，产生还原性的谷胱甘肽（GSH），而GSH可以与羟基自由基和氧发生还原反应，减轻膜质受到氧化损伤。有研究表明，菠菜受到毒死蜱胁迫后，菠菜叶片中H2O2含量明显升高，而叶片GR活性在胁迫初期较对照组明显提高，到后期，GR活性逐步下降到对照水平，这表明植物体在胁迫初期可以通过自身防御体系对毒死蜱胁迫作出应激反应，以增强其清除H2O2等活性氧的能力[16]。袁兴超等人[17]报道，低浓度的草甘膦能显著刺激微囊藻体内的GR活性，而高浓度的草甘膦显著抑制GR活性。也有研究发现，不同农药种类对同一植物GR的活性影响也不同，如不同浓度氧化乐果能抑制小麦幼苗的GR活性，而不同浓度的吡虫啉处理小麦幼苗，其GR活性无明显变化[18]。

3.2 农药胁迫对植物抗氧化非酶类物质的影响研究

3.2.1 谷胱甘肽（GSH）

谷胱甘肽于1929年由Hopkins最早发现并对其予以命名，是由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸组成的三肽，分为还原型和氧化型，通常所说的为还原型谷胱甘肽，是植物叶片和分生组织中广泛存在的一类含巯基的低分子肽。GSH作为植物体内非常重要的自由基清除剂（可溶于水），其主要功能是抑制膜质过氧化，保护细胞膜恢复细胞功能，在高温、冷害、干旱、重金属、农药等逆境胁迫下保护农作物正常的生长，在植物体内含量水平与植物忍耐环境胁迫的程度密切相关。有研究表明，相同浓度的乙草胺处理不同品种的玉米的根部和叶片，GSH的含量呈现先升高后降低的变化现象，不同浓度乙草胺处理下随药剂浓度的升高，GSH含量值开始快速上升，达到极值后，随药剂浓度的继续升高开始下降后趋于稳定[19]。甲胺磷农药处理白菜后，对照组GSH含量总体低于处理组GSH含量，对照组GSH含量基本维持稳定[20]。丙草胺处理水稻后第3天，水稻植株内的GSH含量高于对照，施药后第7天水稻中的GSH含量达到最大值，之后随着施药量的增加，水稻中GSH含量逐渐降低[21]。说明少量的农药在一定浓度范围内能够刺激植物体内GSH的产生，一旦超过某个阈值，GSH的生理功能将受到抑制甚至失常。

3.2.2 抗坏血酸（AsA）

抗坏血酸又叫VC，在植物体除了参与维持正常的生理代谢活动，同时在植物体遭受高温等逆境胁迫时也是植物体内的一种重要的抗氧化剂，可以清除植物生理代谢过程中产生的自由基，减少膜脂过氧化作用对细胞造成的伤害[22]。植物在逆境胁迫下产生的活性氧主要通过抗坏血酸-谷胱甘肽循环进行清除，维持细胞氧化还原状态，以保护细胞不受破坏。有研究报道，百草枯处理引起水稻中AsA含量的显著上升[23]。转基因的烟草在脱氢抗坏血酸还原酶作用下抗坏血酸对百草枯的氧化胁迫显示出更高的耐性[24]。王亚慧[25]发现，番茄植株经嘧菌酯处理后，叶片中的AsA含量先增加后降低，总体含量水平均高于对照，进一步证明了AsA能够减弱氧化的伤害，在维持细胞正常的生理功能和提高植物的抗性方面具有重要作用。

3.2.3 多酚

植物多酚又名植物单宁，为植物体内的一种次生代谢产物，具有多元酚结构，是多羟基酚类化合物的总称。多酚类化合物是广泛存在植物根、叶、皮、果中，具有多种生理功能的活性物质，包括茶多酚、黄酮类、原花青素等。植物在低温、干旱、营养不良等非生物环境胁迫下产生大量的活性氧和自由基，多酚化合物可以通过自身极强的还原性降低氧含量，同时作为氢供体释放出氢与自由基结合，减少和清除自由基，保护植物体正常的生理功能。据报道，赤豆总黄酮对超氧阴离子自由基具有清除作用，其清除效果与总黄酮的添加量呈正相关关系[26]。而在农药方面，化学农药、植物源农药均能降低烟叶总酚含量[27]。水稻植株内类黄酮含量随农药种类、处理方式及农药浓度的不同而变化。缩节胺可使棉株各组织内棉酚含量增加，蕾内可增加49.0%～92.1%，铃壳内增加13.8%～65.5%，叶内增加3.6%～39.7%[28]。

3.2.4 脯氨酸

脯氨酸是一种水溶性高、分子量小的渗透调节物质。能够在植物受到渗透胁迫时，通过在细胞质中积累脯氨酸增大细胞质浓度，降低渗透势，保持细胞之内外水分平衡。同时，脯氨酸也是一种自由基清除剂，可以螯合单线态氧和羟基自由基，减轻氧化伤害，因此脯氨酸积累可以作为植物受到胁迫的一种信号。据报道，吡虫啉、啶虫脒、吡虫啉·敌敌畏和敌畏·氧乐树干注药后均可不同程度地提高游离脯氨酸含量，30 d后可逐渐恢复到正常水平[29]。研究发现不同农药胁迫后1～10 d，大叶黄杨脯氨酸的含量均较对照植物显著提高，脯氨酸最大能提高到对照的378倍[30]。还有报道显示，随着异丙隆处理浓度的加大，胁迫加大，脯氨酸的积累量也随之加大。

4 结语

农药能促进和抑制植物抗氧化系统的抗氧化物质的活性，表现为低浓度农药能激活植物抗氧化酶和非酶类物质，高浓度农药能抑制抗氧化物质的活性，使其丧失抗氧化功能，从而使植物发生生理损伤甚至死亡。不同农药种类因其作用机理不同，对抗氧化系统的影响也不同。不同植物类型，因其形态结构、生理特性的差异，其抗氧化系统对农药胁迫的响应也不同，需要有针对性的深入探索。抗氧化酶与抗氧化非酶物质相互协作，构成植物抗氧化防御系统抵御环境胁迫，其协作关系很复杂，还有待进一步探索。

SOD和CAT等抗氧化酶有多种同工酶，农药胁迫下，各同工酶之间的响应差异及同工酶之间的协同作用机理有待深入研究。另一方面，农药胁迫诱导植物抗氧化酶活性的提高与相关基因的表达等机理仍不明朗，是今后需要解决的问题。

植物抗氧化酶及非酶类物质的变化可作为植物出现明显药害特征前的生理指标，探明抗氧化系统在植物中的作用机理，对农作物的安全生产具有重要意义。

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