植物在寒冷胁迫下H2O2和ABA信号分子的应答研究进展

摘要：脱落酸（ABA）作为最早研究的植物逆境信号分子，被大量实验证明参与了植物对低温的传导过程。此外，植物体内的H2O2亦可作为信号分子在寒冷胁迫下发挥作用。综述了两信号分子的研究进展，ABA和H2O2都能作为寒冷胁迫下的信号分子存在，并能形成交互作用的信号网络。同时在寒冷胁迫条件下，H2O2成为ABA诱导植物气孔关闭信号网络的重要因素之一。根据已有的报道推测，ABA可能通过质膜上的ABA受体蛋白，通过电子传导产生O-2进而酶促或非酶促产生H2O2。然而，植物细胞的信号传导过程是一个复杂交错的网络途径，ABA和H2O2并不可能只是一个简单的上下游关系，对其之间的准确的作用仍然需要进一步的深入研究。

关键词：寒冷胁迫；H2O2 ；ABA；交互作用

低温是限制植物分布、生长及品质的最重要的因素之一。植物在寒冷胁迫下存在着一个复杂的信号应答和代谢调控网络，而信号识别是整个抗逆性反应的最初事件以及最关键步骤。在低温胁迫下，以ABA为主的信号分子调控了气孔关闭和基因表达，形成一张复杂的信号应答网络。而H2O2也伴随着第二信使分子，蛋白激酶和蛋白磷酸酶等随之出现在信号网络之间。H2O2以信号分子的身份，与其他信号系统，特别是激素信号的相互作用受到人们越来越多的关注。

1 H2O2

H2O2是植物在遭受环境胁迫的过程中，细胞内的氧化还原被打破产生的代谢产物，属于活性氧物质（ROS）的一种[1]。长期以来，H2O2被认为对植物细胞具有毒害作用，因为大量的H2O2会损坏生物大分子，与细胞内脂类、蛋白质和DNA发生反应，引起氧化伤害和细胞代谢失调，从而毒害植物[2]。直至今日，人们才发现少量的H2O2可与蛋白质、脂肪、多糖和核酸反应，参与和影响多种生物的代谢，诱导气孔关闭，增强植物对外界不良环境抗性[3]。H2O2在植物细胞中存在的寿命较长，可以在细胞间跨膜长距离传递，环境胁迫时反应迅速[4]，这些重要特征，让H2O2作为一种信号分子受到人们越来越多的关注。

1.1 H2O2作为响应低温的可能信号

当植物遭受外界低温胁迫的时候，体内H2O2都会有所提高，且抗寒性更强的植物累积的H2O2高于一般耐寒性的植物。大量试验证明可以通过脂膜过氧化最终产物MDA及过氧化保护酶的活性来判断植物抗寒性的高低[5-7]。Xiong等[8]研究表明植物在亚致死温度下细胞内H2O2含量迅速提高。代晓霞等[9]尝试用不同物质引起内源H2O2变化来看H2O2对植物抗寒性的影响，她以“赖多星”荷兰小黄瓜为试材，用水杨酸（SA）处理来提高内源H2O2含量，进而延缓了丙二醛（MDA）和膜渗透率的增加，提高果实抗寒性；而用二甲基硫脲（DMTU）能抑制内源H2O2进而降低黄瓜耐寒性。再一次证明了一定浓度的内源H2O2能提高植物抗寒性。

1.2 H2O2作为解除休眠的可能信号

H2O2不仅可以作为响应低温的可能信号，还可能作为影响休眠和解除休眠的可能信号。韩浩章等[10]以葡萄（Vitis vinifera和Vitis vinifera×V.labrusca）和油桃（Prunus persica var.nectarina Maxim）为试材，研究了田间自然越冬休眠过程中芽体活性氧的变化。结果显示，葡萄和油桃芽体H2O2含量在初休眠期升高，深休眠期保持较高水平，休眠解除前后迅速下降，其H2O2 含量和自然休眠过程同步；需冷量高的葡萄芽H2O2含量明显高于需冷量低的油桃。

1.3 外施H2O2提高植物抗寒性

大量研究证明了外施一定量的H2O2会提高植物的抗寒性。在低温条件下，低浓度的H2O2可作为一种刺激因子，激活细胞抗氧化酶系统，清除累积的活性氧，减轻其对植物的伤害。王艳等[11]通过对沟叶结缕草进行叶面喷施信号化合物SA，H2O2和6BA，研究了预处理对沟叶结缕草耐寒性的影响。结果表明，SA，H2O2和6BA预处理可以有效控制或者防止结缕草叶片中活性氧的积累和氧化伤害的发生，从而提高其抗寒性。康国章等[12]研究表明，对香蕉幼苗喷施H2O2能提高抗氧化酶POD活性，降低膜渗透率，增加可溶性糖含量及减缓叶绿素降解，从而提高香蕉抗寒力。同样的研究在水稻幼苗中也有发现，韩娜等[13]研究表明，4 mmol/L的H2O2可以通过提高呼吸速率、降低膜质过氧化程度等显著提高水稻幼苗的抗寒性，但是外源H2O2预处理对水稻幼苗的内源H2O2含量以及O-2产生速率没有显著影响，或以一种独立于内源活性氧系统以外的方式发挥作用。H2O2喷施提高耐寒性在玉米上也得到了证实[14]。

1.4 外施H2O2提高植物在低温下发芽率

外源H2O2还能提高植物发芽率。张立军等[15]以冷敏感型大豆品种沈农8号、沈农9411和耐冷型大豆品种铁丰31、Kottman为材料，用10，20，50，100和200 mmol/L的H2O2进行浸种处理后，在低温（5℃）下萌发。当外源H2O2浓度低于50 mmol/L时，各浓度处理都提高发芽率，降低电解质外渗率，提高SOD、CAT、POD活性，且耐冷品种的抗氧化酶活性始终高于冷敏感品种。在萌发过程中，内源H2O2含量随H2O2处理浓度的升高而增加。表明外源H2O2可能通过大豆内源H2O2含量的提高诱导抗氧化酶活性的增强，从而减轻低温伤害，提高在低温下的萌发能力。

2 ABA

ABA是一种指能引起芽休眠、叶子脱落和抑制生长等生理作用的植物激素[1]。ABA对植物的影响是多方面，在合成后可以促进植物休眠，促进气孔关闭，抑制生长，促进脱落，降低钙调素蛋白的转录水平，改变其亚细胞分布。在逆境条件下，植物体内ABA会迅速增加，进而提高植物的抗逆性，所以ABA又被称之为应激激素。

2.1 ABA作为响应低温的可能信号

低温胁迫下，植物体内ABA会显著增加。田士林等[16]通过对晋麦47进行研究，发现经过低温处理的小麦较未处理的小麦叶片内的ABA含量明显增高，前者内源ABA含量比后者内源ABA高了14.5倍。杨佳明等[17]在6份耐低温性不同的黄瓜材料中也找到了相似的变化，低温胁迫下黄瓜的叶片中ABA显著增加，其中黄瓜耐低温性材料较强，其增加的幅度越大。Majken Pagter等[18]研究表明，在圆锥绣球中，木质部中的ABA和其抗寒性同时增加，表明了ABA与植物的寒冷胁迫密切相关。

2.2 外施ABA提高植物抗寒性

诸多研究已经证实了外施ABA可以提高植物的抗寒性。罗立津等[19]指出外施ABA能减轻低温胁迫下给甜椒幼苗造成的伤害。表明外施ABA能通过降低甜椒幼苗呼吸速率，提高叶片脯氨酸、可溶性糖、钾离子等渗透调节物质以及ABA的积累来增强甜椒幼苗的抗寒性，减少活性氧自由基的产生和累积量，从而减轻低温胁迫造成的伤害，且低温驯化条件下比常温下效果更加明显。田丹青等[20]研究表明，蝴蝶兰苗叶面喷施不同浓度（0，5，25，50，100和200 mg/L）的ABA溶液后，置于6 ℃的低温下处理2 d后，测定叶片相对电导率，并结合叶片冷害形态变化分析，结果表明，ABA处理可以提高蝴蝶兰的抗寒性，以50 mg/L的ABA处理最有效。蒲高斌等[21]以20 mg/L的ABA能显著增加西瓜苗叶片的SOD和CAT活性，有效减缓低温胁迫过程中西瓜苗叶片叶绿素和GSH含量的降低，以及MDA的积累，促进脯氨酸含量和可溶性糖含量增加，使AsA含量保持在相对稳定的水平。外施ABA也被证明了能提高水稻的抗寒性[22]，香蕉果实的耐冷性及香蕉果实PAL活性[23]，对九里香离体枝条中的Vc含量、POD活性的降低、可溶性糖的消耗、电导率和MDA的升高等均具有抑制作用[24]。

2.3 ABA和低温诱导脱水蛋白（Dehydrin）的产生

低温及ABA均能诱导其在绿色组织中的表达[25]。张玉秀等[26]发现ABA缺陷型和ABA不敏感型突变体在种子成熟后期脱水蛋白合成减少，种子不耐脱水；施加外源ABA或有活性的ABA类似物后则表现正常。张训忠等[27]研究表明外施ABA后狗牙根25 kDa的脱水蛋白有明显提高。边红武[28]选取的3个ABA浓度分别为0.1，0.5和1.0 mg/L，处理铁皮石斛类原球茎3 d，发现2种脱水蛋白的积累量均随ABA浓度的增加而增加，且都积累2种脱水蛋白，分子量分别为28.7和34.3 kDa。

不仅ABA能诱导其蛋白的表达，植物的抗寒性也与脱水蛋白密切相关。Aaron[29]实验结果证明

结缕草的抗寒性与脱水蛋白相关，但只有23 kDa的脱水蛋白在提高植物抗寒性上最为重要。Zhu等[30]研究大麦的K9型脱水蛋白表达后指出，脱水蛋白在低温处理时大量表达，而在干旱和ABA诱导的条件下则有少量表达。张训忠等[26]研究也表明，4种抗寒性不同的狗牙根在低温条件下25 kDa的脱水蛋白表达增强。曾乃燕等[31]研究了低温胁迫期间水稻光合膜色素与蛋白水平的变化，结果表明4 ℃低温引起膜蛋白组成的深刻变化，表现在大部分原有膜蛋白组分的含量在低温下明显降低，同时在低温处理的第3 d诱导出一条32.25 kDa的新蛋白带。

3 ABA和H2O2的交互作用

ABA和H2O2都能以信号分子形式存在，在植物抗寒性中发挥着各自作用。它们可能形成一个复杂的信号网络，但对它们之间的准确的关系仍然未知[13]。弄清它们在信号分子传导的上下游关系对植物抗寒生理具有一定的意义。

近年大量研究已经证明，在各种植物品种中，H2O2和NO被认定为由ABA引导植物保卫细胞气孔关闭的重要信号分子[32]。苗雨晨等[33]以蚕豆叶片下表皮为材料，将荧光探针HPTS导入蚕豆气孔保卫细胞内，利用荧光光谱和激光共聚焦显微技术，检测到了ABA诱导蚕豆气孔关闭过程中H2O2的产生。吕东等[34]报道：NO可能作为H2O2的下游信号介导ABA诱导的蚕豆气孔关闭。而最新对拟南芥保卫细胞气孔的研究报道，ABA诱导H2O2后继而诱导出NO，用NO的清除剂去除NO后，H2O2不能引起气孔关闭；反之，NO诱导气孔关闭不再需要H2O2[35]。诸多实验证明了在胁迫条件下，ABA诱导H2O2产生气孔关闭。ABA通过作用于质膜上的ABA受体蛋白，蛋白受体传导位于保卫细胞上中的ABA蛋白激酶（AAPK）和蛋白磷酸酶。通过一系列的电子传导形成超氧阴离子O-2，最后经过酶促或非酶促反应生成H2O2[36]。同时，人们发现，NO也伴随着H2O2的产生而产生。NO和H2O2都是可以跨膜的物质，在调剂气孔关闭上，存在着网络关系（图1）。

此外，ABA调控了植物胁迫条件下的基因表达，而H2O2参与其中。Zong等[37]研究表明，从玉米中获取分裂原蛋白激酶（MAPK）ZmMPK7，ABA通过诱导H2O2继而增强了此基因的表达。Guan[38]以玉米为实验材料，在mat1基因应答的ABA途径中，H2O2很有可能参与其中。

与以上结论相反，在2010年，刘新等[39]以抗寒性较强的葡萄品种砧木贝达一年生枝条叶片为材料发现H2O2猝发时间早于ABA，外施H2O2的清除剂AsA显著降低内源ABA的含量，提出H2O2可能位于ABA的上游。赵凤云等[40]研究表明，H2O2诱导植物在逆境胁迫下应激激素，如SA，ABA和一些酶的累积。Xue xuan等报道H2O2作为一种信号分子，它的生理机制是很复杂的。虽然我们认为H2O2是ABA引起的氧化物之一，但是判断那个因素更为重要并没那么简单。

4 展望

ABA和H2O2在植物的抗寒性上的生理功能有极高的相似度，两者均能响应低温的可能信号，外施两者也均能提高植物的抗寒性。而在两者信号传导的上下游关系上，人们至今没有一个统一的答案。ABA信号研究得比较多，认为其是主导信号，能诱导H2O2的产生，但研究的对象集中在植物保卫细胞的气孔关闭上。而与此相反的结论是H2O2诱导ABA的产生，但研究报道较少。ABA和H2O2作为信号分子在植物抗寒性上的上下游关系，至今有待进一步研究。

植物在胁迫条件下的信号传导途径，既相互独立又相互联系。ABA和H2O2存在交互作用，很难说哪个因素是主导因素，并且可能在不同植物种上的表达顺序有所不同。H2O2和ABA在植物抗寒胁迫下的信号网络作用还需要进一步研究。

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