抗氧化酶在植物抗旱过程中的功能研究进展

林宇丰，李 魏，戴良英*

(1 湖南农业大学植物保护学院，长沙 410128； 2 作物基因工程湖南省重点实验室，长沙 410128)

抗氧化酶在植物抗旱过程中的功能研究进展

林宇丰1，2，李 魏1，2，戴良英1，2*

(1 湖南农业大学植物保护学院，长沙 410128； 2 作物基因工程湖南省重点实验室，长沙 410128)

干旱会导致植物产生大量活性氧，如果不能及时清除，会影响植物正常生长和发育。植物体内抗氧化酶在清除活性氧的过程中发挥重要作用。介绍了植物体内几种主要的抗氧化酶(超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶、单脱氢抗坏血酸还原酶、脱氢抗坏血酸还原酶和谷胱甘肽还原酶)在植物抗旱过程中的功能，并对抗氧化酶在抗旱基因工程中的研究进展进行了综述。

植物；抗旱；活性氧；抗氧化酶；基因工程

随着水资源日益匮乏，全球干旱区域不断扩大，干旱程度日趋严重。干旱严重影响植物的生长和发育，如何提高植物的抗旱性已成为遗传育种研究的重中之重。目前，关于植物抗旱机制的研究取得了较大进展，主要包括：活性氧(Reactive oxygen species，ROS)的清除、气孔行为、渗透调节、植物激素水平的调节和光合效率的提高[1]。干旱可诱导植物产生大量ROS，而过量的ROS积累会对植物产生损害。植物主要通过自身抗氧化系统清除体内多余的ROS。植物抗氧化系统包括抗氧化酶系统和抗氧化剂系统。抗氧化酶主要有超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)和谷胱甘肽还原酶(GR)[2]。研究抗氧化酶在植物体内的抗旱机制，以及利用基因工程来增强抗氧化酶相关基因的表达，对提高植物抗旱性有着重要的现实意义。

1 干旱胁迫中ROS的产生及对植物的损害

2 SOD、CAT和APX在抗旱过程中的功能

植物抗氧化酶主要种类及其催化的反应、所在亚细胞区室如表1所示。SOD、CAT和APX 3种酶广泛存在于植物细胞内，它们通过直接清除ROS以调控ROS水平，并把ROS转换成活性较低和毒性更小的有害物质。它们因为直接与ROS反应，所以被看作是细胞内ROS的传感器。

表1 植物体内参与ROS清除的主要抗氧化酶

2.1 SOD在抗旱过程中的功能

表2 植物体内3种SOD的比较[15]

注：“否”表示SOD不受氰化物(KCN)或H2O2的抑制。

2.2 CAT在抗旱过程中的功能

CAT又称触酶，为同源四聚体，含有血红素，主要存在于植物的过氧化物酶体和乙醛酸循环体中。CAT可直接分解和催化分解H2O2，但它与H2O2的亲合力相对较弱，所以CAT在清除逆境胁迫产生的H2O2时有一定局限性。植物体内的CAT可分为3类：CAT1、CAT2和CAT3[16]。其中，CAT1能清除光呼吸过程产生的H2O2，主要存在于光合作用组织中；CAT2受UV-B、病原物和臭氧诱导，在植物抗逆中起重要作用，主要存在于微管组织中；CAT3主要清除乙醛酸循环中脂肪降解产生的H2O2，在种子内表达丰富[17]。研究发现，干旱胁迫能够诱导CAT基因上调以促进H2O2的分解。对烟草进行干旱处理时发现，CAT1基因表达量随着干旱时间的变化而发生改变：前期轻微增加，中期达到最高峰，是对照的20倍，后期表达量明显下降至与对照相近。这一研究结果说明烟草CAT1基因参与了植物抗旱信号传导过程[18]。

2.3 APX在抗旱过程中的功能

APX主要存在于叶绿体基质中，是一种由卟啉与肽链构成的血红蛋白，是清除叶绿体中抗坏血酸-谷胱甘肽(AsA-GSH)循环所产生的H2O2和催化AsA氧化的关键酶[19]。APX与CAT不同之处在于APX与H2O2的亲合力较强，但需要AsA作为底物。根据APX在植物细胞中定位的不同可分为：细胞质APX(cAPX)、类囊体APX (tAPX)、微体膜APX (mAPX)和叶绿体基质可溶APX(sAPK)[20]。有研究表明：在干旱胁迫下，小麦抗旱品种的cAPX活性增加程度明显高于不抗旱品种[21]。此外，枣树ZjAPX基因在干旱胁迫下诱导表达，在一定时间和浓度范围内，随着干旱程度的加大表达量增加，说明APX参与了减少干旱给植物带来的损伤[22]。

3 GR、MDHAR和DHAR在抗旱过程中的功能

另一组酶为GR、MDHAR和DHAR，它们参与调控抗坏血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)合成及还原的过程，从而平衡植物细胞的氧化还原状态[23]。这3种酶催化的反应和所在亚细胞区室见表1。在干旱胁迫下，由于ROS的大量积累，会引起抗氧化酶在转录水平和蛋白水平上的上调以达到调控ROS水平的目的[24]。

3.1 GR在抗旱过程中的功能

3.2 MDHAR和DHAR在抗旱过程中的功能

MDHAR和DHAR都是AsA代谢途径的关键酶。在干旱条件下，MDHAR和DHAR活性变高，并分别将AsA的氧化产物单脱氢抗坏血酸(MDHA)和脱氢抗坏血酸(DHA)还原再生成AsA，对维持植物细胞内AsA的平衡和氧化还原平衡起着重要作用[27]。有研究表明，干旱胁迫激发了冰草叶片中抗坏血酸防御系统，使清除H2O2的APX和加快AsA循环再生的MDHAR和DHAR酶活性上升，从而维持叶片抗坏血酸水平和缓解干旱对植物的伤害[28]。

4 抗氧化酶在抗旱基因工程上的应用及研究展望

4.1 抗氧化酶在抗旱基因工程上的应用

目前，多种植物的抗氧化酶基因已克隆并应用于植物抗旱基因工程研究。相关研究表明，抗氧化酶基因的过量表达能不同程度地提高植物对干旱胁迫的抵抗能力。例如：将棉花APX基因导入普那菊苣(CichoriumintybusL.cv.Puna)植物体内，转基因植株叶片中抗氧化酶活性明显提高，MDA含量降低，转基因普那菊苣表现出良好的抗干旱和盐胁迫的特性[29]。此外，在番茄中，过表达质体MDHAR增加了MDHAR活性和AsA的效力，提高了转基因番茄对干旱、温度等非生物胁迫的抗性[30]。Prashanth等[31]将白骨壤(Aricenniamarina)中的Cu/Zn-SOD基因转到籼稻品种巴斯马蒂-1中，发现转基因植物对干旱的抗性增强，此外对氧化和盐胁迫的抗性也增强。但是部分转SOD基因植物并不能明显提高对干旱和氧胁迫的耐受性。例如：将烟草和拟南芥中Mn-SOD和Fe-SOD基因转入苜蓿后发现抗旱性少有增强[32]。但是同时转入多种抗氧化酶基因，植物抗干旱和氧化胁迫的能力会大大增加。例如：同时转入Cu/Zn-SOD和APX基因的甘薯中Cu/Zn-SOD和APX酶活性提高，在干旱胁迫下清除ROS能力显著增强，叶片含水量和净光合速率较高，增强了对干旱的抗性[33]；Aono等[34]也证明同时过量表达Cu/Zn-SOD和GR的转基因烟草抗氧化能力较高，且氧化胁迫下受伤程度小于单独表达SOD和GR的植株。因此单独大幅提高SOD酶活性，不提高其它抗氧化酶的活性，会导致植物体内H2O2不能及时清除，不但无法提高植物的抗旱能力，反而会对植物造成氧化损害。所以，如何保持SOD和其他抗氧化酶之间的酶活性平衡对提高植物的抗旱性很重要。

4.2 研究展望

植物抗氧化酶系统能够有效清除细胞内ROS，是植物抗旱保护机制的一个重要组成部分。目前，关于抗氧化酶在植物抗旱信号传导中的作用机制的研究取得显著进展，但仍有许多尚未解决的问题。主要问题和具体对策如下：(1)目前克隆出的抗氧化酶相关抗旱基因还不多，需要挖掘更多抗氧化酶基因资源以用于植物抗旱基因工程；(2)目前植物抗氧化酶抗旱基因工程多为单基因转化，而植物清除ROS是多种抗氧化酶协同作用的结果，单一提高某个抗氧化酶基因的表达，有一定效果，但并不明显，甚至会产生反作用，因此多基因转化能更显著地提高植物的抗旱性；(3)目前对抗氧化酶转基因植物的抗旱性研究多在实验室和温室条件下进行，但大田生态环境复杂，因此需进一步在自然干旱条件下对抗氧化酶转基因植株进行抗旱性鉴定和研究；(4)植物的抗旱性最终表现在产量上，还需要对抗氧化酶转基因植物的农艺性状指标进行鉴定。

[1] 刘宇锋，高国庆，李道远.水稻抗旱生理生化及其相关基因研究进展[J].中国农学通报，2008，(2)：219-224.

[2] Hernández I，Cela J，Alegre L，et al.Plant Responses to Drought Stress[M].Berlin：Springer，2012.231-258.

[3] 张梦如，杨玉梅，成蕴秀，等.植物活性氧的产生及其作用和危害[J].西北植物学报，2014，34(9)：1916-1926.

[4] 贾学静，董立花，丁春邦，等.干旱胁迫对金心吊兰叶片活性氧及其清除系统的影响[J].草业学报，2013，22(5)：248-255.

[5] 刘忠霞，刘建朝，胡景江.干旱胁迫对苹果树苗活性氧代谢及渗透调节的影响[J].西北林学院学报，2013，28(2)：15-19.

[6] Gollery M，Breusegem FV，Mittler R，et al.Reactive oxygen gene network of plants[J].Trends in Plant Science，2004，9(10)：490-498.

[7] Alscher RG，Erturk N，Heath LS.Role of superoxide dismutases (SODs) in controlling oxidative stress in plants[J].Journal of Experimental Botany，2002，53：1331-1341.

[8] Luis A.Peroxisomes as a cellular source of reactive nitrogen species signal molecules[J].Archives of Biochemistry and Biophysics，2011，506(1)：1-11.

[9] Mhamdi A，Queval G，Chaouch S，et al.Catalase function in plants：a focus on Arabidopsis mutants as stress-mimic models[J].Journal of Experimental Botany，2010，61(15)：4197-4220.

[10] Wang JM，Fan ZY，Liu ZB，et al.Thylakoid-bound ascorbate peroxidase increases resistance to salt stress and drought in Brassica napus[J].African Journal of Biotechnology，2013，10(41)：8039-8045.

[11]Kaur N，Hu J.Dynamics of peroxisome abundance：a tale of division and proliferation[J].Current Opinion in Plant Biology，2009，12(6)：781-788.

[12]Lunde C，Baumann U，Shirley NJ，et al.Gene structure and expression pattern analysis of three monodehydroascorbate reductase (Mdhar) genes in Physcomitrella patens：implications for the evolution of the MDHAR family in plants [J].Plant Molecular Biology，2006，60(2)：259-275.

[13]Shi YC，Fu YP，Liu WQ.NADPH oxidase in plasma membrane is involved in stomatal closure induced by dehydroascorbate[J].Plant Physiology and Biochemistry，2012，51：26-30.

[14]李 萍，侯万伟，刘玉皎.干旱胁迫对蚕豆苗期植株形态及叶片保护性酶活性的影响[J].西南农业学报，2014，27(3)：1029-1036.

[15]王 星，刘肖飞，周宜君，等.植物SOD基因表达调控的分子机制[J].中国油料作物学报，2014，36(2)：275-280.

[16]Willekens H，Langebartels C，Tire C，et al.Differential expression of catalase genes inNicotianaplumbaginifolia(L.)[J].Proceedings of the National Academy of Sciences，1994，91(22)：10450-10454.

[17]宋新华，赵凤云.植物体内过氧化氢酶的研究进展[J].安徽农业科学，2007，35(31)：9824-9827.

[18]王升平，杨金广，战徊旭，等.烟草过氧化氢酶基因CAT1的克隆及表达特征分析[J].中国烟草学报，2014，20(5)：103-109.

[19]Caverzan A，Passaia G，Rosa SB，et al.Plant responses to stresses：role of ascorbate peroxidase in the antioxidant protection[J].Genetics and Molecular Biology，2012，35(4)：1011-1019.

[20]Noctor G，Foyer CH.A re-evaluation of the ATP：NADPH budget during C3 photosynthesis：a contribution from nitrate assimilation and its associated respiratory activity[J].Journal of Experimental Botany，1998，49：1895-1908.

[21]Spundova M，Sloukova K，Hunková M，et al.Plant shading increases lipid peroxidation and intensifies senescence-induced changes in photosynthesis and activities of ascorbate peroxidase and glutathione reductase in wheat[J].Photosynthetica，2005，43(3)：403-409.

[22]孟玉平，曹秋芬，郭慧娜，等.NaCl和PEG6000胁迫下枣组培苗中ZjAPX的表达[J].山西农业科学，2013，41(2)：107-109.

[23]Foyer CH，Noctor G.Ascorbate and glutathione：the heart of the redox hub[J].Plant Physiology，2011，155(1)：2-18.

[24]Gill SS，Tuteja N.Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants[J].Plant Physiology and Biochemistry，2010，48(12)：909-930.

[25]Mittler R.Oxidative stress，antioxidants and stress tolerance[J].Trends in Plant Science，2002，7(9)：405-410.

[26]宋贵方，樊伟丽，王俊娟，等.陆地棉干旱胁迫响应基因GhGR的克隆及特征分析[J].中国农业科学，2012，45(8)：1644-1652.

[27]Wang S，Liang D，Li C，et al.Influence of drought stress on the cellular ultrastructure and antioxidant system in leaves of drought-tolerant and drought-sensitive apple rootstocks[J].Plant Physiology and Biochemistry，2012，51：81-89.

[28]单长卷，韩蕊莲，梁宗锁.黄土高原冰草叶片抗坏血酸和谷胱甘肽合成及循环代谢对干旱胁迫的生理响应[J].植物生态学报，2011，35(6)：653-662.

[29]张丽君，程林梅，杜建中，等.导入APX基因提高了普那菊苣植株的抗逆性[J].草地学报，2012，20(1)：152-158.

[30]Li F，Wu QY，Sun YL，et al.Overexpression of chloroplastic monodehydroascorbate reductase enhanced tolerance to temperature and methyl viologen-mediated oxidative stresses[J].Physiologia Plantarum，2010，139(4)：421-434.

[31]Prashanth SR，Sadhasivam V，Parida A.Over expression of cytosolic copper/zinc superoxide dismutase from a mangrove plantAvicenniamarinain indica rice var Pusa Basmati-1 confers abiotic stress tolerance[J].Transgenic Research，2008，17(2)：281-291.

[32]Rubio MC，González EM，Minchin FR，et al.Effects of water stress on antioxidant enzymes of leaves and nodules of transgenic alfalfa overexpressing superoxide dismutases[J].Physiologia Plantarum，2002，115(4)：531-540.

[33]李 筠，邓西平，郭尚洙，等.转铜/锌超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶基因甘薯的耐旱性[J].植物生理与分子生物学学报，2006，32(4)：451-457.

[34]Aono M，Saji H，Sakamoto A，et al.Paraquat tolerance of transgenicNicotianatabacumwith enhanced activities of glutathione reductase and superoxide dismutase[J].Plant and Cell Physiology，1995，36(8)：1687-1691.

Research Progress of Antioxidant Enzymes Functioning in Plant Drought Resistant Process

LIN Yu-feng1，2，LI Wei1，2，DAI Liang-ying1，2*

(1 College of Plant Protection，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 Crop Gene Engineering Key Laboratory of Hunan Province，Changsha，Hunan 410128，China)

Drought stress induces plant producing mass of reactive oxygen (ROS)，which can influence plant growth and development when it could not be scavenged from plant organisms in time.The antioxidant enzymes play an important role in the process of scavenging ROS.Here，the plant main antioxidant enzymes (superoxide dismutase，peroxidase，catalase，ascorbate peroxidase，monodehydroascorbate reductase，dehydroascorbate reductase and glutathione reductase) were reviewed for their functions in plant drought stress.Moreover，the application of antioxidant enzymes in genetic engineering was also reviewed.

plant；drought resistance；reactive oxygen species；antioxidant enzymes；genetic engineering

2015-03-13

林宇丰(1989-)，男，湖南邵阳人，硕士研究生，Email：linyf728@163.com。

*通信作者：戴良英，教授，博士生导师，研究方向：植物与微生物分子互作，Email：daily@hunau.net。

国家转基因生物新品种培育重大专项(2013ZX08001-002)；国家自然科学基金项目(31371246，31300250)。

Q948.112+.3

A

1001-5280(2015)03-0326-05

10.3969/j.issn.1001-5280.2015.03.26