逆境条件下植物体内活性氧代谢研究进展

徐松华

摘 要：活性氧是一类具有很强的氧化能力的含氧物质。当植物遭受逆境胁迫时，其体内活性氧会过量积累，导致发生氧化性胁迫，因而必须依靠抗氧化酶系统对抗这种胁迫。该文主要介绍了活性氧代谢的产生和清除机制以及活性氧的影响因素，并综述了近年来在逆境条件下超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等活性氧清除酶系统的代谢作用机制，探讨了环境胁迫下活性氧代谢的应答规律与机制，为植物适应性机制和逆境生理学研究提供参考。

关键词：活性氧代谢;抗氧化酶;逆境胁迫;适应性机制

中图分类号 Q945 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）21-0029-04

Abstract： Reactive oxygen species （ROS） are a kind of oxygen-containing substances with strong oxidizing ability. Reactive oxygen species will accumulate excessively in plants while plants are under stress， which will lead to oxidative stress in plants. It is necessary to rely on the antioxidant enzyme system to combat this stress. This paper mainly introduces the generation and removal mechanism of reactive oxygen species， and its influence factors of reactive oxygen species， and reveals the generation and removal mechanism of active oxygen enzyme system such as superoxide dismutase， catalase， peroxidase and so on， discusses the environmental response mechanism of active oxygen metabolism， which provides a scientific basis for the study of plant adaptive mechanism and stress physiology.

Key words： Reactive oxygen metabolism; Antioxidant enzyme; Environmental stress; Adaptive mechanism

1 活性氧代謝

1.1 活性氧在植物体内的产生机制 活性氧（Reactive oxygen species，ROS）是一类具有很强氧化能力、化学性质活泼的含氧物质及其衍生物质的总称。植物体内ROS的主要类型有羟基自由基（·OH）、过氧化氢（H2O2）、过氧烷氧基自由基（ROO·）等，这类物质可直接与脂肪作用形成脂类过氧化物（ROOH），其中以·OH性质最为活泼[1]。在正常生理条件下，植物体内活性氧的灭活酶及各种水溶性、脂溶性的抗氧化剂等物质可形成抗氧化防御系统，使氧化性损伤与抗氧化防御处于一种动态平衡。当外界环境改变时，植物体内的这种动态平衡会遭到破坏，活性氧会导致膜脂发生过氧化，攻击细胞分子，导致细胞膜发生损害，从而导致植物受到伤害[2]。

氧是电子受体，会得到不同数目的电子，形成不同的氧化产物，主要以·OH为主。氧的反应过程如式（1）所示：

1.2 活性氧在植物体内的产生部位 植物在获得能源与碳源并维持正常生长发育过程中，作为呼吸作用最重要供体的氧起了十分重要的作用，氧在植物体内的线粒体和叶绿体参与形成活性氧类物质，然后通过细胞空隙可以自由扩散进入线粒体内，从而使线粒体受损[3]。

1.3 活性氧在植物体内的清除

1.3.1 酶促清除系统 酶促清除系统是植物体内活性氧清除的主要机制，其能显著影响植物适应不利环境的能力[4]。酶促清除系统中的酶系主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、还原型谷胱甘肽（GSH）等[5]。

SOD在植物体内可结合不同的金属离子，从而达到活性氧去除的目的，主要有Fe-SOD、Mn-SOD、Cu/Zn-SOD等3种结合方式，其中Mn-SOD和Fe-SOD存在于线粒体和叶绿体中，Cu/Zn-SOD存在于细胞质和叶绿体中[6]。SOD在酶促清除系统中能清除超氧阴离子自由基（O2-），并生成歧化产物H2O2，反应如式（6）所示：

O2-是生物体多种生理反应中自然生成的中间产物，具有极强的氧化能力，是生物氧毒害的重要因素之一 [7]。尽管H2O2也能产生对机体有害的活性氧，但体内CAT和POD会立即将其分解为完全无害的水，因此这3种酶形成了一道完整的抗氧化防御系统。在这3种酶中，SOD是酶促清除系统中的第一道防线，处于中心地位。

APX是植物氧化还原酶系的重要组分，是清除植物体内尤其是叶绿体中H2O2的关键酶。当APX活性显著升高时，会使O2-产生速率显著下降，过氧化作用显著减弱[8]。

GSH是细胞内一种重要的调节代谢物质，它参与体内三羧酸循环及糖代谢，可激活多种酶，促进糖类、脂肪和蛋白质代谢[9]。GSH是一类具有活性巯基（-SH）基团的物质，可参与机体多种重要的生化反应，保护体内重要酶蛋白的巯基不被氧化和灭活，保证能量代谢和细胞利用的正常生理过程。同时，GSH的巯基可以与体内的自由基相结合，使自由基还原成酸性物质，从而加速自由基的排泄，从而减轻自由基产生脏器的生理损害。

1.3.2 非酶促清除系统 非酶促清除系统是活性氧清除的另一种机制。植物体内的非酶促清除剂是除上述几种清除活性氧的保护酶外的其他抗氧化剂物质，如维生素C（抗坏血酸ASA）、维生素E（VE）、类胡萝卜素（Carotenoid）等，它们与活性氧类物质反应，降低膜脂的过氧化作用，从而保护膜脂。ASA具有抗氧化、抗自由基的功能，保护植物免受光合作用有害副产物的侵害，也能有效抵御干旱、紫外线等不利環境。VE具有较强的抗氧化性，能有效去除植物体内单重态的氧及各种形式的氧自由基。

1.4 活性氧代谢的影响因素

1.4.1 内部因素

1.4.1.1 植物种类 不同植物抗氧化酶在逆境胁迫的差异性较大。相比于C3植物，C4植物适应高温、光强、淹水[10]和干旱[11]的能力更强，其中抗氧化保护是重要原因。研究表明，当小麦（C3植物）和玉米（C4植物）受到水分胁迫后，小麦体内的H2O2含量比玉米要高得多，导致细胞受到损害更大[12]。由于C4植物叶片独特的结构，使得某些极端环境下比C3植物更能适应逆境胁迫。

1.4.1.2 植物器官 不同的植物器官中的抗氧化酶在逆境胁迫下存在差异，这是因为抗氧化酶在植物的不同器官中含量分配存在差别。Misra等研究表明，高盐胁迫下的长春花幼苗根部SOD、CAT、POD的活性比叶片中强[13]。Jiang研究表明，根系抗氧化酶的活性比叶片中的强[14]。对于多数绿色高等植物，高盐和干旱胁迫通常最开始遭受损伤的是根部，同时也是适应反应的起点，因此在根系中抗氧化酶活性最高，而且显著高于叶片。

1.4.1.3 不同的生长发育阶段 植物不同生长发育阶段的抗氧化酶在逆境胁迫下存在差异。在植物的生长周期中，抗氧化酶的活性在营养生长阶段比开花期低。Oaed等研究表明，高温胁迫时，生长期的五个不同品种小麦抗氧化酶活性都比开花期低[15]。不同叶龄的叶片在同种环境胁迫下对逆境胁迫的抗逆性不同。研究表明烟草嫩叶SOD、CAT活性明显高于老叶[15];对大麦使用百草枯后，嫩叶SOD、POD活性的耐受力比老叶更强[8]。H2O2在植物幼叶中的含量低于老叶，随着叶龄的增长，H2O2含量显著增加，在老叶中含量达到最大，这可能是由于叶片中抗氧化酶含量的水平引起的。

1.4.2 外部因素

1.4.2.1 温度 植物在生长发育过程中，外界环境因素的剧烈改变会对植物的生长和生存产生不利影响。环境条件的剧烈改变会使植物间接产生氧化胁迫，导致植物体内活性氧数量暴增，低于或者高于植物生活最适温度都会对植物造成低温或者高温胁迫，从而改变植物抗氧化酶活性，进而影响植物的生长发育过程。

1.4.2.2 水分 植物细胞受到水分胁迫时，会主动积累溶质，降低渗透势、水势，维持水生理平衡，此时活性氧的大量产生会破坏这种平衡。干旱胁迫会增加植物中的活性氧含量。在正常水分条件下，植物体内的活性氧维持在低浓度水平，不会对植物的造成危害。当发生水分胁迫时，植物叶绿体中的O2·和H2O2的含量会增加。它们会攻击蛋白质上的氨基酸残基，在叶绿体内产生降解反应。此外，干旱时活性氧的增加，导致膜脂质的不饱和脂肪酸含量降低，影响细胞膜的流动性，从而导致膜功能弱化。

1.4.2.3 养分 外界CO2含量升高会抑制植物活性氧产生，增加抗氧化酶活性，从而增强光合作用。O3含量的升高能促进植物活性氧代谢过程，降低抗氧化酶活性，从而降低光合作用。在CO2和O3的含量均升高的环境下，CO2含量增大到一定程度时，会削弱植物受O3含量提高带来的损害作用，而O3含量的提高在一定程度上也能削弱CO2含量上升对植物产生的有利影响。

2 逆境条件对植物活性氧代谢的影响

2.1 对活性氧自由基代谢的影响

2.1.1 对植物体内O2-的影响 逆境条件下，植物体内产生并累积活性氧从而破坏植物组织结构与功能，同时植物也可以通过改变活性氧代谢相关酶活性清除活性氧而减轻活性氧伤害以适应环境胁迫。O2-是其他类活性氧物质形成的主要物质，对植物有很强的毒性作用[9]，这是因为膜脂的过氧化或脱脂作用对膜结构产生了破坏作用[16]。比如，水分胁迫下八棱海棠和平邑甜茶幼苗叶绿体内O2-的产生速率显著提高[17]，小麦叶片叶绿体的O2-产生速率随着干旱时间的增加而增加[18]。

2.1.2 对植物体内H2O2的影响 H2O2是一种有毒有害的活性氧自由基[19]，它可以抑制光合固碳、参与叶绿体的降解过程。水分胁迫下，苹果叶绿体中H2O2含量显著上升，在水分胁迫后期，H2O2含量虽然有所降低，但仍高于对照组。Riley等[20]研究表明低氧胁迫下甜瓜植物的根和叶片中的H2O2含量也呈现相同的实验结果。由于非生物胁迫下氧化伤害和膜脂质过氧化作用，导致植物叶片H2O2降解能力的下降，从而对植物产生损害作用[21]。

2.2 对植物膜脂过氧化程度的影响 逆境条件下，植物细胞产生大量的活性氧，这些活性氧以极强的氧化性造成细胞膜脂过氧化作用，导致膜系统损伤和细胞氧化，从而对植物造成严重伤害。丙二醛（MDA）含量是一种衡量植物膜脂过氧化程度的因子，它是植物细胞膜脂过氧化的产物，同时也是质膜受损伤程度的重要指标。研究表明在不同浓度NaCl处理下，盐生大豆幼苗根中MDA含量未见明显上升，叶片中略有增加;耐盐性强的大豆根系中的MDA含量在高盐胁迫下较对照有显著上升，而耐盐性弱的大豆根和叶中的MDA含量均有所上升，且随着盐胁迫强度的增大而升高[22]。

2.3 环境胁迫下抗氧化酶的应答机制 逆境胁迫下，植物体内的活性氧数量剧增，植物的抗氧化酶活性迅速升高，对清除活性氧起到重要应激反应。SOD催化O2-发生歧化反应生成O2和H2O2，在活性氧清除系统中起着重要的作用，它是植物抗逆境的重要的指标[23]。SOD活性和植物的抗氧化能力呈正相关[24-25]。受到轻度或短期水分胁迫的植物SOD活性逐渐增加，而受到严重或长期逆境胁迫的植物SOD活性会逐渐降低。然而在非生物胁迫下SOD活性变化较为复杂，SOD活性会一直下降或先降后升，或保持不变[26]。CAT在植物体内的主要作用是清除高浓度的H2O2，是植物体内重要的活性氧清除酶。在O3胁迫下的植物叶片中CAT活性会有所增加，但随着胁迫强度增加而受到抑制，CAT活性下降;当O3浓度再次增加，CAT活性迅速下降。在水分胁迫下植物中的CAT活性会下降[27]，其原因有以下2个：一是H2O2过度的积累而导致CAT失活;二是发生了光失活，CAT为光失活酶，其酶活力的维持依赖于在光的作用下合成CAT蛋白，但其光修复对外界因素却是异常敏感。另外，O2-和H2O2可分别或一起与CAT反应形成复合物，这也会使CAT活性得到抑制[28]。过氧化物酶（POD）也可以分解并清除植物组织中H2O2形成O2和H2O，有效地保护细胞免受毒害损伤[29]。

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（责编：张宏民）