王 斌，張騰霄，劉超群，祖余洋，李艷芳，孟祥才

（1. 綏化學(xué)院 食品與制藥工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152061；2. 黑龍江中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040 ）

植物生長過程中極易受到逆境脅迫，主要包括生物脅迫和非生物脅迫。生物脅迫主要有病害和蟲害；非生物脅迫主要有來源于干旱、溫度、水分、養(yǎng)分、鹽、化學(xué)藥劑和重金屬的脅迫。研究表明，植物對(duì)逆境脅迫響應(yīng)的內(nèi)在主要表現(xiàn)為活性氧（ROS）迸發(fā)，它也是植物應(yīng)對(duì)非生物脅迫的主要調(diào)控者[1-2]。很多藥材道地產(chǎn)區(qū)位于物種整個(gè)分布區(qū)邊緣，說明環(huán)境脅迫對(duì)藥材質(zhì)量形成的作用[3]，植物在脅迫條件下次生代謝產(chǎn)物增多，以提高植物自身保護(hù)和生存競爭能力。藥用植物是人類幾千年來用于治病、防病的植物，其藥效物質(zhì)基礎(chǔ)是次級(jí)代謝產(chǎn)物。通過對(duì)ROS來源、功能、清除，以及干旱、鹽、溫度、外源物質(zhì)脅迫對(duì)藥用植物ROS 代謝進(jìn)行的影響研究，有助于深入研究藥用植物抵抗逆境脅迫的分子機(jī)制，揭示和驗(yàn)證ROS 促進(jìn)道地藥材質(zhì)量形成理論，為改良其抗逆性、培育新品種提供理論參考。

1 植物中ROS 的產(chǎn)生及清除

1.1 來源

ROS 是一類化學(xué)性質(zhì)活潑、氧化能力很強(qiáng)的含氧物質(zhì)總稱。葉綠體、線粒體和過氧化物等均產(chǎn)生ROS，線粒體是主要產(chǎn)生部位。植物中的ROS 主要包括、·OH、H2O2，由于種類不同，其來源和特點(diǎn)有所不同，見表1。

表1 植物中主要ROS 種類、來源及特點(diǎn)Tab. 1 Main species, sources and characteristics of ROS in plants

1.2 生理功能

適當(dāng)濃度ROS 作為第二信使，參與植物細(xì)胞壁形成、植物細(xì)胞形態(tài)建成和極性生長過程、種子萌發(fā)過程、刺激植保素合成、介導(dǎo)生長素調(diào)節(jié)、氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)等生長發(fā)育調(diào)節(jié)，還能與其它信號(hào)分子相互作用，在非生物脅迫下提高植物抗逆性[5]，觸發(fā)或介導(dǎo)Ca2+、NO、促細(xì)胞分裂原活化蛋白激酶（MAPK）、脅迫激素如水楊酸（SA）、茉莉酸（JA）和乙烯等信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，形成一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，使植物對(duì)環(huán)境脅迫進(jìn)行內(nèi)在積極響應(yīng)。

1.3 危害

植物持續(xù)受到逆境脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)ROS 的產(chǎn)生和清除平衡系統(tǒng)被打破，細(xì)胞內(nèi)過量ROS 對(duì)蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)等生物大分子造成損傷，影響細(xì)胞正常生理生化功能，導(dǎo)致細(xì)胞損傷和死亡。

1.4 ROS 清除

植物體內(nèi)ROS 清除系統(tǒng)主要包括酶促清除系統(tǒng)和非酶促清除系統(tǒng)，見表2。由于植物體自身存在清除 ROS 系統(tǒng)，清除系統(tǒng)彼此協(xié)調(diào)，在一定范圍內(nèi)維持體內(nèi)ROS 平衡，共同防御ROS 對(duì)植物的傷害。近年來研究發(fā)現(xiàn)，藥用植物中的次生代謝物（非酶促清除系統(tǒng)）如類黃酮、多酚、生物堿等均能響應(yīng)抗逆機(jī)制，參與ROS 的清除，在協(xié)助植物適應(yīng)逆境的同時(shí)，次生代謝產(chǎn)物也得到積累，提高了藥材質(zhì)量[6]。

表2 植物體內(nèi)ROS 清除系統(tǒng)Tab. 2 ROS removal system in plants

2 環(huán)境脅迫對(duì)藥用植物ROS 代謝影響

植物在逆境中產(chǎn)生較多ROS，為避免多余ROS的傷害，植物啟動(dòng)反饋機(jī)制增加酶促清除系統(tǒng)及非酶促清除系統(tǒng)活性，消除體內(nèi)多余的ROS。植物體內(nèi)ROS 清除酶活性因種類不同存在明顯差異，通過對(duì)植物體內(nèi)O2-·產(chǎn)生速率、植物體內(nèi)H2O2含量、對(duì)植物膜脂過氧化程度、對(duì)植物抗氧化酶活性的影響來反應(yīng)ROS 清除酶活性。

2.1 干旱脅迫對(duì)ROS 代謝影響

干旱脅迫對(duì)植物的傷害位居非生物脅迫首位，干旱脅迫下產(chǎn)生大量ROS，嚴(yán)重影響植物生長發(fā)育。但干旱條件下ROS 與其它信號(hào)分子之間關(guān)鍵作用機(jī)制尚不明確[11]。不同植物對(duì)干旱脅迫響應(yīng)有較大差異，研究表明，干旱脅迫后，植物體內(nèi)ROS 含量增高，同時(shí)，植物體內(nèi)的酶促清除系統(tǒng)迅速啟動(dòng)，各抗氧化酶活性隨著干旱脅迫時(shí)間的改變而不斷發(fā)生變化。干旱脅迫對(duì)藥用植物ROS 代謝影響，見表3。

表3 干旱脅迫對(duì)藥用植物ROS 代謝影響Tab. 3 Effect of drought stress on ROS metabolism in medicinal plants

2.2 鹽脅迫對(duì)ROS 代謝影響

鹽脅迫破壞了植物體內(nèi)滲透壓和離子平衡，產(chǎn)生多余的ROS 對(duì)植物機(jī)體造成傷害。研究表明，植物耐鹽是多基因參與、多途徑誘導(dǎo)的過程，包括滲透調(diào)節(jié)、離子選擇性吸收和離子區(qū)域化作用、改變光合作用、ROS 清除、提高抗氧化酶類活性、增強(qiáng)抗氧化代謝水平等[17]。鹽脅迫對(duì)藥用植物活影響研究相對(duì)較少，研究表明鹽脅迫后，植物體內(nèi)ROS 增加，抗氧化酶活性增強(qiáng)，在一定范圍內(nèi)有效降低了過量ROS 對(duì)植物的損害，具體研究見表4。

表4 鹽脅迫對(duì)藥用植物ROS 代謝影響Tab. 4 Effect of salt stress on ROS metabolism in medicinal plants

2.3 溫度脅迫對(duì)ROS 代謝影響

高溫脅迫使植物細(xì)胞內(nèi)積累大量ROS，抗氧化酶活性在高溫脅迫初期增強(qiáng)，隨脅迫時(shí)間延長急劇下降，溫度對(duì)藥用植物ROS 代謝的影響見表5。

表5 溫度脅迫對(duì)藥用植物ROS 代謝影響Tab. 5 Effect of temperature stress on ROS metabolism in medicinal plants

研究表明[26-28]，在一定溫度范圍內(nèi)，植物次生代謝產(chǎn)物積累量隨溫度升高而增加，次生代謝產(chǎn)物協(xié)助酶促清除系統(tǒng)，共同消除多余的ROS，從而減輕了高溫脅迫下ROS 對(duì)植物的損傷。

3 外源物質(zhì)脅迫對(duì)ROS 代謝影響

植物逆境脅迫中較多因子參與了抗逆作用，如植物激素、RNA、蛋白質(zhì)或多肽以及小分子代謝物、鈣離子、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、ROS清除系統(tǒng)以及蛋白質(zhì)[29]，但許多研究僅停留在抗逆相關(guān)基因或蛋白層面上，具體作用機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。外源物質(zhì)對(duì)藥用植物ROS 代謝影響研究相對(duì)較多，通過添加適宜濃度的外源物質(zhì)，能提高植物體內(nèi)抗氧化酶活性，抵御非生物脅迫產(chǎn)生過量ROS 對(duì)植物的傷害。外源物質(zhì)對(duì)藥用植物ROS 代謝影響見表6。

表6 外源物質(zhì)對(duì)藥用植物ROS 代謝影響Tab. 6 Effect of exogenous substances on ROS metabolism in medicinal plants

4 次生代謝產(chǎn)物對(duì)ROS 代謝的影響

次生代謝產(chǎn)物作為藥用植物重要的活性成分，是植物適應(yīng)逆境的產(chǎn)物，在植物抗逆中發(fā)揮了重要作用。研究表明，不同濃度H2O2處理黃芩根，SOD、POD、CAT 活性下降，次級(jí)代謝物黃酮類化合物含量提高，與抗氧化酶協(xié)同抗氧化[34]。高溫處理五味子[26]、黃芩[27]、防風(fēng)[28]，其體內(nèi)的抗氧化酶活性下降，但次級(jí)代謝產(chǎn)物含量卻增高，說明次級(jí)代謝產(chǎn)物與抗氧化物酶共同參與ROS 的清除。

5 討論

ROS 與一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程相關(guān)聯(lián)，調(diào)控植物生長發(fā)育并對(duì)外界脅迫進(jìn)行內(nèi)在響應(yīng)。研究表明，在抵御不良環(huán)境因素方面植物次生代謝產(chǎn)物起到重要作用[35]。在一定逆境條件下，含量相對(duì)較低的ROS，能夠使抗氧化酶發(fā)揮較大的抗氧化作用。當(dāng)植物體內(nèi)ROS 過度積累，打破其平衡時(shí)，植物會(huì)產(chǎn)生多種次生代謝產(chǎn)物來應(yīng)對(duì)逆境脅迫。ROS 從基因表達(dá)、酶活性、酶促反應(yīng)等影響植物次生代謝過程。由此可見，ROS 是環(huán)境因子作用的直接產(chǎn)物，ROS 失衡是藥用植物次生代謝或異常代謝的物質(zhì)基礎(chǔ)。而藥材質(zhì)量及有效性的物質(zhì)基礎(chǔ)是植物次生代謝產(chǎn)物，應(yīng)根據(jù)環(huán)境對(duì)藥材質(zhì)量形成的本質(zhì)認(rèn)識(shí)，從仿生角度干預(yù)藥用植物代謝，提高次生代謝產(chǎn)物的量，為道地藥材質(zhì)量形成機(jī)制研究及提高栽培藥材質(zhì)量提供新思路[36]。

6 結(jié)論

植物在逆境脅迫下多種信號(hào)分子的改變都與ROS變化密切關(guān)聯(lián)。植物在逆境條件下首先產(chǎn)生ROS，激活各反應(yīng)通路，次級(jí)代謝產(chǎn)物與抗氧化物酶共同參與ROS 的清除。有關(guān)ROS 與藥用植物次級(jí)代謝產(chǎn)物間的關(guān)系還應(yīng)整合植物代謝組、基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、表型組等其它組學(xué)，更好地闡明藥用植物次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成機(jī)制，深入研究ROS 促進(jìn)道地藥材質(zhì)量形成理論，人為調(diào)控構(gòu)建目標(biāo)化合物合成，為有效開展藥用植物的品質(zhì)調(diào)控及種質(zhì)改良提供依據(jù)。