sod的功能及應(yīng)用

sod的功能及應(yīng)用

植物在生長(zhǎng)過程中受到各種環(huán)境的影響（如干旱、水災(zāi)、熱害、冷害、病蟲害和重金屬離子）。這些偏差導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧（ros）。ros能通過破壞氨基酸和氧化蛋白來影響細(xì)胞的功能，并影響植物的正常生長(zhǎng)。環(huán)境脅迫引起的ROS的積累可以通過抗氧化酶系統(tǒng)來消除,植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)主要由超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)、過氧化氫酶(catalase,CAT)、過氧化物酶(peroxidase,POD)、抗壞血酸(ascorbicAcid,AsA)、谷胱甘肽(glutathione,GH)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbateperoxidase,APX)等構(gòu)成,植物抗脅迫能力的提高可能與體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)有關(guān)。SOD廣泛存在于生物體中,是生物體中一種重要的抗氧化物酶類,它幾乎參與了生物體中所有的對(duì)抗各種環(huán)境脅迫的生理生化反應(yīng)。轉(zhuǎn)SOD外的其它基因有可能導(dǎo)致植物體內(nèi)SOD活性的變化,從而引起植物體內(nèi)生理生化反應(yīng),增強(qiáng)植物對(duì)逆境的抵抗能力。棉花是我國(guó)重要的纖維作物,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。因此,發(fā)展棉花生產(chǎn)具有重要意義。但我國(guó)人多地少,糧棉爭(zhēng)地矛盾突出,所以在生產(chǎn)上迫切需要適合兩熟或多熟種植的早熟棉花品種。但早熟往往伴隨著早衰,從分子生物學(xué)角度研究棉花早衰具有廣闊前景。本文從不同方面綜述了植物SOD與植物抗逆性的最新研究進(jìn)展,以期對(duì)短季棉早熟不早衰研究提供參考。1葉綠體sod的分布SOD構(gòu)成了植物體消除ROS的第一道防線,它們催化并很快將O2·-和H2O轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O2及分子氧O2。許多植物包含有一系列的SOD的同工酶。SOD可以根據(jù)它們本身包含的金屬離子來分類(Miller,2004),Fe-SOD,Mn-SOD及Cu/Zn-SOD、Fe/MnSOD和Ni-SOD分布在不同的植物組織中,Fe-SOD和Mn-SOD主要存在于低等的植物中,Cu/Zn-SOD主要存在于高等的植物中。Fe-SOD位于葉綠體中,Mn-SOD位于線粒體和過氧化物酶體,Cu/Zn-SOD位于葉綠體,細(xì)胞質(zhì)及非原生質(zhì)體中。目前人們對(duì)Fe-SOD、Mn-SOD及Cu/Zn-SOD研究較多,也較透徹。所有的Cu/Zn-SOD對(duì)氰化物敏感,只有1~2mmol/L的氰化物濃度即可使其活性完全喪失,而Fe-SOD和Mn-SOD卻不受氰化物抑制。長(zhǎng)時(shí)間過氧化氫處理可以使Fe-SOD和Cu/Zn-SOD失活,而Mn-SOD卻不受影響。Cu/Zn-SOD的分子量大約為32000kD,由兩個(gè)亞基構(gòu)成,每個(gè)亞基含一個(gè)Cu和一個(gè)Zn,其中Cu與四個(gè)組氨酸及一個(gè)H2O配位,形成一個(gè)扭曲的四方平面構(gòu)型,Zn與三個(gè)組氨酸的咪唑氮以及一個(gè)天冬氨酸的羧基氧原子配位,形成扭曲的四面體結(jié)構(gòu)。Mn-SOD的分子量大約為40000kD,由兩個(gè)亞基構(gòu)成,每個(gè)亞基含一個(gè)Mn-SOD,它與三個(gè)組氨酸,一個(gè)天冬氨酸及一個(gè)H2O配位,形成三角錐形結(jié)構(gòu)。Fe-SOD的分子量大約為38000kD,由兩個(gè)亞基構(gòu)成,每個(gè)亞基含一個(gè)Fe。其活性中心的Fe與三個(gè)組氨酸,一個(gè)天冬氨酸以及一個(gè)H2O配位。將幾種常見的雙子葉和單子葉植物的Fe-SOD、Mn-SOD及Cu/Zn-SOD用MEGA4軟件進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析(前的研究表明在這三種SOD同工酶基因中,Cu/Zn-SOD被克隆的最多,Fe-SOD被克隆的最少)。結(jié)果表明,各植物中三種SOD同工酶基因各自聚為一類(圖1)。2不同低溫脅迫下秋茄幼苗中sod的表達(dá)植物中的SOD構(gòu)成了消除ROS的重要體系,植物體內(nèi)這類酶的高表達(dá)可以在脅迫條件下降低ROS對(duì)植物造成的損害。研究指出(JiangandYang,2009)撲草凈引起的氧化脅迫可以顯著的改變小麥SOD酶的活性,低濃度撲草凈可以提高SOD的酶活性,高濃度降低該酶的活性。qRT-PCR表明Cu/ZnSOD基因上調(diào)表達(dá),表達(dá)模式與SOD活性變化相似;高濃度Zn導(dǎo)致油菜中SOD的活性降低。在油菜中至少發(fā)現(xiàn)五種SOD的同工酶,它們的活性隨著Zn離子濃度的增加而降低(Chaoetal.,2009);對(duì)生長(zhǎng)中的豌豆植株用50mmol/LCdCl2處理可以在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后影響不同SOD同工酶的表達(dá),Cd處理可以上調(diào)質(zhì)體中Fe-SOD的表達(dá),但是它的活性降低了,這表明在轉(zhuǎn)錄后Fe-SOD被氧化作用所調(diào)控(Fe-SOD對(duì)H2O2敏感)。下調(diào)Cu/Zn-SOD和Mn-SOD的表達(dá),與觀察到的它們的活性變化相同(Sandalioetal.,2001;Islametal.,2009),Mn-SOD在轉(zhuǎn)錄水平上被調(diào)控,Cu/Zn-SOD及Fe-SOD在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后被調(diào)控;受Cr的環(huán)境脅迫,秋茄幼苗根系及葉片SOD活性的變化與同工酶的譜帶數(shù)量及強(qiáng)弱的變化密切相關(guān),其酶活性提高是因?yàn)橄鄳?yīng)的同工酶帶強(qiáng)度增加或者產(chǎn)生新的同工酶帶,而酶活性下降則相應(yīng)酶帶強(qiáng)度減弱,甚至消失(萬永吉等,2008);在干旱條件下XinmuNo.1中的SOD含量要比Northstar高一些,表明耐旱的紫花苜蓿品種具有高的清除超氧自由基的能力,在耐干旱的玉米和菜豆品種中也得到同樣的結(jié)果(Wangetal.,2009);鹽脅迫條件下,SOD在植株體內(nèi)的活性升高,這與植株對(duì)其它非生命物質(zhì)脅迫條件下的表現(xiàn)情況類似(StepienandKlobus,2005);低溫脅迫下,嫁接與自根黃瓜葉片Cu/Zn-SOD、Mn-SOD的mRNA相對(duì)表達(dá)量變化分別與Cu/Zn-SOD、MnSOD活性變化相吻合,嫁接黃瓜葉片Cu/Zn-SOD和Mn-SODmRNA相對(duì)表達(dá)量以及Fe-SOD、Cu/Zn-SOD和Mn-SOD活性均高于自根黃瓜,嫁接黃瓜較高的SOD基因的表達(dá)量調(diào)控的高SOD活性是其抗冷性強(qiáng)于自根黃瓜的重要因素(高俊杰等,2009);SOD活性與雞冠花植株熱脅迫耐性緊密相關(guān),熱脅迫處理后,雞冠花在40℃誘導(dǎo)產(chǎn)生了1條新的Cu/Zn-SOD條帶,同時(shí)Mn-SOD消失,由此可知,在此脅迫溫度該植株已經(jīng)對(duì)外界溫度產(chǎn)生應(yīng)答反應(yīng)(魏玉香等,2008)。3稻限菌對(duì)水稻幼苗sod活性的影響在正常情況下,植物體內(nèi)SOD活性維持一定水平,清除植物體內(nèi)不斷產(chǎn)生的超氧自由基,使植物體內(nèi)SOD活性和超氧自由基含量達(dá)成一定的平衡關(guān)系。當(dāng)植物感病后,植物體內(nèi)超氧自由基含量增加,SOD活性也相應(yīng)增加,以清除自由基,許多研究都表明SOD是參與植物抗病的一種重要的酶,并與木質(zhì)素及抗病毒素的合成有關(guān),還可以增強(qiáng)植株對(duì)各種病原菌的抵抗力。在植株中SOD酶活性的變化可以被用作鑒定植物抗病性的生化標(biāo)記,在抗病機(jī)制中有著重要作用。因此,SOD活性通常被認(rèn)為是生理和生化指數(shù)。SOD在根部受損害的棉花幼苗中有明顯的變化,這種方法可以幫助在苗期鑒定棉花枯黃萎病,這種癥狀在苗期是不顯眼的,那些感病較輕的植株含有較高的SOD活性(Fanetal.,2007);黃瓜花葉病毒(cucumbermosaicvirus,CMV)可以引起黃瓜和西紅柿葉片中的葉綠體和線粒體SOD的活性的上升,與線粒體相比,受過CMV侵襲的葉綠體中的SOD活性上升的更多,CMV可以啟動(dòng)植物的抗氧化酶系統(tǒng),引起SOD酶活的持續(xù)上升(Songetal.,2009);在易感病的杏樹種子中,李痘病毒(plumpoxvirus,PPV)感染可引起非原生質(zhì)體SOD酶活性的降低,但在抗病的種子中,非原生質(zhì)體的SOD活性可以提高將近100%(Diaz-Vivancosetal.,2006)。研究發(fā)現(xiàn)用稻瘟菌粗毒素處理水稻后,初期抗病品種SOD活性比感病品種水稻的活性低,感病品種的SOD活性呈現(xiàn)較大起伏。而毒素處理后,感病品種的SOD活性立即被激活,雖然有利于短時(shí)間內(nèi)自身的保護(hù),但是清除活性氧,使寄主無法激發(fā)潛在的抗性(潘哲超等,2008)。受蔓枯病菌侵染后,甜瓜抗、感材料的SOD活性變化趨勢(shì)基本上是一致的,但抗病材料的SOD活性均高于感病材料,說明抗病材料比感病材料更高效地清除活性氧的傷害(周曉慧等,2007)。SOD作為重要的內(nèi)源活性氧清除劑,其與植物抗病性的關(guān)系已被進(jìn)行了很多研究,但研究者在不同的病害體系中得出的結(jié)論并不是一致。因?yàn)槊恳环N病害中都有其獨(dú)特的抗病及致病機(jī)制,而且在一種病害中,植物的抗病性也常常是多途徑、多手段抗性機(jī)制的綜合。4小麥幼苗期抗氧化酶系統(tǒng)的優(yōu)化衰老是一個(gè)高度程序化的過程,它可以導(dǎo)致植物器官的凋落,并最終導(dǎo)致植株或部分植株的死亡。研究指出衰老也即是活性氧代謝失調(diào)的過程,由于SOD的主要功能既是清除活性氧,所以SOD在衰老的整個(gè)代謝過程中起著重要的作用。在不早衰品種中,ABA的運(yùn)輸被打斷之后也可以延緩葉片的衰老。玉米葉齡達(dá)到76d后,不早衰品種葉片的SOD活性比早衰的高,證明這個(gè)酶在延緩衰老過程中起著重要作用(Heetal.,2005)。蝴蝶蘭花的衰老是由于黃嘌呤氧化酶的過量產(chǎn)生,催化產(chǎn)生了過多的O2-,產(chǎn)生氧化脅迫導(dǎo)致的,此時(shí),老花的萼片和花瓣的SOD的活性增大,從而延緩花的衰老(Kumaretal.,2009)。花期去除小麥的生殖器官-穗可以減緩旗葉的衰老,去除小穗的小麥植株比對(duì)照的SOD酶活性要高,尤其是在開花21d后,去除小麥生殖器官,從而造成抗氧化酶活性的增加應(yīng)該是小麥旗葉延緩衰老的主要原因,相對(duì)于葉綠體內(nèi)的SOD,線粒體內(nèi)SOD的低抗氧化活性應(yīng)該是小麥?zhǔn)軗p較嚴(yán)重的主要原因(SrivalliandKhana-Chopra,2009)。在水稻的生育后期,不同品種水稻葉片的活性、SOD活性呈先上升然后再持續(xù)下降的趨勢(shì),MDA含量則在整個(gè)生育后期呈持續(xù)上升趨勢(shì),活性的短暫上升可能是因?yàn)槌跏妓ダ闲盘?hào)能在一定程度上誘發(fā)活性增強(qiáng),出現(xiàn)適應(yīng)性延緩衰老的趨勢(shì)。任何一種逆境或者是病蟲害,都會(huì)影響植物正常的生理生化代謝,導(dǎo)致植物的過早衰老。從這個(gè)方面講,逆境與衰老是緊密聯(lián)系的。SOD無論是與各種環(huán)境脅迫,還是與植物病害都是有相關(guān)性的。通過SOD活性的高低來選擇人們需要的育種材料,從而提高新品種的抗逆能力,這種方法是可行的。本實(shí)驗(yàn)室的研究表明,短季棉早熟不早衰品種的SOD酶活性明顯高于早衰品種,并且已根據(jù)這個(gè)規(guī)律選育出了新的短季棉早熟不早衰品種。這些研究進(jìn)展表明我們可以利用植物體內(nèi)SOD的變化規(guī)律,選育出抗衰老的新品種,降低因早衰帶來的損失。5保護(hù)基因表達(dá)轉(zhuǎn)基因技術(shù)的本質(zhì)是通過獲得優(yōu)良基因進(jìn)行遺傳改良,轉(zhuǎn)基因植物是基因組中含有外源基因的植物。它可以通過原生質(zhì)體融合、細(xì)胞重組、遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移、染色體工程技術(shù)獲得,可能改變植物的某些遺傳特性,培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病毒、抗蟲、抗寒、抗旱、抗?jié)场⒖果}堿、抗除草劑等的作物新品種,而且可用轉(zhuǎn)基因植物或離體培養(yǎng)的細(xì)胞,來生產(chǎn)外源基因的表達(dá)產(chǎn)物。轉(zhuǎn)AtNPR1基因煙草PR基因的過量表達(dá)及SOD的活性的提高對(duì)MV誘導(dǎo)的氧化脅迫具有很強(qiáng)耐受力,對(duì)PEG誘導(dǎo)的脅迫也不敏感(Srinivasanetal.,2009)。轉(zhuǎn)基因煙草對(duì)干旱和鹽堿的耐受力的提高與ABA誘導(dǎo)的H2O2的產(chǎn)生有關(guān),因?yàn)镠2O2的產(chǎn)生引起了SOD的轉(zhuǎn)錄和活性的增加,正常條件下,轉(zhuǎn)基因植株中Cu/Zn-SOD的轉(zhuǎn)錄水平較野生型高,利用PTIO及L-NNA處理轉(zhuǎn)基因植株引起Cu/Zn-SOD基因表達(dá)量的降低表明,NO是轉(zhuǎn)基因植株中Cu/Zn-SOD基因表達(dá)所必需的元素。轉(zhuǎn)擬南芥CBF1基因煙草植株的SOD活性明顯高于對(duì)照,提高了轉(zhuǎn)基因植株對(duì)低溫的耐受力(Zhangetal.,2009);在干燥的條件下,SOD在花生轉(zhuǎn)基因植株中的集聚量要比非轉(zhuǎn)基因植株高得多,在轉(zhuǎn)基因花生中含有逆境條件引發(fā)的DS啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的DREB1A轉(zhuǎn)錄因子造成抗氧化酶活性的升高。值得注意的是,在花生植株中,SOD活性的升高與脯氨酸含量的增長(zhǎng)是一致的(Bhatnagar-Mathuretal.,2009)。在干旱和鹽堿的條件下,農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)擬南芥AtHDG11基因的高羊茅植株對(duì)此逆境的抵抗力加強(qiáng),同時(shí)伴隨著SOD酶活性的升高,此種情況表明SOD的清除能力可能在植物對(duì)抗逆境的過程中起著重要作用,SOD是植株中清除逆境條件引起的ROS的關(guān)鍵酶(Caoetal.,2009)。將SOD基因轉(zhuǎn)到植物體內(nèi),可以使植物體內(nèi)SOD活性增大,從而可以提高植物對(duì)各種逆境的抗性。研究指出轉(zhuǎn)基因擬南芥過量表達(dá)SOD對(duì)高光強(qiáng),重金屬及氧化脅迫具有很強(qiáng)的耐受力,在其它轉(zhuǎn)基因植株中同樣可以觀察到對(duì)非生命物質(zhì)的脅迫具有較強(qiáng)忍耐力與植株過量表達(dá)SOD有關(guān)(Sunkaretal.,2006)。研究指出轉(zhuǎn)SOD基因可以增強(qiáng)植物體對(duì)各種不良環(huán)境的適應(yīng)能力,把玉米中的Cu/Zn-SOD及CAT基因轉(zhuǎn)到洋白菜的葉綠體中(即為SOD,CAT和SOD+CAT植株),SOD+CAT植株可以忍受400ppbSO2的脅迫,它的損害只是野生對(duì)照植株的六分之一,SOD植株對(duì)和鹽害的忍耐力與對(duì)照相比有明顯提高,此外,與對(duì)照相比,SOD+CAT植株葉片中可以積聚較多的K+、Ca2+、Mg2+,這個(gè)結(jié)果表明SOD和CAT的同時(shí)高表達(dá)對(duì)多種逆境引起的對(duì)植株的脅迫具有很強(qiáng)的保護(hù)作用。Cu/Zn-SOD在轉(zhuǎn)基因煙草植株中的過量表達(dá)可以提高植株對(duì)氧化脅迫的耐受力(PitcherandZilinskas,1996)。Mn-SOD的過量表達(dá)可以提高植物對(duì)寒冷,干旱的抵抗力以及甲基紫精誘導(dǎo)的氧化脅迫(McKersieetal.,1999),轉(zhuǎn)基因植株中Fe-SOD的過量表達(dá)可以提高植株對(duì)甲基紫精的耐受力,及它們的御寒能力(vanBreusegemetal.,1999)。轉(zhuǎn)豌豆葉綠體Cu/Zn-SOD在煙草中的過量表達(dá)可以提高植株對(duì)強(qiáng)光,低溫的耐受力(SenGuptaetal.,1993)。在轉(zhuǎn)基因擬南芥中抗miR398CSD2的高表達(dá)會(huì)比正常情況下CSD2的高表達(dá)產(chǎn)生更多的CSD2mRNA,更能提高植株對(duì)高光強(qiáng),重金屬等逆境的抵抗力(Sunkaretal.,2006)。這些研究表明,無論是向植物體內(nèi)轉(zhuǎn)入SOD外的其它基因,還是轉(zhuǎn)入SOD基因本身都可能對(duì)植物體內(nèi)SOD活性產(chǎn)生影響,從而影響植物體對(duì)逆境的耐受力。利用這種方法,人們可以獲得有用的育種材