水分胁迫与活性氧代谢

水分胁迫与活性氧代谢

摘要:水分胁迫使植物细胞产生大量的活性氧，而植物体内的酶促和非酶促清除系统不能及时地将其清除，使活性氧的产生能力大于清除能力，从而使体内的活性氧代谢失调，对植物造成伤害。文中综述了水分胁迫下活性氧代谢：(1)水分胁迫会通过多条途径来增加活性氧自由基的产生, 从而造成对植物的伤害；(2)活性氧的清除系统在活性氧自由基的清除中发挥着重要的作用,水分胁迫对各种保护酶的影响是不同的；(3)活性氧代谢与植物的抗旱能力有着密切的关系，它们可以作为抗旱性品种鉴定和选育的参考指标。文中还就活性氧代谢的进一步研究提出了建议。

目前，全球有近三分之一的可耕地处于干旱或半干旱状态，由于干旱所造成的作物品质下降，产量降低是十分惊人的，其减产程度超过其它逆境因素所造成的减产的总和[1]。当植物遭受到水分胁迫(干旱)时，都会使植物体内产生大量的活性氧自由基，造成氧化损伤，从而对植物产生严重的危害。这些活性氧自由基是通过植物体自身的代谢产生的一类自由基。主要包括：氢氧根负离子(OH-)、氢氧自由基(·OH) 、过氧化氢(H2O2)、超氧物阴离子自由基(O2·-) 、单线态氧(1O2) 等。这些活性氧自由基可以损伤蛋白质、质膜、叶绿素及其它细胞组分。当这些活性氧对细胞产生伤害时，细胞内还存在一些物质来清除活性氧自由基, 以减弱对细胞的损伤。活性氧清除剂主要包括：超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶

(CAT)、过氧化物酶(POD)、谷胱甘肽还原酶(GR)、抗坏血酸过氧化物酶(ASP)、以及维生素C(ASA )、维生素E(Vte)、还原型谷胱甘肽(GSH)、类胡萝卜素(Car)、类黄酮、甘露醇等。

在正常情况下，细胞内活性氧的产生与清除总是处于动态平衡状态，即体内产生的活性氧可以及时地被活性氧清除剂清除掉，不会对植物产生伤害。而在水分胁迫条件下，植物细胞膜系统会受到破坏，Fridovich[2]提出生物自由基伤害学说，认为植物体内自由基大量产生(毒害)会引发膜脂过氧化作用，造成细胞膜系统的破坏，直到植物细胞的死亡。干旱胁迫下造成对植物的伤害就是细胞内O2·-自由基的产生与清除的不平衡所致，从而使膜脂发生过氧化作用或膜脂脱脂作用(形成丙二醛)，破坏膜结构，使植物受到伤害[3]。

1 水分胁迫中活性氧的产生及对植物的损伤

在高等植物的正常代谢过程中，活性氧可通过多条途径产生。例如，在电子传递的过程中，当电子传递到分子氧上时，随之产生活跃且具有毒性的活性氧。叶绿体、线粒体、过氧化物体等均可产生活性氧。其中对叶绿体活性氧的产生机制了解得最为清楚。叶绿体是光合作用的细胞器，在PSI 的电子传递过程中，光合电子可通过末端氧化酶将O2光氧化还原为超氧化物，并通过PSI的电子循环或类囊体扩散至基质表面，在这里发生酶促歧化反应生成H2O2和O2或者在Fe或Cu 的存在下通过Fenten或Haber-Weiss反应生成OH-和O2[4]。最近

也有人证明PSII也可能促进了O2·-的产生[5]。

在水分胁迫下，活性氧自由基的产生能力增强，特别是O2·-的产生速率增加，生成量持续增大。而这些自由基又可以与H2O2发生Haber-Weiss反应，生成更多的活性氧自由基，其反应式如下：

O2·-+ H2O2→·OH+ OH-+1O2

一般认为，干旱会增加植物体内的活性氧的含量。据姚允聪等[5]的实验证明，在水分胁迫下，八棱海棠和平邑甜茶幼苗的叶绿体O2·-和H2O2产量随着水分胁迫的加剧而出现上升的趋势。

不同的水分胁迫强度和不同的植物种或品种对O2·-产生过程中的反应是不相同的。徐俊森等[6]以木麻黄为材料的研究表明，在中度水分胁迫下叶片中的O2·-产生速率稍微增大，而在强度的水分胁迫下，其产生速率急剧增大。而陈由强等

-产生速率随胁迫[7]以芒果为材料的研究表明，芒果幼叶O

2·

强度的增加而迅速增加, 中度水分胁迫时达到最大值，而后O2·-的产生速率却有所减缓。陶宗娅等[8]的研究表明，叶片的H2O2含量在-2.0MPa后有所增加，而O2·-的产生速率随着渗透压递降先下降后又迅速上升。另外，在水分胁迫的不同阶段，活性氧的产生种类也是不同的。也有试验发现，在芒果水分胁迫的前阶段(0-4d),产生加强的活性氧为H2O2，而后阶段(4-20d)则为O2·-和1O2[9]。

在正常供水情况下，植物体内产生的活性氧处于一个较低的水平，不会对植物产生伤害。而在水分胁迫状态下，活性氧的代谢平衡被打破，使活性氧增多。它会攻击各种蛋白质上的氨基酸残基，使蛋白质、叶绿体等发生降解。还有如前述所提到的Haber-Weiss反应，它又可产生更多的活性氧自由基，从而增加了对植物的伤害。活性氧中的·OH能直接启动膜脂过氧化的自由基链式反应[10],其产生的脂质过氧化物继续分解形成低级氧化产物如丙二醛(MDA)等。MDA是膜脂过氧化降解的典型产物，它能与膜上的蛋白质氨基酸残基或核酸反应生成Shiff碱，降低膜的稳定性，促进膜的渗漏，使细胞器膜的结构、透性、功能紊乱，严重时导致细胞死亡[11]。另外，干旱时活性氧自由基还会使膜脂发生脱脂化作用，使不饱和脂肪酸含量减少，不饱和脂肪酸指数(IU FA)下降, 影响膜脂流动性，导致膜功能减弱[12]。

2 水分胁迫中活性氧的清除系统

植物细胞内活性氧自由基清除的方式是多样的。主要是通过一些有关的酶和一些能与活性氧自由基反应产生稳定产物的有机分子来进行，即酶促清除系统与非酶促清除系统。

SOD是植物体内清除活性氧系统的第一道防线，在活性氧的清除系统中发挥着特别重要的作用，影响着植物体内的O2·-和H2O2的浓度，从而可能在保护系统中处于核心的地位。

其主要功能是清除O2·-，可以表示为：2 O2·-+ 2H+→H2O2 + O2。CAT和POD均可以清除体内的过氧化氢，其中过氧化氢酶主要分布于过氧化物体与乙醛酸体中，主要功能是清除细胞质中产生的H2O2[4]，其催化反应为: 2H2O2→2H2O+ O2。ASP和GR 也是十分重要的过氧化氢的清除酶之一。它们分别以抗坏血酸和谷胱甘肽为底物，清除细胞内的过氧化氢。叶绿体中产生的过氧化氢主要是由GR和ASP两种关键酶通过Foyer-Halliwell循环来清除[13]。细胞中的过氧化氢的积累, 可与O2·-发生Haber-Weiss反应，因此，及时而有效地清除细胞中的H2O2，使其处于一个较低的水平，对防止活性氧自由基的毒害是至关重要的。而只有SOD、CAT、POD、GR、ASP 等酶协调一致，才能使生物自由基维持在一个低水平，从而防止生物自由基对细胞的毒害。

通常情况下，保护酶具有比较高的活性，可以有效地清除细胞内的各种活性氧自由基。然而，在水分胁迫下，细胞内的各种保护酶活性均会受到不同程度的影响。不同的植物材料、水分胁迫方式及胁迫强度，保护酶活性变化是各不相同的。因此许多学者对干旱胁迫下SOD与CAT活性的变化得出了迥然不同的结果。例如，Zhang和Kirkham[14]以C3植物向日葵和C4植物高梁为材料研究发现，在正常浇水的条件下，两者的SOD与CAT活性相近，前者GR活性较低而ASP活性较高，在胁迫的初期及中期，各酶活性变化不大，在胁迫后期，两