植物抗氧化系统对水分胁迫及复水的研究进展

1、植物抗氧化系统对水分胁迫及复水响应研究进展*胡国霞马莲菊陈强赵贵林褚妍任菲李雪梅(沈阳师范大学化学与生命科学学院,辽宁沈阳110034摘要:干旱是影响植物正常生长发育的主要环境胁迫因素之一。本文从抗氧化酶(超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶和抗氧化物质(抗坏血酸和谷胱甘肽两方面综述了植物抗氧化系统对水分胁迫及复水响应的研究进展。关键词:抗氧化酶;抗氧化物质;水分胁迫;复水中图分类号:?文献标识码:A文章编号:?Progress on the response of plant antioxidant system to water stress and

2、rewateringHu GuoXia, Ma LianJu,Chen Qiang,Zhao GuiLin,Chu Yan,Ren Fei,Li XueMei(College of Chemical and Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034 Abstract:Drought is one of the major environmental stressor influencing plant growth and development. The article reviewed the research ad

3、vances on the response of plant antioxidant system to water stress and rewatering in antioxidant enzymes (superoxide dismutase, peroxidase, catalase, ascorbate peroxidase, glutathione reductase and antioxidant substances (glutathione and ascorbic acid.Keywords:antioxidant enzyme;antioxidant substanc

4、es;water stress;rewatering0 植物为保证其代谢机能的正常进行对本身活性氧(ROS的伤害具有适应调节和抵御的能力,具体表现为在体内存在着一套精细而又复杂的抗氧化系统,其主要特征是降低或破坏抗氧化酶的活性或抗氧化物质的含量,使ROS的代谢失衡。在正常条件下ROS在植物体内的产生和清除处于一种动态平衡,其浓度也维持在一个较低的水平,此时ROS不会损伤植物体而显示出独特的生理作用。但在逆境条件下这种动态平衡遭到破坏,植物抗氧化系统清除ROS的能力下降,大量积累ROS对植物造成的伤害。这种伤害一方面使ROS的产生加快,另一方面破坏了以SOD为主的抗氧化系统导致ROS进一步积累,

5、使植物遭到破坏1-2。为了清除ROS,植物会应激的产生有效的抗氧化酶和抗氧化物质3。因此,逆境胁迫下清除ROS的能力也会发生变化。植物在水分胁迫及复水时是主动的适应调节而不是被动承受伤害,正是对这种胁迫的*基金资助:国家自然科学基金资助课题(30870205,31070285,辽宁省教育厅资助课题(L2010516,辽宁省自然科学基金(20092070,20102205 ,沈阳市科技局国际合作项目(1091241-6-00通讯作者:李雪梅作者简介:胡国霞(1983-,女,辽宁锦州人,沈阳师范大学在读硕士研究生,植物逆境生理。不断适应,才使植物在长期的进化过程中形成了比较完善复杂的抗氧化系统来清

6、除ROS4。近年来人们对植物清除ROS的抗氧化系统做了大量的研究,现就植物体内的抗氧化系统及其对水分胁迫及复水的响应研究做一综述。1 植物的抗氧化系统植物的抗氧化系统在缓解胁迫方面起着重要的作用,是植物生理学的研究热点,它可清除植物体内的ROS,以避免过量ROS对植物的伤害。植物的抗氧化系统由抗氧化酶类和抗氧化物质即抗氧化剂类组成。抗氧化酶类包括对ROS起直接作用的超氧化物歧化酶(SOD、过氧化氢酶(CA T、抗坏血酸过氧化物酶(APX以及范围作用较广的过氧化物酶(POD,还包括维持抗氧化物质还原性所必须的酶类即抗坏血酸(AsA-谷胱甘肽(GsH循环酶类等,如谷胱甘肽还原酶(GR、脱氢抗坏血酸

7、还原酶(DHAR、单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR等。抗氧化物质主要包括AsA和类胡萝卜素(Car以及一些含巯基的低分子化合物(如还原型GsH等,它们可以通过多条途径直接或间接地清除ROS,又可作为酶的底物而扮演重要角色。通过抗氧化系统的协调作用使ROS在植物体内维持在较低水平,从而使植物进行正常的生长和发育5。2 植物抗氧化系统对水分胁迫及复水的响应一般情况下,抗氧化酶或抗氧化物质具有较高的活性或含量,可以有效地清除ROS。大量的实验表明水分胁迫及复水时,植物体内抗氧化酶活性或抗氧化物质含量会发生很大的变化,并随着试验材料、抗氧化酶种类、胁迫程度及时间的不同而不同,通常情况下植物需要启动整个

8、抗氧化系统来抵抗水分胁迫及复水造成的伤害,单一的抗氧化酶或抗氧化物质不能抵抗水分胁迫及复水造成的伤害。所以,植物体内需要多种抗氧化酶或抗氧化物质的共同参与,才能有效的清除植物体内过量的ROS。2.1 植物抗氧化酶对水分胁迫及复水的响应SOD是植物抗氧化系统的第一道防线,在清除ROS方面发挥着重要作用。SOD催化2个超氧自由基发生歧化反应形成O2和H2O2,H2O2再被POD、CA T、APX、GR等抗氧化酶催化清除6。作为诱导酶, SOD活性受底物O2.-浓度的影响,水分胁迫下超氧阴离子(O2.-的产生增多,从而诱导SOD活性的增强。不同程度水分胁迫前期的苹果叶片SOD活性大幅度上升,上升幅度

9、为严重胁迫>中度胁迫>轻度胁迫,严重胁迫时SOD失活7。大量的实验研究表明,随干旱胁迫强度的加强和处理时间的延长,大多数植物体内SOD活性先升高后下降,轻中度胁迫下缓慢上升而重度胁迫下迅速上升。复水后随时间的延长SOD活性有不同程度的恢复,SOD活性下降可能是改变了细胞膜保护系统,也可能是保护膜受到了严重损伤而丧失了保护功能8-12。而李建梅等13在转基因甘薯上的研究发现,随着水分胁迫时间的延长SOD活性下降后上升,复水后开始下降。卜令铎14、李云飞15和周雪英等16研究在不同的干旱胁迫程度下,随着时间的延长SOD活性上升。说明通过提高SOD的活性,加强ROS的清除能力以适应环境,

10、复水后SOD的活性有不同程度的变化, SOD活性先升高后下降,可能因为SOD可清除O2.-,减轻膜脂过氧化对膜结构的伤害,所以酶活性上升较高,清除后活性又下降;SOD活性下降说明SOD活性对ROS的积累产生不同的响应;而SOD活性上升可能加强了ROS的清除能力。杜建雄17和崔秀敏等18研究表明,干旱胁迫引起SOD活性下降;复水后活性上升。邵艳军等19以C4植物玉米和高粱为材料研究表明,随着水分胁迫程度的加强,SOD活性的变化不同,抗旱性弱的玉米SOD活性变化与抗旱性强高粱SOD活性的变化均呈上升-下降-上升的变化趋势,说明二者SOD抗氧化调节机制相同。复水后随时间的延长,抗旱性强的玉米SOD活

11、性下降后回升;而高粱SOD活性变化一致,表明两品种有共同抗氧化机制。这说明SOD有清除ROS的作用并参与了抗逆和复水后的修复。另外,冉飞等20研究发现,锡金微孔草SOD活性在干旱胁迫期间变化不显著,复水后SOD 活性有一定幅度的上升,这与李燕等21的研究结果相一致。而Wang和Huang22研究发现,干热胁迫时耐旱性强的品种SOD活性上升速度快幅度大,复水后SOD活性上升慢。POD也是植物抗氧化系统中重要的酶类,与CA T共同作用消除由SOD作用产生过量的H2O2,使H2O2维持在一个较低的水平。POD通过催化其他底物与H2O2反应以消耗H2O223。植物在受到水分胁迫及复水时,可诱导体内PO

12、D活性上升,从而起到保护植物的作用。大量的研究表明,玉米14、刺槐苗木24、黄连木25和匍灯藓等26植物的POD活性随干旱胁迫时间的延长而上升,POD活性上升说明H2O2分解增强减轻了对植物的危害。复水后POD活性除匍灯藓的活性下降外,其余均呈上升-下降-上升的变化趋势,说明干旱胁迫使POD活性能维持在一个较高水平,增强了植物的抗氧化能力。POD作用具有双重性。在逆境胁迫下,POD既可清除H2O2表现为保护效应,还可参与ROS的形成表现为伤害效应27。何承坤28和李永强等11研究表明,POD活性在短期干旱胁迫后下降,复水后迅速恢复。刘海艳17、冉飞20和Cavaleanti29等研究发现,PO

13、D活性随着干旱胁迫时间的延长,呈先升高后降低的变化趋势,复水后POD活性有不同程度的恢复。邵艳军19和米海莉等8的研究表明,POD活性先随干旱胁迫强度增加而升高-下降-上升的变化趋势,复水后下降。此外,丁菲等9以当年生构树幼苗为材料,研究不同程度干旱胁迫及复水后POD活性表明,POD活性变化不显著,说明POD活性还没有对逆境作出明显的反应。复水后POD活性下降。CA T是植物体内重要的抗氧化酶类之一,在干旱胁迫下水分的缺失可诱导植物体内CAT活性的增强,加速了对H2O2的分解从而避免羟基自由基(HO-的生成,在一定程度上减缓了植物过氧化的发生30。卜令铎14、张立新31、Saneoka 32、

14、Srivalli33和李朝阳等26研究发现,经干旱处理,CAT活性上升复水后下降。而杜建雄17、崔秀敏18和何承坤28等却发现,随着干旱胁迫时间的延长引起CAT活性下降,复水后活性上升。CAT可清除植物体内的H2O2,使ROS维持在一个较低水平,从而减缓ROS的积累及其它伤害的发生,以维持植物较正常的生长发育,并且可能在植物抗性中发挥重要作用34。CA T活性均随着干旱胁迫程度及时间的延长,呈现先升高后降低的变化趋势,复水后CA T活性有不同程度的恢复11、17、20。而米海莉8和丁菲9等的研究却发现,CAT活性随胁迫强度的增强和处理时间的延长表现出先降低后升高的变化趋势。在复水期间活性变化不

15、同,牛心朴子的CA T活性恢复了而构树CAT活性却下降,这表明CAT活性无论在干旱胁迫还是正常情况下都呈现出较大的波动,并且没有表现出与干旱胁迫的程度和时间相关的规律性变化,即CAT酶的抗氧化作用不明显。抗坏血酸过氧化物酶(APX 也叫维生素C过氧化物酶,APX是叶绿体专一清除H2O2的关键酶。APX 是植物体内清除ROS分子H2O2的主要酶类,APX以还原型AsA为反应底物,将对植物体造成危害的H2O2分解成无毒的H2O和O2,单脱氢抗坏血酸可通过不同的途径被还原成AsA35。李建梅等13的研究表明,在干旱胁迫及复水过程中,转基因甘薯的APX活性先升高后下降,未转基因甘薯与转基因甘薯相反。而

16、陆燕元等36研究表明,转基因甘薯植株的APX活性随水分胁迫时间的延长呈现上升-下降-上升的变化趋势,这与非转基因甘薯植株的APX活性变化相反。水分胁迫24h后复水,转基因甘薯植株APX活性先下降后上升,而胁迫48h后复水,APX活性则呈现先升后降再升高的双峰变化。非转基因植株APX活性变化没有转基因植株APX的活性变化明显。这种变化的原因可能是在复水初期最初受到胁迫时积累的ROS 尚未完全清除,还继续合成新的APX而最终导致APX活性的增加。复水中期APX活性的降低,可能是部分APX在ROS的清除过程中而消耗;而复水后期APX活性又升高,一种可能是没有及时分解过量的APX,而表现出较高的活性。

17、另一种可能是APX的活性并不与胁迫的时间成比例关系。一定程度的水分胁迫APX的活性被激活;但随着水分胁迫程度的加深,APX的活性则被抑制而不能及时响应,所以APX 的活性在水分胁迫48h比24h时的低。GR是一种黄素蛋白氧化还原酶,广泛存在于真核生物和原核生物中,在水分胁迫下对ROS清除起关键作用。GR活性的提高可促进GsH含量的增多,较高含量的GsH有利于再生AsA,APX活性的增强又可促进AsA转变为DHA。该系统的GR对轻度水分胁迫作出积极的反应活性升高,表明在水分胁迫下的重要作用37。说明GR活性的变化一方面反映植物对干旱胁迫的适应性,另一方面反映ROS与抗氧化酶系统之间的动态平衡38

18、。李永强等11研究表明,随着胁迫时间的延长,GR活性先升高后下降,复水后GR 不能恢复。GR活性上升可能是植物受到水分胁迫的刺激,为适应体内O2-与H2O2积累的一种适应性调节。总之,植物体内SOD、POD和GR等抗氧化酶的协同作用,能够在干旱等逆境中清除体内过量的ROS 以维持ROS的动态平衡,保护膜结构而最终增强植物对逆境的抗性39-41。而这种平衡可能有2种原因,一是SOD和POD等抗氧化酶在清除ROS的过程中相互协调而保持一个稳定的动态平衡42;另外可能是在干旱胁迫下POD等抗氧化酶启动植物衰老机制的开始。2.2 植物抗氧化物质对水分胁迫及复水的响应植物体内ROS的有效清除还需要抗氧化

19、物质共同作用。水分胁迫及复水可影响植物体内抗氧化物质含量的变化,其影响程度和植物种类、品种以及抗性存在一定的相关性。AsA和GsH等均是植物有效的抗氧化物质,它们可直接同ROS反应,将其还原又可作为酶的底物并在ROS的清除过程中扮演重要角色。AsA是一种普遍存在于植物高丰度的小分子抗氧化物质,它可以直接与单线态氧(O21、O-2、H2O2和HO-等ROS反应,清除·OH猝灭O21及歧化H2O2,还可再生V E。因此在抵抗水分胁迫中具有重要作用43。也有研究表明,叶绿体中的AsA能与O2-反应并能碎灭O21和清除H2O2,从而有利于避免受有毒物质的伤害44。AsA在APX作用下与H2O2反应,H2O2接受以GsH为中介的NADPH的电子还原成H2O,从而清除H2O2。AsA氧化时形成MDHA,MDHA进一步氧化形成DHA。在MDAH及DHA还原酶存在时,AsA 可由MDHA及DHA再生45-46。由于AsA具有多种氧化功能,AsA含量下降可为植物抗氧化能力总体衰退的指标47,在水分胁迫下,AsA含量的降低有可能代表诸葛菜叶片的整个抗氧化能力的降低48。王泽杰49、李朝阳26、王贺正50和王娟等37对不同种植物进行不同方式的水分胁迫后复水发现,