非生物逆境对植物抗坏血酸过氧化物酶作用的影响研究进展

摘要：指出了植物抗坏血酸过氧化物酶（Ascorbate peroxidase， APX）含有高度保守的氨基酸残基，分为叶绿体型同工酶和非光合器官型同工酶，以各自特异方式调控细胞内过氧化氢（H2O2）浓度。APX基因编码区同源性较高，表达具有组织特异性，响应H2O2、热激转录因子（Heat shock factors， HSFs）等信号因子调节，可调控胁迫相关蛋白和转录因子的表达。非生物逆境胁迫下，过量表达APX，可有效清除物体内活性氧（reactive oxygen species， ROS），减轻过氧化损伤，提高植物抵御逆境的能力。

关键词：抗坏血酸过氧化物酶；非生物逆境；活性氧；基因表达

中图分类号：O157.5文献标识码：A文章编号：16749944（2014）10008303

1植物APX的酶学、分子特征及组织特

异性表达植物在生长发育过程中易受干旱、高低温、盐碱、重金属、强光、涝害等非生物胁迫因子的影响，细胞内累积大量的ROS自由基，膜脂被过氧化，膜系统遭破坏，细胞功能紊乱。APX对抗坏血酸专一性极高，是谷胱甘肽循环中的关键酶，分布于胞质（cytosolic APX， cAPX）、叶绿体（chloroplasts APX， chlAPX）、微体及线粒体膜，催化H2O2还原为H2O[1]。植物可通过调节APX，调控细胞中的氧化还原信号，响应非生物逆境。

1.1植物APX酶特性

高等植物APX同工酶含有6个高度保守氨基酸残基，是血红素配体结合的必需功能机团。cAPX与chlAPX区别较大，二者分子量和含量不同，chlAPX比cAPX PH适应范围相对较低，但在抗坏血酸氧化还原过程中专一性更高，对抑制剂也更加敏感。植物在氧化胁迫下，H2O2会使chlAPX快速失活，cAPX和微体APX同工酶虽然序列和结构与chlAPX相似，但对H2O2耐受力却远强于chlAPX[2]。chlAPX中基质APX（stroma APX， sAPX）和类囊体膜APX（thylakoid-bound APX， tAPX），在许多植物中由同一基因编码，是不同剪切方式产生的同工酶，而拟南芥中是被各自核基因编码[3]。APX同工酶可能以各自特异性方式进行调控，其表达量与H2O2浓度处于动态平衡状态，不同定位的APX在H2O2清除中可能发挥着不同作用[4，5]。

1.2植物APX基因信息

目前，已在40多个物种中扩增出APX同工酶基因，多数为单拷贝，组间基因编码区核苷酸同源性较高，而3’-端非编码区同源性低，包含9个内含子，氨基酸为单体结构。chlAPX mRNA全长约1500多bp，cAPX mRNA全长超过1000bp。拟南芥cAPX由小的多基因家族编码[6]，草莓cAPX报道是由多个等位基因共显性表达调控[7]。

1.3植物APX组织特异性表达

植物不同组织、部位的APX活性差异明显，黄芩不同组织中APX总活力大小依次为顶芽>叶片>根>种子>花瓣[8]。‘丰香’草莓Faapx-c可在植株不同组织部位表达，果实中表达量最高，且从小绿期开始随果实发育逐渐增加[9]。番茄果实成熟后期和小麦衰老叶片中，CAT活性降低到低水平或CAT活性比APX下降得早，表明植物衰老进程可调节APX基因表达，在成熟果实、衰老叶片中APX比CAT在H2O2代谢中起更重要作用[10，11]。

2植物APX响应逆境的调控方式

2.1植物APX及其编码基因响应逆境的调节表达

植物受到逆境胁迫后，APX活性同其它ROS清除酶一起被增强，APX中cAPX对环境敏感，响应最高[12]。强光胁迫早期，拟南芥中cAPX同源基因（APX1，APX2）表达受H2O2和光电子传递中氧化还原变化系统调节增强[13]。植物APX的表达与HSFs及H2O2的调节密切相关，如，拟南芥APX1启动子区含有特定热激响应元件，可与番茄HSFs结合，调控热胁迫下基因表达[14]。拟南芥中缺失HsfA2后，即使在高温、强光复合胁迫下，APX2不表达，而HsfA2超量表达后，APX2可诱导表达，APX2的表达也受HsfA3调控，而HsfA3在转录水平又被脱水响应元件结合因子调控[15， 16]。受热胁迫诱导的H2O2可有效调控HSF与APX启动子热响应元件结合，诱导拟南芥APX表达[17]。过高浓度的H2O2还可破坏APX催化中间产物-化合物I的血红素辅基，抑制APX的活性[18]。此外APX的表达还受水杨酸、Ca2+、NO等物质的调节。

2.2植物APX响应逆境的信号传导和调控其它基因

的表达逆境下植物体内产生的H2O2可作为胁迫信号，参与依赖ABA途径和非ABA途径调节的气孔运动，而APX作为H2O2代谢中的关键酶，可调节H2O2的浓度，调控H2O2处于精细的平衡状态，使其有利作为第二信使[19，20]。拟南芥APX1敲除后，可诱导胁迫相关蛋白和转录因子上调表达及信号转导蛋白的表达，在光胁迫下，还可增强热激蛋白的诱导[21]。

3APX在基因工程中提高植物的耐逆性

作用 3.1APX基因表达增强植物的耐盐性

盐离子可造成植物体内ROS产生，使膜脂或膜蛋白过氧化，破坏膜结构，增加质膜透性。APX基因的表达，有助于清除植物体内盐离子胁迫产生的自由基，提高植物的耐盐能力。盐地碱蓬叶片内SsAPX经盐胁迫后表达量增加，酶活也相应增加，可保护盐地碱蓬免遭氧化损伤[22]。紫花苜蓿中超量表达水稻OsAPx2后，转基因植株比野生型在清除H2O2和耐盐性方面都有所提高[23]。盐胁迫下，转正义番茄LetAPX的烟草比野生型发芽率、鲜干重、APX酶活性、净光合速率和PSⅡ最大光化学效率均提高，有助于增强烟草的耐盐能力和抗氧化性[24]。

3.2APX基因表达提高植物的耐旱性

植物在遭受干旱胁迫后，ROS代谢破坏，生物大分子受到损害，代谢紊乱，生长受到抑制。APX作为叶绿体和胞质中清除H2O2的关键酶，其表达量的大小直接影响植物耐逆能力的强弱。研究表明，玉米在干旱、高温及二者复合胁迫下，体内APX等ROS清除酶活性提高，随着胁迫时间延长，APX活性被诱导显著增强[25]。干旱条件下，甘薯内同时正义表达Cu/Zn SOD和APX后，可有效提高植株的抗氧化能力，减轻水分胁迫受损程度，复水后，复壮能力更强[26]。烟草中过表达MsAPX2，耐干旱能力同样增强[27]。转APX菊苣在干旱条件下，APX活性、叶片相对含水量、幼苗根系生长量、叶绿素和叶片脯氨酸含量均高于野生型，而丙二醛含量降低，表明转基因菊苣有一定的耐旱能力，通过有效清除活性氧在增强植物的耐逆能力中起一定作用[28]。枣树ZjAPX基因在干旱和盐胁迫下诱导表达，在一定时间和浓度范围内，随着处理强度的加大表达量增加，可减轻盐和干旱危害带来的损伤[29]。

2014年10月绿色科技第10期

弓鹏娟：非生物逆境对植物抗坏血酸过氧化物酶作用的影响研究进展植物与植被

3.3APX基因表达提高植物的其它非生物胁迫能力

在光、热、低温等非生物胁迫信号诱导下，植物APX基因组织特异性启动子存在顺式作用元件，识别相应转录因子，响应环境刺激，调控基因表达。水稻幼苗中受热激诱导的APXa基因表达，可能会减轻冷胁迫带来的伤害[30]。拟南芥叶片cAPX，尤其tAPX表达对光破坏防护和光氧化胁迫下的基因调控起重要作用[31]。超量表达拟南芥tAPX，能增加由百草枯引起的氧逆境抗性[32]。低温胁迫下，转正义LetAPX番茄幼苗生长量明显高于野生型，超量表达LetAPX可提高番茄的耐低温能力[33]。

4展望

目前，利用基因工程技术手段，通过增强APX基因表达，提高植物耐逆性已经取得较大进展。综合上述非生物逆境对植物APX作用的影响研究进展，今后的探索不仅仅局限于对植物APX的单一克隆和蛋白分析，逆境诱导的APX家族基因之间的相互关系，以及APX与其相关的逆境响应因子间的互作和代谢调控网络的分析将成为研究的热点。此外，APX参与的逆境胁迫信号转导和启动子相关研究也将成为研究重点。

参考文献：

[1]Chen GX， Asada K. Asorbate peroxidase in tea leaves occurrence of two isoenzymes and theirdifferences in enzymatic andmo-lecular properties[J].Plant & Cell Physiology，1989，30：987～998.

[2]Wada K， Tada T， Nakamura Y， et al. Crystal structure of chloroplastic ascorbate peroxidase from tobacco plants and structural insights into its instability[J].The Journal of Biochemistry，2003，134（2）：239～244.

[3]Yoshimura K，Yabuta Y，Ishikawa T，et al.Identification of a cis element for tissuespecific alternative splicing of chloroplast ascorbate peroxidase premRNA in higher plants[J].The Journal of Biology Chemistry，2002，277：40623～40632.

[4]Hiner AN，Rodríguez-López J N， Arnao M B， et al. Kinetic study of the inactivation of ascorbate peroxidaase by hydrogen peroxide[J]. The Biochemical Journal，2000，348：321～328.

[5]Spundova M， Sloukova K， Hunkova M 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.

[6]Santos M， Gousseau H， Lister C， et al. Cytosolic ascorbate peroxidase from Arabidopsis thaliana L. is encoded by a small multigene family[J].Planta，1996，198（1）：64～69.

[7]Kim IJ， Lee BH， Jo J， et al. Sequence variability of nine cytosolic ascorbate peroxidases in polyploid strawberry[J].DNA Seqence，2001，11（6）：475～484.

[8]谢小群，高山林.黄芩过氧化物酶同工酶电泳和抗坏血酸过氧化物酶活性分析[J].植物资源与环境学报，2002，11（1）：5～8.

[9]Hou YX，Tang HR，Zhang Y， et al. Cloning and expression analysis of ascorbate peroxidase gene during fruit development and ripening in Fragaria × ananassa cv. Toyonaka[J]. World Journal of Agricultural Sciences，2009，5（6）：675～679.

[10]Gadea J，Conejero V，Vera P.Developmental regulation of a cytosolic ascorbate peroxidase gene from tomato plants[J].Molecular & General Genetics，1999，262（2）：212～219.

[11]冯晴，徐朗莱，叶茂炳.小麦叶片衰老过程中CAT和APX活力及其同工酶谱的变化[J].南京农业大学学报，1997，20（2）：95～99.

[12]Kim DW，Shibato J，Agrawal GK，et al.Gene transcription in the leaves of rice undergoing salt-induced morphological changes （Oryza sativa L.） [J].Molecules and Cells，2007，24（1）：45～59.

[13]Yabuta Y，Maruta T，Yoshimura K， et al.Two distinct redox signaling pathways for cytosolic APX induction under photooxidative stress[J].Plant and Cell Physiology，2004，45（11）：1586～1594.

[14]Storozhenko S，De Pauw P，Van Montagu M，et al.The heat-shock element is a functional com-ponent of the Arabidopsis APX1 gene promoter[J].Plant Physiology，1998，118（3）：1005～1014.

[15]Nishizawa A，Yabuta Y，Yoshida E，et al.Arabidopsis heat shock transcription factor A2 as a key regulator in response to several types of en-vironmental stress[J].The Plant Journal，2006，48（4）：535～547.

[16]Larkindale J，Vierling E.Core genome responses involved in acclimation to high temperature[J].Plant Physiology，2008，146（2）：748～761.

[17]Volkov RA，Panchuk II，Mullineaux PM，et al.Heat stress-induced H2O2 is required for effective expression of heat shock genes in Arabidopsis[J].Plant Molecular Biology，2006，61（4-5）：733～746.

[18]Alexander NPH，José NRL，Marino B A，et al.Kinetic study of the inactivation of ascorbate peroxidaase by hydrogen peroxide[J].Biochemistry，2000，348：321～328.

[19]Sehroeder JI，Kwak JM，Allen GJ.Guard Cell Abseisic acid signaling and engineering drought hardiness in Plants[J].Nature，2001，410：327～330.

[20]李泽琴，李静晓，张根发.植物抗坏血酸过氧化物酶的表达调控以及对非生物胁迫的耐受作用[J].遗传，2013，35（1）：45～54.

[21]Pnueli L，Liang HJ，Rozenberg M，et al.Growth suppression，altered stomatal responses，and augmented in-duction of heat shock proteins in cytosolic ascorbate per-oxidase （Apx1）-deficient Arabidopsis plants[J].The Plant Journal，2003，34（2）：187～203.

[22]马常乐，王萍萍，曹子谊.盐地碱蓬APX基因的克隆及盐胁迫下的表达[J].植物生理与分子生物学学报，2002，28（4）：261～266.

[23]Guan QJ，Takano T，Liu SK.Genetic Transformation and Analysis of Rice OsAPx2 Gene in Medicago sativa[J].Plos One，2012， 7（7）：e41233.

[24]孙卫红，李风，束德峰.转番茄正义抗坏血酸过氧化物酶基因提高烟草耐盐能力[J].中国农业科学，2009，42（4）：1165～1171.

[25]刘瑞侠，李艳辉，陈绍宁.干旱高温协同胁迫对玉米幼苗抗氧化防护系统的影响[J].河南农业大学学报，2008，42（4）：363～366.

[26]陆燕元，邓西平.转入Cu/Zn SOD和APX基因对甘薯旱后复水的恢复作用[J].西北农林科技大学学报：自然科学版，2010，1（38）：67～74.

[27]孙卉.过量表达MAPX2基因提高植物抗逆性的研究[D].长春：吉林农业大学，2013.

[28]程林梅，孙毅，张丽君.转抗坏血酸过氧化物酶基因（APX）菊苣抗旱相关生理特性[J].西北农业学报，2013，22（5）：124～130.

[29]孟玉平，曹秋芬，郭慧娜.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）：107～109，125.