楊利 王波 李文姣 王興軍 趙術(shù)珍

（1. 山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，濟(jì)南 250014；2. 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究中心 山東省作物遺傳改良與生態(tài)生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100；3. 濰坊工程職業(yè)學(xué)院，濰坊 262500）

由于劇烈的氣候變化，鹽堿化、干旱、極端溫度、澇災(zāi)等非生物脅迫的加劇，已成為作物可持續(xù)生產(chǎn)的重大威脅［1］。這些非生物脅迫的必然后果之一是導(dǎo)致植物的細(xì)胞器（如葉綠體、過(guò)氧化物酶體和線粒體等）過(guò)度積累活性氧（reactive oxygen species，ROS）［2］。植物體在感知ROS水平改變后，能夠通過(guò)抗氧化防御系統(tǒng)等途徑對(duì)ROS進(jìn)行清除，在一定程度上控制ROS水平的提高。此外，在脅迫條件下，ROS可以作為一種信號(hào)分子，通過(guò)H2O2等作為第二信使的特定信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，觸發(fā)防御反應(yīng)。盡管如此，如果脅迫長(zhǎng)期持續(xù)，導(dǎo)致ROS過(guò)度產(chǎn)生，使其與清除作用失衡，將不可避免地導(dǎo)致植物體產(chǎn)生氧化損傷。本文將集中討論干旱脅迫期間ROS的產(chǎn)生、清除及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究進(jìn)展。

1 ROS類(lèi)型及產(chǎn)生部位

ROS通常是指不完全還原的氧，由自由基和非自由基組成。自由基包括羥基自由基（OH·），超氧自由基（O2-）和過(guò)氧自由基（ROO·）等，非自由基包括H2O2、單線態(tài)氧（1O2）和臭氧（O3）等。此外，一些酸如次溴酸（HBrO）、亞碘酸（HIO）、次氯酸（HClO）、碳酸鹽自由基（CO3-·）和半醌（SQ-·）也被劃歸為 ROS 中［3］。

在植物細(xì)胞中，葉綠體、線粒體、過(guò)氧化物酶體、質(zhì)膜和細(xì)胞壁是ROS產(chǎn)生的主要部位［4］。光照條件下，植物主要通過(guò)光合作用和光呼吸作用在葉綠體和過(guò)氧化物酶體中產(chǎn)生ROS，光照條件下線粒體中也產(chǎn)生ROS，但ROS水平要比葉綠體和過(guò)氧化物酶體低。線粒體電子傳遞鏈主要是黑暗條件下ROS的產(chǎn)生部位。

2 干旱脅迫下ROS的產(chǎn)生

干旱脅迫下，根系首先感知水分虧缺信號(hào)，然后將信號(hào)通過(guò)木質(zhì)部汁液向葉片傳輸。其中，脫落酸是主要的根莖脅迫信號(hào)之一。干旱導(dǎo)致氣孔關(guān)閉、CO2攝入減少、光合速率降低、光能利用失衡以及葉綠體光化學(xué)改變，導(dǎo)致ROS過(guò)量產(chǎn)生［5］。研究表明，干旱脅迫下ROS通過(guò)多種途徑產(chǎn)生。葉綠體中光系統(tǒng)PSI和PSII是產(chǎn)生ROS的主要部位。在PSII反應(yīng)中心附近，在脅迫條件下葉綠素過(guò)度激發(fā)時(shí)，O2可能產(chǎn)生1O2。此外，在通過(guò)QA和QB轉(zhuǎn)移到O2的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中，也可以通過(guò)Mehler反應(yīng)在PSI或PSII處形成O2-。干旱脅迫下，光呼吸作用也可以產(chǎn)生ROS，即在碳同化過(guò)程中催化核酮糖-1，5-二磷酸（RuBP）羧化的酶 rubisco 也可以利用 O2來(lái)氧化核酮糖-1，5-二磷酸產(chǎn)生乙醇酸，然后將其從葉綠體轉(zhuǎn)運(yùn)到過(guò)氧化物酶體被氧化并生成［4］。此外，多胺氧化酶、銅胺氧化酶、亞硫酸鹽氧化酶和肌氨酸氧化酶活性也能在過(guò)氧化物酶體中生成H2O2［6］。單脫氫抗壞血酸還原酶（micro monodehydroascorbate reductase，MDHAR）也存在于過(guò)氧化物酶體中，主要通過(guò)AsA-GSH（抗壞血酸-谷胱甘肽）循環(huán)清除H2O2并再生AsA。在植物的非綠色部分，特別是根部，線粒體是產(chǎn)生ROS的主要部位，電子傳遞鏈復(fù)合物I和III的電子泄漏產(chǎn)生O2-，隨后被Mn-SOD和CuZn-SOD催化成H2O2［4，7］。

3 干旱脅迫下ROS清除

植物ROS的細(xì)胞穩(wěn)態(tài)水平必須受到嚴(yán)格的調(diào)控，以防止ROS過(guò)度積累而導(dǎo)致氧化爆發(fā)，最終導(dǎo)致大面積的細(xì)胞損傷和死亡。氧化損傷的癥狀（如脂質(zhì)過(guò)氧化）可作為判斷干旱脅迫下ROS水平的依據(jù)，但沒(méi)有氧化損傷癥狀并不能說(shuō)明ROS水平?jīng)]有提高，而可能是由于細(xì)胞抗氧化防御的增強(qiáng)所致［8］。ROS的清除主要通過(guò)抗氧化酶促系統(tǒng)和非酶促系統(tǒng)進(jìn)行。另外，葉綠體和線粒體中也存在其它控制ROS產(chǎn)生和清除的重要途徑。

3.1 酶促抗氧化系統(tǒng)

酶促抗氧化劑包含超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD），過(guò)氧化氫酶（catalase，CAT），過(guò)氧化物酶（peroxidase，POD），谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（glutathione peroxidase，GPX），抗壞血酸過(guò)氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX），單脫氫抗壞血酸還原酶，脫氫抗壞血酸還原酶（dehydroascorbate reductase，DHAR），谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR），以及谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶（glutathione S-transferase，GST）等。測(cè)定干旱脅迫下抗氧化酶活性或分析其表達(dá)水平是評(píng)估抗氧化酶促系統(tǒng)參與干旱脅迫的一種方法。然而，許多研究成果存在差異。這些差異可能與植物的年齡和對(duì)水分脅迫的耐受性或策略有關(guān)，也可能與脅迫處理的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度有關(guān)。然而，有研究表明抗氧化系統(tǒng)的誘導(dǎo)水平與植物物種或植物品種的耐旱程度密切相關(guān)［9］。

在水分脅迫下，向日葵幼苗和禾本科植物山羊草的SOD活性下降，與之相反，在小麥、豌豆中的SOD活性提高。研究表明，干旱脅迫下多種作物的SOD活性提高，如干旱脅迫下番茄的H2O2和O2-積累增多，SOD活性提高，從而增強(qiáng)了番茄的耐旱性［10］。兩個(gè)高粱品種［M-81E（耐受型）和Roma（敏感型）］在干旱脅迫下，M-81E和Roma的H2O2分別比對(duì)照提高28.9%和54.9%，SOD活性提高1.6倍和1.1倍，表明M-81E具有更強(qiáng)的耐旱性［11］。在干旱脅迫下，SOD過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因植物抗氧化能力也顯著提高。將耐旱的硬皮豆MuWRKY3在花生中異源表達(dá)，轉(zhuǎn)基因株系的MDA，H2O2和O2-含量較低，SOD的活性提高了3-5倍，花生耐旱性增強(qiáng)［12］。在轉(zhuǎn)基因苜蓿和水稻中也得到了相似的結(jié)果，即過(guò)量表達(dá)葉綠體靶向MnSOD提高了其耐旱性［13］。

干旱脅迫下，不同作物中的APX和GR活性也提高。如菜豆在干旱脅迫下APX和GR活性提高［14］。在輕度水分脅迫（-0.7 Mpa）下玉米離體葉片APX和GR活性均顯著提高［15］。由于APX對(duì)H2O2的高度親和力，干旱脅迫下即使是APX活性的輕微提高，也被認(rèn)為是清除脅迫細(xì)胞內(nèi)H2O2的重要途徑。在豇豆葉片中的研究表明，干旱脅迫誘導(dǎo)GR基因表達(dá)上調(diào)，且與脅迫強(qiáng)度直接相關(guān)。而葉綠體APX基因在耐旱性植物中，對(duì)逐漸減少的水分有早期反應(yīng)。因此，干旱脅迫下APX和GR同工酶在胞內(nèi)不同部位發(fā)生的這種細(xì)微的變化，可能與品種的耐性有關(guān)［9，16］。在氧化脅迫誘導(dǎo)型啟動(dòng)子的控制下，在馬鈴薯葉綠體中表達(dá)APX，提高了轉(zhuǎn)基因植株對(duì)甲基紫精介導(dǎo)的氧化脅迫和高溫的耐受性［17］。

在干旱脅迫下，在綠葉大戟中還誘導(dǎo)了另外兩種與谷胱甘肽代謝有關(guān)的酶，即谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（GST）和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPX）［18］。GPXs能以谷胱甘肽（GSH）作為還原劑有效清除H2O2和脂質(zhì)氫過(guò)氧化物，但研究表明，在植物中還是優(yōu)先使用硫氧還蛋白作為還原劑。因此，與硫氧還蛋白密切相關(guān)的植物GPX可能是氧化脅迫下生物膜的有效保護(hù)酶［18］。

干旱脅迫下CAT活性變化也不盡相同。在水分脅迫下，CAT活性有的增加，有的保持不變，有的甚至降低。如油菜在干旱脅迫下總酚含量增加，CAT活性上調(diào)［10］。高羊茅在水分脅迫下CAT活性保持不變［19］。黃麻在水分脅迫下CAT活性下降，導(dǎo)致H2O2積累［20］。進(jìn)一步研究表明，在氧化脅迫方面，APX是一種比CAT更敏感的清除酶。CAT通過(guò)直接分解生成H2O和O2來(lái)消除H2O2。研究表明，PEG處理和輕度干旱不會(huì)影響CAT活性［14，21］?？傊?，這些研究表明，CAT活性僅在嚴(yán)重干旱脅迫下才增強(qiáng)，而在中度干旱脅迫下，抗壞血酸通過(guò)AsAGSH循環(huán)清除H2O2的效果更好。此外，過(guò)量的H2O2可以攻擊并抑制APX，因此，CAT活性可能有利于在嚴(yán)重干旱脅迫下維持APX活性［22］。在APX和CAT的雙反義轉(zhuǎn)基因植物中發(fā)現(xiàn)了一種替代或冗余防御機(jī)制來(lái)補(bǔ)償APX和CAT的缺失。而在APX或CAT的單反義植物中沒(méi)有此替代防御機(jī)制，使得單反義植物比雙反義植物對(duì)氧化脅迫更敏感，這說(shuō)明植物自身具有高度可塑性來(lái)應(yīng)對(duì)內(nèi)外環(huán)境的改變［22］。

以上研究表明，干旱脅迫會(huì)不同程度的改變多種酶促抗氧化劑的活性，同時(shí)，酶促抗氧化劑的過(guò)量表達(dá)也能提高植物的抗旱性。但是，在不同的細(xì)胞器不同酶的協(xié)調(diào)作用機(jī)制還需要進(jìn)一步明晰。另外，ROS的半衰期短也限制了我們對(duì)酶促抗氧化系統(tǒng)對(duì)活性氧清除機(jī)制的研究。

3.2 非酶促抗氧化系統(tǒng)

非酶促抗氧化系統(tǒng)包括抗壞血酸（ascorbic acid，AsA）、谷胱甘肽（glutathione，GSH）、類(lèi)胡蘿卜素、生育酚、脯氨酸（proline，Pro）和類(lèi)黃酮等。其中AsA和GSH是高等植物中含量最多的可溶性抗氧化劑，它們作為電子供體和通過(guò)AsA-GSH循環(huán)直接清除ROS發(fā)揮著重要作用［2］。Mehler反應(yīng)產(chǎn)生的超氧化物可以被葉綠體中高濃度的AsA直接還原。類(lèi)胡蘿卜素可以清除有害的自由基，保護(hù)捕光復(fù)合蛋白和類(lèi)囊體膜的穩(wěn)定性［23］。α-生育酚是一種抗氧化劑，它不僅能防止1O2和OH·的形成，還可以清除脂質(zhì)過(guò)氧化物自由基［24］。在干旱脅迫下，這種有效的保護(hù)類(lèi)囊體和葉綠體膜的保護(hù)劑在多種植物中均有積累。

干旱脅迫下，木豆中AsA含量增加，降低了過(guò)量H2O2產(chǎn)生的毒性［25］。干旱條件下兩個(gè)玉米雜交種Xida 889 和Xida 319，GSH含量分別比對(duì)照增加了17%和28%［26］。另外，Pro作為溶質(zhì)在干旱期間積累，Pro生產(chǎn)缺陷的突變體對(duì)干旱敏感［27］。Pro和甜菜堿有助于水分吸收和ROS猝滅，從而保護(hù)組織免受損傷［28-30］。Pro還和糖一起保護(hù)光合系統(tǒng)在干旱時(shí)免受過(guò)氧化作用［31］。

外源AsA對(duì)植物的滲透脅迫有緩解作用。在15%PEG處理下，外源AsA誘導(dǎo)的甘藍(lán)型油菜、野油菜和芥菜型油菜中氧化脅迫減弱，表現(xiàn)為H2O2和MDA含量的降低［32］。AsA介導(dǎo)的氧化脅迫緩解作用使得植物抗氧化劑防御機(jī)制增強(qiáng)。外源AsA緩解了玉米中PEG誘導(dǎo)的氧化脅迫，內(nèi)源AsA含量增加，降低了過(guò)多H2O2的生成，減少脂質(zhì)過(guò)氧化［33］。同樣，外源GSH提高了干旱脅迫下綠豆幼苗中AsA和GSH含量，增強(qiáng)了GSH / GSSG、APX、MDHAR、DHAR和GPX的抗氧化系統(tǒng)活性，減少了ROS產(chǎn)生的不利影響［34］。

AsA和GSH在清除ROS的抗氧化防御系統(tǒng)中的作用已被廣泛研究。然而，外源性GSH抗氧化防御系統(tǒng)的相關(guān)研究還需要在遺傳和分子水平上進(jìn)一步證實(shí)。另外，在氧化脅迫過(guò)程中，AsA-GSH循環(huán)組分與激素或其他信號(hào)分子之間的相互作用尚不清楚。此外，AsA或GSH對(duì)生育酚的調(diào)節(jié)以及GSH對(duì)Pro的調(diào)節(jié)也是一個(gè)有趣的研究領(lǐng)域。這些問(wèn)題的闡明將為緩解植物的氧化脅迫，提高植物的光合效率提供重要的理論依據(jù)。

3.3 干旱脅迫下光呼吸對(duì)ROS的清除作用

盡管光呼吸產(chǎn)生的H2O2是一種有效的硫醇抑制劑（卡爾文循環(huán)中的硫醇酶是H2O2抑制的靶點(diǎn)），但在干旱脅迫下，當(dāng)氣孔關(guān)閉限制CO2的固定而降低RuBP的羧化速率時(shí)，光呼吸卻是保護(hù)植物的重要途徑［35］。首先，光呼吸有助于能量耗散，從而減輕光合機(jī)構(gòu)的光抑制作用。其次，光呼吸將H2O2的產(chǎn)生轉(zhuǎn)移到過(guò)氧化物酶體而不是葉綠體。植物過(guò)氧化物酶體是動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，能根據(jù)環(huán)境變化調(diào)整其數(shù)量，并隨著H2O2的積累而增加，因此，這種變化可能也發(fā)生在干旱脅迫條件下。CAT和其他過(guò)氧化物酶體APX亞型的非還原性清除作用可以抵消過(guò)氧化物酶體中H2O2的生成，這些亞型能迅速為細(xì)胞器解毒。最后，光呼吸產(chǎn)生的甘氨酸是GSH的前體，是AsA-GSH途徑的代謝產(chǎn)物。因此，提供了抗氧化脅迫的額外保護(hù)作用［4，7］。

3.4 線粒體中控制ROS產(chǎn)生的途徑

干旱脅迫下控制ROS 的產(chǎn)生是植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫的重要策略。線粒體通過(guò)高效的能量耗散機(jī)制在控制 ROS產(chǎn)生中發(fā)揮重要作用［4，7］。交替氧化酶（alternativeoxidase，AOX）途徑是線粒體中細(xì)胞色素途徑的替代途徑，它可以轉(zhuǎn)移流經(jīng)電子傳輸鏈的電子，并利用它們將O2還原為水。硬粒小麥?zhǔn)且环N耐旱的地中海植物，其線粒體中存在3種活性能量耗散系統(tǒng)，即ATP敏感性植物線粒體鉀通道（PmitoKATP），植物解偶聯(lián)蛋白（PUCP）和AOX。這些系統(tǒng)的激活會(huì)導(dǎo)致線粒體ROS的產(chǎn)生顯著減少［36］。在氧化脅迫下，ROS可以非常迅速地誘導(dǎo)PmitoKATP和PUCP活性，進(jìn)而控制ROS的產(chǎn)生。而AOX是ROS不敏感型的，是由光呼吸代謝調(diào)節(jié)。研究表明，在環(huán)境脅迫如干旱脅迫下，硬粒小麥線粒體中光呼吸途徑的中間產(chǎn)物乙醛酸和羥基丙酮酸激活A(yù)OX，來(lái)對(duì)抗氧化脅迫［36］。

4 干旱脅迫下的ROS信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

ROS產(chǎn)生和清除之間存在脆弱的平衡，當(dāng)植物遭受輕度的干旱脅迫時(shí)，氣孔關(guān)閉導(dǎo)致ROS水平增加，與此同時(shí)，滲透物積累增加并使抗氧化劑系統(tǒng)激活，可以有效清除ROS。而當(dāng)植物遭受?chē)?yán)重的干旱脅迫時(shí)，干旱脅迫導(dǎo)致ROS過(guò)度產(chǎn)生，而抗氧化系統(tǒng)功能失調(diào)無(wú)法清除ROS，使 ROS 的產(chǎn)生與其清除失衡，從而導(dǎo)致氧化脅迫［37］。但ROS水平升高不會(huì)立即產(chǎn)生有害作用，如果對(duì)其及時(shí)控制，可能會(huì)對(duì)植物有益。事實(shí)上，細(xì)胞內(nèi)升高的ROS水平是觸發(fā)植物防御途徑和適應(yīng)性反應(yīng)的關(guān)鍵信號(hào)，脅迫條件下ROS作為植物信號(hào)分子的研究也越來(lái)越多。

4.1 H2O2作為第二信使

由于OH·具有最短的半衰期（～1 μs）和極強(qiáng)的反應(yīng)性，OH·難以擴(kuò)散。因此，這種ROS不可能從其產(chǎn)生位點(diǎn)遷移并作為一種信號(hào)分子發(fā)揮作用，而是與其他分子及其本身發(fā)生局部反應(yīng)［3］。而H2O2是一種非常穩(wěn)定的ROS，具有最長(zhǎng)的半衰期（～1 ms），并且擴(kuò)散性極強(qiáng)，它可以很容易地從細(xì)胞器“逃逸”到細(xì)胞質(zhì)中。H2O2也可以通過(guò)胞質(zhì)SOD在胞質(zhì)溶膠中直接產(chǎn)生。然而，在胞質(zhì)溶膠中，H2O2很容易通過(guò)AsA-GSH循環(huán)被抗壞血酸鹽清除。在干旱脅迫下H2O2可以迅速產(chǎn)生，抗氧化系統(tǒng)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效清除，從而可以使信號(hào)快速“接通”和“斷開(kāi)”，這也是作為有效第二信使的必要條件［37］。傳統(tǒng)上認(rèn)為，ROS是有氧代謝的有毒副產(chǎn)物。然而，近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明，植物主動(dòng)產(chǎn)生ROS作為信號(hào)分子來(lái)控制細(xì)胞程序性死亡、非生物脅迫反應(yīng)、病原防御和系統(tǒng)性信號(hào)傳導(dǎo)等過(guò)程［14］。與動(dòng)物相比，植物對(duì)H2O2的耐受性極強(qiáng)，抗氧化系統(tǒng)嚴(yán)密控制細(xì)胞氧化還原狀態(tài)，而不是清除所有細(xì)胞內(nèi)的H2O2［38］。

細(xì)胞ROS信號(hào)的特異性可以通過(guò)其產(chǎn)生、調(diào)控和轉(zhuǎn)導(dǎo)的部位決定。干旱脅迫下，不同的植物細(xì)胞器對(duì)細(xì)胞氧化還原信號(hào)產(chǎn)生不同的響應(yīng)。盡管H2O2在過(guò)氧化物酶體和葉綠體中的生成速度更快［4］，但線粒體是最易受到氧化損傷的細(xì)胞器［4，7］。線粒體產(chǎn)生的ROS（如H2O2）的增加可能是一個(gè)重要的警報(bào)信號(hào)，上調(diào)抗氧化防御系統(tǒng)或在氧化脅迫增強(qiáng)時(shí)觸發(fā)程序性細(xì)胞死亡。識(shí)別易受氧化損傷的細(xì)胞內(nèi)位點(diǎn)，對(duì)創(chuàng)建抗非生物脅迫轉(zhuǎn)基因植物有重要的指導(dǎo)意義。

大量研究表明，由H2O2調(diào)控的下游事件是鈣動(dòng)員、蛋白質(zhì)磷酸化和基因表達(dá)。ROS通過(guò)激活擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜上的超極化依賴性Ca2+通道，誘導(dǎo)［Ca2+］cyt增加［39］。這種 ROS誘導(dǎo)的［Ca2+］cyt的增加在其他類(lèi)型的細(xì)胞中也被檢測(cè)到，這表明Ca2+通道的激活可能是許多ROS介導(dǎo)的信號(hào)過(guò)程的關(guān)鍵步驟［40］。另一方面，H2O2誘導(dǎo)了絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）的磷酸化，MAPK進(jìn)而參與調(diào)節(jié)下游基因表達(dá)的多個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)反應(yīng)［41］。

H2O2在植物中起著脅迫信號(hào)的作用，促進(jìn)多種細(xì)胞保護(hù)劑的積累，這些保護(hù)劑可能直接或間接地調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原狀態(tài)，從而控制信號(hào)本身的程度。例如，H2O2可以誘導(dǎo)編碼線粒體AOX的核基因Aox1的表達(dá)，Aox1基因表達(dá)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS含量迅速增加［42］。Desikan 等［43］利用 cDNA 芯片技術(shù)對(duì)氧化脅迫下擬南芥中H2O2調(diào)控基因進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，共鑒定出175個(gè)受H2O2調(diào)控的非冗余ESTs，其中113個(gè)表達(dá)上調(diào)，62個(gè)表達(dá)下調(diào)［43］。在表達(dá)上調(diào)的113個(gè)ESTs中篩選出了14個(gè)功能已知的基因，如鈣調(diào)蛋白、熱休克蛋白、潛在信號(hào)蛋白等基因。在有抗壞血酸存在和無(wú)抗壞血酸存在的情況下，測(cè)定了干旱脅迫對(duì)以上14個(gè)ESTs表達(dá)的影響，結(jié)果表明，干旱脅迫誘導(dǎo)了H2O2響應(yīng)型ESTs的表達(dá)?？箟难犷A(yù)處理可以降低干旱誘導(dǎo)的ESTs的表達(dá)。同樣，紫外線照射也誘導(dǎo)了H2O2響應(yīng)型ESTs的表達(dá)，而抗壞血酸預(yù)處理同樣降低了紫外線照射對(duì)H2O2響應(yīng)型ESTs表達(dá)的誘導(dǎo)［43］。

H2O2促進(jìn)哺乳動(dòng)物內(nèi)皮細(xì)胞中NO介導(dǎo)的蛋白酶體復(fù)合物的活化，該復(fù)合物參與了氧化損傷蛋白質(zhì)的清除。這種H2O2觸發(fā)的蛋白酶激活也可能發(fā)生在植物中，此前已經(jīng)證明干旱脅迫能誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)蛋白酶溶解活性的提高。由于氣孔關(guān)閉導(dǎo)致蒸騰量減少，植物受到干旱脅迫的同時(shí)也受到了熱脅迫。H2O2能夠誘導(dǎo)熱休克蛋白的表達(dá)，表明H2O2可能也參與了熱脅迫信號(hào)傳導(dǎo)途徑［44］。

4.2 干旱條件下ABA和ROS信號(hào)的交叉反應(yīng)

激素ABA和ROS之間存在錯(cuò)綜復(fù)雜的調(diào)控關(guān)系。干旱脅迫下，植物中ABA積累，并觸發(fā)下游響應(yīng)，使植物以ABA依賴的方式對(duì)干旱脅迫產(chǎn)生響應(yīng)［45］。然而，僅ABA不能引起某些ABA依賴的水分脅迫響應(yīng)［46］。例如，在低水勢(shì)條件下，ABA積累是誘導(dǎo)擬南芥脯氨酸積累的必需條件，但是在高水勢(shì)條件下，外源ABA不能誘導(dǎo)脯氨酸的積累［47］。這表明，除了ABA以外，還需要其他因素來(lái)調(diào)節(jié)水分脅迫下的ABA反應(yīng)，植物的代謝狀態(tài)可能是導(dǎo)致這種差別的原因。干旱脅迫會(huì)引起許多生理和生化變化，從而改變植物的代謝狀態(tài)，影響細(xì)胞對(duì)ABA積累的敏感性。干旱脅迫引起的一個(gè)重要變化是ROS增加導(dǎo)致細(xì)胞氧化還原狀態(tài)的改變。因此，干旱脅迫下ROS的產(chǎn)生是代謝狀態(tài)與ABA信號(hào)之間的聯(lián)系，ROS作用于ABA的下游并調(diào)節(jié)ABA信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑［46］。

干旱脅迫下ABA誘導(dǎo)的生理反應(yīng)最顯著特征之一是葉片氣孔關(guān)閉。研究表明，ABA通過(guò)膜結(jié)合的NADPH氧化酶促進(jìn)保衛(wèi)細(xì)胞中H2O2的合成，H2O2通過(guò)激活（超極化）質(zhì)膜Ca2+通道介導(dǎo)氣孔關(guān)閉［48］。ABI1和ABI2這兩種類(lèi)似于2C型蛋白磷酸酶（PP2C）是保衛(wèi)細(xì)胞ABA信號(hào)的負(fù)調(diào)控因子，它們分別在ABA/ROS介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉的上游和下游發(fā)揮作用。OST1蛋白是一種絲氨酸或蘇氨酸蛋白激酶，對(duì)ABA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉有促進(jìn)作用，在ABA誘導(dǎo)的ROS的上游起作用［49］。擬南芥谷胱甘肽過(guò)氧化物酶6（ATGPX6）也通過(guò)負(fù)調(diào)節(jié)ABI2活性參與ABA依賴的保衛(wèi)細(xì)胞H2O2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)［49］。與野生型相比，過(guò)表達(dá)ATGPX6的轉(zhuǎn)基因植物對(duì)干旱脅迫的抵抗力更強(qiáng)。有人認(rèn)為ATGPX6具有雙重作用，不僅是H2O2的重要清除劑，而且還是ABA信號(hào)通路中介導(dǎo)氣孔調(diào)節(jié)以應(yīng)對(duì)干旱脅迫的必不可少的因子［50］。

所有這些研究表明，ROS在保衛(wèi)細(xì)胞ABA信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮了中心作用。此外，干旱脅迫下的ROS信號(hào)不僅作用于氣孔關(guān)閉的下游，而且作用于ABA信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的上游。Zhao等［51］對(duì)干旱脅迫下ROS和NO對(duì)小麥幼苗根尖激素ABA合成影響的研究表明，干旱脅迫下根系產(chǎn)生的ROS和NO可能在水分平衡調(diào)控和干旱脅迫下的其他脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。由于ABA的積累是植物對(duì)干旱的一種早期反應(yīng)，而ROS和NO在干旱時(shí)誘導(dǎo)植物ABA合成中起重要作用，它們可能是植物“感知”干旱條件的信號(hào)。

4.3 糖和ROS信號(hào)

可溶性糖對(duì)ROS具有雙重作用，一方面光合作用通過(guò)糖和Mehler反應(yīng)導(dǎo)致ROS的積累，另一方面通過(guò)NADPH生成途徑間接參與ROS的清除［52］。蔗糖在體外表現(xiàn)出最強(qiáng)的抗氧化能力，表明蔗糖在植物中也可能發(fā)生類(lèi)似的抗氧化反應(yīng)。在低濃度下，蔗糖充當(dāng)脅迫誘導(dǎo)修飾的底物或信號(hào)，而在高濃度下，蔗糖直接作為保護(hù)劑發(fā)揮作用。來(lái)源于蔗糖的可溶性低聚糖如RFOs（a-galactosyl extensions of sucrose）和半乳醇，在植物營(yíng)養(yǎng)器官［53］和種子［54］氧化脅迫保護(hù)中發(fā)揮重要作用。氧化的RFO自由基可以通過(guò)ASC或類(lèi)黃酮再生。蔗糖處理的綠豆芽總酚含量、SOD、POD和APX活性均顯著升高，說(shuō)明蔗糖處理增強(qiáng)了綠豆芽的抗氧化活性［55］。在擬南芥中過(guò)量表達(dá)新型糖轉(zhuǎn)運(yùn)體DsSWEET12可提高滲透和氧化脅迫耐受性［56］。此外，糖還參與了一些光合相關(guān)基因以及ROS相關(guān)基因如SOD、HXK（hexokinase，己糖激酶）等的表達(dá)調(diào)控。HXKs是所有生物中普遍存在的蛋白質(zhì)，催化葡萄糖和果糖的磷酸化，是一種真正的葡萄糖傳感器。研究表明，HXKI和HXKII可降低哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)ROS水平［57］。馬鈴薯mtHXK可以促進(jìn)ADP的穩(wěn)態(tài)循環(huán)，調(diào)控線粒體內(nèi)膜上電子傳遞鏈上H2O2的形成［58］。HXK衍生的葡萄糖-6-磷酸鹽可以為Smirnoff-Wheeler途徑中的L-半乳糖提供營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)ASC的生物合成［59］，ASC與GSH協(xié)同作用去除H2O2。因此，可溶性糖可以作為信號(hào)，不僅參與植物光合活性的調(diào)節(jié)，而且對(duì)細(xì)胞的氧化還原平衡有重要的感知和調(diào)控作用［60］。然而，糖與ROS信號(hào)之間的聯(lián)系極為復(fù)雜，在某些特定途徑中還涉及ABA信號(hào)［61］。水分虧缺條件下ABA誘導(dǎo)脯氨酸積累可以說(shuō)明這一點(diǎn)。缺水條件下脯氨酸的積累是以ABA依賴的方式產(chǎn)生的。雖然糖也能影響脯氨酸水平，但在低Ψw時(shí)，糖不能替代ABA誘導(dǎo)脯氨酸積累。aba2-1是一個(gè)糖不敏感突變體，在低Ψw時(shí)積累極低水平的脯氨酸，這是因?yàn)锳BA積累是脯氨酸積累所必需的。只有ABA、糖和滲透調(diào)節(jié)信號(hào)相互作用才能誘導(dǎo)高水平的脯氨酸積累［62］。

干旱脅迫誘導(dǎo)ROS在葉綠體、線粒體和過(guò)氧化物酶體中積累。低水平的ROS尤其是H2O2作為信號(hào)分子發(fā)揮作用，而過(guò)量的ROS則具有毒性，可以破壞細(xì)胞膜，氧化各種細(xì)胞基質(zhì)和大分子。在脅迫條件下，ROS由酶促和非酶促抗氧化系統(tǒng)清除。ROS與糖代謝、植物激素ABA、Ca2+等其他信號(hào)分子之間存在相互作用，協(xié)同調(diào)控不同環(huán)境下植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程。

5 問(wèn)題與展望

植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中會(huì)遭受各種環(huán)境脅迫，干旱脅迫是影響植物生長(zhǎng)和限制作物生產(chǎn)力的主要因素。ROS作為植物有氧代謝的副產(chǎn)物，在正常條件下ROS的產(chǎn)生與清除處于動(dòng)態(tài)平衡，而當(dāng)植物遭受?chē)?yán)重的干旱脅迫時(shí)會(huì)破壞這種平衡，導(dǎo)致ROS的積累造成植物細(xì)胞的氧化損傷。因此，植物細(xì)胞進(jìn)化出多種防御機(jī)制來(lái)清除ROS，其中主要包括酶促和非酶促抗氧化系統(tǒng)。另外，ROS尤其是H2O2作為重要的信號(hào)分子，與其他信號(hào)分子如植物激素ABA、Ca2+、糖之間相互作用共同構(gòu)成植物體龐大而復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，在植物體的生長(zhǎng)發(fā)育中起著重要的調(diào)控作用（圖1）。

干旱脅迫下ROS的產(chǎn)生或清除作用的輕微變化可能會(huì)對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生直接影響。然而，不同研究者干旱處理方法很難統(tǒng)一。以PEG處理的滲透脅迫模擬干旱也與大田中的干旱脅迫有很大區(qū)別，因此，不同研究成果間很難進(jìn)行比較。在不同的研究中，干旱脅迫程度也是非常主觀的，標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。大量研究雖然已經(jīng)揭示了ROS、ABA、Ca2+和糖之間存在的互作關(guān)系，但這個(gè)復(fù)雜關(guān)系的分子調(diào)控本質(zhì)仍有待解析。ABA、ROS和Ca2+是對(duì)多種非生物脅迫產(chǎn)生交叉耐受性的常見(jiàn)因子，它們之間存在著復(fù)雜關(guān)系，這種關(guān)系仍需進(jìn)一步深入解析。

盡管轉(zhuǎn)基因植物在一定程度上能夠提高酶活性進(jìn)而提高植物的抗旱性，但在氧化脅迫條件下，植物往往通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來(lái)適應(yīng)逆境，因此，單純過(guò)量表達(dá)一個(gè)酶的基因并不能顯著提高作物對(duì)干旱脅迫的耐性。然而，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)及代謝組學(xué)等多組學(xué)層面的深入研究將有助于深入解析植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生，特別是活性氧清除的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，挖掘參與逆境脅迫應(yīng)答的關(guān)鍵核心基因，從而利用最先進(jìn)的基因組編輯工具如CRISPR/Cas等，對(duì)關(guān)鍵核心基因或多個(gè)基因同時(shí)進(jìn)行定點(diǎn)編輯，構(gòu)建作物抗逆轉(zhuǎn)基因株系，進(jìn)而有效提高作物的耐旱性。