家蚕过氧化氢酶研究进展

吴凡　李德臣　肖胜武　陈登松

摘要：过氧化氢酶在家蚕（Bombyx mori）的生长发育中发挥重要作用，参与家蚕免疫系统的调节，与家蚕的抗逆性、抗病性、滞育等重要的生命活动相关。综述了近几年国内外对家蚕过氧化氢酶的研究状况，并简要分析了过氧化氢酶研究的发展趋势。

关键词：家蚕（Bombyx mori）;过氧化氢酶;生物学功能;研究进展

中图分类号：S881.2+4         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）18-0005-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.18.001           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research progresses on the catalase of Bombyx mori

WU Fan1a，LI De-chen1a，XIAO Sheng-wu2，CHEN Deng-song1b

（1a.Industrial Crops Institute;1b.Fruit Tree and Tea Institute，Hubei Academy of Agricultural Sciences，Wuhan 430064，China;

2.Luotian Sanbao Silkworm Co.，Ltd.，Luotian 438600，Hubei，China）

Abstract： The catalase plays an important role in the growth and development of silkworm（Bombyx mori）， and participates in the regulation of the immune system of silkworm， which is related to the important life activities such as resistance， disease resistance and diapause of silkworm. The research progresses on the catalase in silkworm were reviewed， and the development trend of catalase in silkworm was briefly prospected.

Key words： silkworm（Bombyx mori）; catalase; biological function; research progress

生物體内有多种抗氧化酶，这些酶可提高生物的抵抗力，帮助生物应对外界的不良环境条件[1]。过氧化氢酶（Catalase，CAT）又被称为触酶，是一种重要的抗氧化酶之一，在生物体内起防御保护作用，广泛存在于各种生物体内。过氧化氢酶在生物体内的作用是清除生命活动中产生的多余自由基。主要催化过氧化氢分解为水和分子氧，避免过氧化氢的积累对生物体造成伤害[2]。家蚕（Bombyx mori）作为重要的经济昆虫和研究鳞翅目昆虫的模式生物，在长期的进化过程中也不例外地形成了保护酶系，以抵御外界不良环境条件的影响。家蚕体内有许多与家蚕免疫能力和抗逆性相关的酶类，其中超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶组成了重要保护酶系。目前，过氧化氢酶被认为是家蚕最重要的保护酶之一，参与到家蚕的各种生命活动中，特别是在帮助家蚕应对各种生物和非生物的胁迫中起重要的作用。

在家蚕体内的各种保护酶中，CAT是已知的催化能力最强的关键酶，可以清除家蚕体内代谢产生的活性氧H2O2。H2O2能氧化破坏蛋白质、核酸和脂类等分子，积累时可导致细胞损伤，甚至凋亡，严重影响家蚕的生长与发育，而CAT能把有毒的H2O2催化降解成水和分子氧，从而维持蚕体正常的生理活动，因此，CAT在家蚕的生长发育中起至关重要的作用。对国内外学者近几年在家蚕过氧化氢酶上的研究进展进行了综述，为利用过氧化氢酶进行家蚕品种的选育及农林害虫的生物防治提供参考。

1  过氧化氢酶分类

过氧化氢酶是在1811年被发现的，在1901年被Loew命名，催化过氧化氢产生氧气，广泛存在于植物、动物和微生物体内，具有活性中心，其活性可被氰化物抑制。过氧化氢酶有3种，根据序列、结构和功能的不同，可分为单功能CAT、双功能CAT和假CAT;根据其物理和化学特性的不同，分为3种类型：过氧化氢酶-过氧化物酶、典型的过氧化氢酶及非典型的过氧化氢酶。该酶的活性中心含有卟啉结构，根据卟啉结构含有的金属离子的不同，又可以分为铁卟啉酶和锰过氧化氢酶。

2  家蚕过氧化氢酶的生物学功能研究

2.1  家蚕过氧化氢酶的性质研究

对家蚕过氧化氢酶的研究开始的比较早，1963年孙本忠等[3]研究发现家蚕CAT的活性与品种、化性有关，品种、化性不同，该酶的活力相差很大，随着化性的增加，该酶的活力增加，即一化性品种<二化性品种<多化性品种。CAT的活性还与家蚕的性别有关，在同一发育时期，雄蚕的CAT活性大于雌蚕的。秦凤等[4]的研究也证实CAT的活性在家蚕品种间存在差异。吴载德等[5]发现同一家蚕品种，催青温度不同，引起家蚕化性变化时，家蚕幼虫血液CAT的活性不同。Yamamoto等[6]克隆并分析了家蚕CAT基因和活性，发现CAT mRNA分布非常广泛，但CAT mRNA水平的表达与CAT活性变化趋势不完全一致，并且发现家蚕的CAT基因与黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）和白腹果蝇（Apis mellifera）的同源性分别为71%和66%。Yuan等[7]的研究结果也表明，家蚕CAT的活性与其在mRNA表达水平是有差异的，不具有严格的相关性。还有学者研究证明，还原型磷酸吡啶核苷酸（NADPH）是家蚕过氧化氢酶维持活性所必需的。时桂芹[8]研究发现，家蚕CAT亚家族基因具有物种特异性，BmCat4基因是真正的家蚕Cat基因，其编码的蛋白质很有可能是一类分泌型蛋白质。Shi等[9]研究也证实，BmCAT4缺失信号肽和跨膜结构域，可能是一个假定分泌蛋白质。

家蚕所处的生长发育阶段不同，CAT的活性也是不同的。阮氏茉莉等[10]比较了原种新九、黄白限及其杂交后代F1蚕卵蛋白质的CAT活性，发现杂交后代的CAT活力在两个亲本之间或低于亲本，杂种优势不明显，同时还发现黄白限品种中，雄蛹血淋巴中CAT的活力比雌蛹中要高。吴小锋等[11]发现随着家蚕的生长发育，其血液中的CAT活性呈规律性变化，幼虫期，以龄初、龄末较高，化蛹后，酶活先升高后降低，直至化蛾。家蚕血液中CAT活性的高低可以作为评价家蚕抗逆性的一项生理指标。陈萍等[12]的研究结果表明，家蚕血液CAT活性与5龄历期、同宫率不具有相关性，而与全龄期、死笼率、普茧率具有负相关性，与全茧量、茧层量、茧层率、万蚕产茧量、万蚕茧层量、虫蛹率、幼虫生命率呈正相关。

2.2  过氧化氢酶在家蚕抗逆性中的作用

家蚕的过氧化氢酶在家蚕抗逆性中起至关重要的作用，可帮助家蚕提高对外界环境的抵抗力，应对突发状况，提高家蚕的强健性，而家蚕的强健性直接关系到养蚕业的生产效益。陈志伟等[13]研究表明，家蚕氟中毒后，其体内的CAT活性显著增强，且CAT的活性大小与氟的浓度呈正相关。米智等[14]的研究也证实，家蚕CAT活性与家蚕对氟的耐受性相关。唐文超等[15]对家蚕5龄幼虫添食不同浓度NaF溶液浸泡的桑叶，发现家蚕幼虫生殖腺中CAT的活性与对照相比明显升高，且家蚕生殖腺中cat基因在mRNA转录水平的表达也升高，但超过其耐性阈值时，CAT的活性会逐渐下降。Micheal等[16]研究了低温、低氧、病毒感染对家蚕抗氧化酶的诱导作用，发现在低温、缺氧和病毒感染24 h后，家蚕中肠和血液中过氧化氢酶、超氧化物歧化酶的活性明显升高。

CAT也参与家蚕对农药的耐受过程。Gu等[17]在家蚕有机磷中毒后对中肠基因表达的变化进行了qRT-PCR分析，结果表明CAT在转录水平的表达下降了3.51倍。张蒙蒙等[18]从家蚕3龄起蚕开始，持续添食啶虫脒药液，发现当啶虫脒药液的质量浓度达到一定程度时，5龄第六天的家蚕幼虫中肠内CAT的活性受到显著抑制。Gao等[19]在5龄家蚕添食乙酰半胱氨酸后，让家蚕接触吡虫啉，发现添加乙酰半胱氨酸能显著提高吡虫啉中毒家蚕的体重、存活率、全茧量、茧层量和茧层率，增强家蚕中肠内超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物谷胱甘肽等抗氧化酶的活性。

2.3  过氧化氢酶在家蚕抗病性中的作用

研究结果表明，过氧化氢酶参与到家蚕抗病性反应中，提高了家蚕对细菌、病毒等的抵抗力。Zhang等[20]研究表明，家蚕被铜绿假单胞菌感染后，其中肠上皮细胞中CAT的活性被上调表达。王树昌等[21]研究发现，家蚕幼虫在感染白僵菌后，家蚕血淋巴、脂肪体、中肠和马氏管中CAT活性显著降低，Bmcat基因在脂肪体、中肠和马氏管中的表达水平显著下降，而在血淋巴中的表达水平变化不大，添食CAT抗氧化剂能显著延长家蚕的存活时间。Fang等[22，23]研究了添食4-甲基伞形酮对家蚕的影响，发现在添食后，家蚕体内过氧化氢酶的活性显著升高，家蚕对细菌的抵抗力增强。

目前，由家蚕核型多角体病毒（Bombyx mori nucleopolyhedrovirus，BmNPV）引起的家蚕病毒病，严重影响蚕业生产效益。选育对BmNPV有抗性的家蚕品种是防治该病最有效的措施，CAT参与了家蚕对BmNPV的应激反应。Vessaro-Silva等[24]对5龄家蚕添食BmNPV悬浊液后，对其中肠的抗氧化系统进行分析，发现中肠中CAT活性发生了变化，表明CAT参与了阻止病毒感染的过程。Hu等[25]研究了BmNPV感染引起家蚕消化液蛋白的变化，发现家蚕感染BmNPV 6 h后，过氧化氢酶基因的表达没有显著的变化。Li等[26]分析了家蚕在添食二氧化钛纳米颗粒后对BmNPV的抗性变化，发现添食后，家蚕体内过氧化氢酶基因的表达升高，家蚕对BmNPV的抵抗力增强。Li等[27]在家蚕的人工饲料中添加CeCl3，喂食5龄家蚕后，家蚕对BmNPV的抵抗力增强，体内CAT活性升高。在家蚕品种选育中，能否利用CAT来提高家蚕对细菌、病毒的抵抗性，还有待于进一步研究。

2.4  过氧化氢酶在家蚕滞育中的作用

家蚕以卵滞育，关于滞育的机理、机制还未完全阐明。有研究表明，在家蠶的滞育过程中也有CAT的参与。韩武梅等[28]研究发现，与15 ℃暗催青处理相比，在25 ℃明催青可以显著提高蚕卵滞育诱导和决定时期的CAT mRNA的表达水平和CAT活性。Zhao等[29]研究发现，在家蚕卵进入滞育时，CAT活性急剧升高。但是当家蚕卵进入滞育期后，CAT的活性比较低且变化不大[30-32]。有研究学者发现，滞育卵经过即时浸酸处理后，卵内的CAT活性升高[33]，当对滞育卵进行低温冷藏（5 ℃）处理，解除滞育，CAT在转录水平的表达和活性均显著增加[34]。Sima等[35]在家蚕产卵后20 h进行蚕种浸酸处理，阻止蚕卵进入滞育状态，同时用5 ℃低温处理滞育蚕卵，终止蚕卵的滞育过程，比较这两种处理蚕卵和滞育卵之间CAT的表达变化，发现CAT表达的变化与家蚕卵滞育的起始和终止有关。Zhao等[36]对同一个家蚕品种的滞育卵和非滞育卵在5 ℃冷藏30 d以上，测定滞育卵与非滞育卵之间CAT活性的变化，发现滞育卵的CAT活性明显低于非滞育卵。

2.5  家蚕过氧化氢酶其他的生物学功能

CAT作为防御性保护酶，可以帮助家蚕应对各种环境变化，如重金属胁迫、抗辐射等。袁红霞等[37]的研究发现，在家蚕受到镉胁迫时，家蚕体内CAT的活性先升高后下降，且雌性家蚕脂肪体中CAT的活性变化与cat基因在mRNA水平上的表达具有正相关性。Chen等[38]研究表明家蚕脂肪体、中肠和血液中的CAT活性可以被玫瑰（红景天）提取液所诱导。Suman等[39]发现家蚕体内的CAT还参与到对辐射的耐受过程中。Ogawa等[40，41]研究发现，CAT与家蚕马氏管的发育有关，在马氏管朱砂酸的形成过程中发挥重要作用。

3  家蚕过氧化氢酶的研究展望

过氧化氢酶在家蚕的生长发育中起重要作用，家蚕一生要经历卵、幼虫、蛹和蛾四个变态发育阶段，在变态发育过程中，家蚕体内的氧化还原反应处于不断的发展变化过程中，CAT作为家蚕体内广泛存在的抗氧化酶，参与到家蚕的各个发育过程中。CAT与家蚕的抗性相关，在家蚕体内起重要的防御和保护作用，研究CAT在其中所起的具体的作用机制，可以为家蚕抗性品种的选育提供参考和指导作用。

增强家蚕的抗逆性，对于蚕桑产业的发展具有重要意义，目前对于家蚕CAT的作用已经有了很多的研究报道，专家学者们对家蚕的CAT研究主要集中在免疫系统中，即该酶对环境、病毒、细菌等抗性的作用方面，而对其他方面的作用机制研究较少，还有许多问题未阐明。比如家蚕体内的转录调控因子是怎样与CAT酶相互作用，CAT在家蚕体内完整的催化机制，是否可以在家蚕体内过表达CAT基因提高家蚕对环境的抗性，来培育优质抗性的家蚕新品种等，这些都有待于进一步探讨和研究。随着分子生物学技术的发展，必将对家蚕CAT作用的分子机制有更深层次的了解，使CAT更好地应用于蚕桑产业，为鳞翅目害虫的防治和家蚕抗性品种的选育提供更好的思路。

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