趙晶晶，詹萬(wàn)龍，周濃*

（1重慶三峽學(xué)院生物與食品工程學(xué)院/三峽庫(kù)區(qū)道地藥材綠色種植與深加工重慶市工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 404120；2重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 404100）

0 引言

由于全球氣候變化，植物遭受非生物脅迫的頻率和嚴(yán)重程度不斷增加，致使其在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中不可避免地暴露于一種或多種非生物脅迫下，如干旱、淹水、高溫、低溫、鹽堿脅迫等。當(dāng)植物處于非生物脅迫時(shí)，植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)，如活性氮（RNS）、活性氧（ROS）、丙二醛（MDA）或丙酮醛（MG）等，這些有害物質(zhì)會(huì)破壞植物體內(nèi)細(xì)胞膜的

結(jié)構(gòu)，造成細(xì)胞生理功能受損，產(chǎn)生脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)，最終使細(xì)胞死亡，致使植物的生理代謝、生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成等過(guò)程受損。前人關(guān)于非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS（Gill and Tuteja，2010；李格等，2018；劉聰?shù)龋?019）或MG（王月等，2018；葉芯妤等，2019）的代謝機(jī)制研究已十分深入，而關(guān)于非生物脅迫對(duì)植物體內(nèi)ROS和MG代謝機(jī)制間關(guān)系的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本文重點(diǎn)總結(jié)植物體內(nèi)ROS和MG的合成代謝過(guò)程、分解代謝過(guò)程以及兩者合成和分解代謝間的關(guān)系，闡明不同非生物脅迫（干旱脅迫，溫度脅迫，鹽、堿和鹽堿脅迫及重金屬脅迫）條件下植物體內(nèi)ROS和MG代謝間的調(diào)節(jié)情況，以期為非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS和MG代謝機(jī)制的深入研究提供借鑒。

1 非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS和MG合成代謝的研究進(jìn)展

1.1 非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS的合成代謝過(guò)程

ROS是氧化能力很強(qiáng)、性質(zhì)極為活潑的含氧物的總稱，主要包括單線態(tài)氧（1O2）、超氧陰離子（）、過(guò)氧化氫（H2O2）和羥基自由基（·OH）等，是植物有氧代謝產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物（李格等，2018），其產(chǎn)生的部位主要是葉綠體、過(guò)氧化物酶體、線粒體和質(zhì)外體等（Finkel，2011）（圖1）。ROS作為植物體內(nèi)正常的生理代謝產(chǎn)物，具有雙重作用，低濃度的ROS可作為信號(hào)分子通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)一系列防御和保護(hù)基因來(lái)保護(hù)植物，進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育（李格等，2018）；而高濃度的ROS對(duì)有機(jī)體有害，易引發(fā)蛋白質(zhì)氧化、酶失活、核酸損傷和脂質(zhì)過(guò)氧化，激活信號(hào)通路并導(dǎo)致細(xì)胞程序性死亡（Zhu and Bunn，1999），這種破壞作用可稱為氧化脅迫。

研究表明，非生物脅迫下，植物葉綠體類囊體中的光系統(tǒng)I（PSI）和光系統(tǒng)II（PSII）反應(yīng)中心是ROS產(chǎn)生的主要部位，空氣中的O2經(jīng)過(guò)光合作用會(huì)產(chǎn)生1O2和·OH引起氧化損傷，且PSI呼吸電子傳遞鏈中的電子可與O2反應(yīng)產(chǎn)生并快速轉(zhuǎn)化為H2O2（Asada，2006）（圖1）；此外，植物線粒體細(xì)胞器中的O2可接受呼吸電子傳遞鏈中的電子形成，再快速歧化為H2O2（Xiong et al.，2007）；再者，復(fù)合體I和復(fù)合體III中泄漏的電子與O2結(jié)合可生成1O2，1O2通過(guò)Mn–SOD作用可轉(zhuǎn)化為H2O2（Huang et al.，2016）（圖1）。同時(shí)，過(guò)氧化物酶體也是植物細(xì)胞中H2O2的主要來(lái)源，這是因?yàn)榉巧锩{迫增強(qiáng)了光呼吸導(dǎo)致乙醇酸氧化酶過(guò)度反應(yīng)造成的，并伴隨著一氧化氮（NO）或的產(chǎn)生（Noctor et al.，2007）（圖1）。呼吸爆發(fā)氧化酶也可稱之為NADPH氧化酶（NADPHox），是質(zhì)外體中ROS形成的關(guān)鍵酶，通常位于細(xì)胞質(zhì)膜上，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）作為電子供體，可接受質(zhì)膜胞質(zhì)側(cè)的電子并傳遞給O2形成在自然歧化或在細(xì)胞壁結(jié)合的超氧化物歧化酶（SOD）催化下形成H2O2，H2O2再經(jīng)Haber-Weiss反應(yīng)或Fenton反應(yīng)形成·OH（Asada，2006）（圖1）。

1.2 非生物脅迫下植物體內(nèi)MG的合成代謝過(guò)程

MG又可稱之為2-氧代丙醛、α-氧代醛或甲基乙二醛，是一種小分子高活性的二羰基復(fù)合物，作為植物體內(nèi)正常的生理代謝產(chǎn)物，可由碳水化合物、蛋白質(zhì)及脂質(zhì)代謝產(chǎn)生，主要來(lái)源于糖酵解途徑，正常生理情況下MG在植物體內(nèi)合成量極低，一般維持在30～75μmol/L范圍內(nèi)（Yadav et al.，2005）。MG在植物體內(nèi)具有雙重作用，低濃度的MG可作為信號(hào)分子參與種子的萌發(fā)、植物的生長(zhǎng)發(fā)育及植物脅迫耐性的獲得（Li，2016）；而高濃度的MG則是一種細(xì)胞毒素，具有高度的細(xì)胞毒性和活性，可導(dǎo)致DNA、RNA和蛋白質(zhì)等生物大分子被破壞，類似于ROS引發(fā)的氧化脅迫，這種破壞作用可稱之為羰基脅迫或MG脅迫（王月等，2018；葉芯妤等，2019）。

MG作為植物體內(nèi)正常的代謝產(chǎn)物，其合成過(guò)程廣泛存在于葉綠體、線粒體和胞質(zhì)溶膠等組織或細(xì)胞中，其產(chǎn)生的位點(diǎn)和具體比率取決于組織或細(xì)胞類型及整個(gè)植株的生理狀態(tài)（Kaur et al.，2014）。植物體內(nèi)的MG合成來(lái)源于多條代謝途徑（圖2），其中，糖酵解是MG合成的最主要途徑，糖酵解或光合作用產(chǎn)生的磷酸二羥丙酮（DHAP）或甘油醛-3-磷酸（GAP）可自發(fā)脫去無(wú)機(jī)磷產(chǎn)生MG（Hossain et al.，2018）；再者，在葡萄糖氧化過(guò)程中，約有0.05%～0.30%的葡萄糖會(huì)轉(zhuǎn)化為MG（Li，2016），上述是植物體內(nèi)MG合成的非酶促途徑。

植物體內(nèi)MG合成除了非酶促途徑外，還有酶促途徑（圖2），參與的酶主要包括磷酸丙糖異構(gòu)酶（TPI）、丙酮醛合酶（MGS）、氨基脲敏感型胺氧化酶（SSAO）和丙酮醇單加氧酶（AMO），這4種酶在植物體內(nèi)構(gòu)成4種酶促途徑：（1）GAP途徑，TPI催化DHAP或GAP水解去磷酸化后形成MG，故TPI是植物體內(nèi)MG形成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶，其活性與MG的積累呈負(fù)相關(guān)（Li，2016）；（2）丙酮醇途徑，丙酮單加氧酶將脂肪酸的代謝物丙酮催化為丙酮醇，后者被AMO轉(zhuǎn)化為MG；（3）氨基丙酮途徑，在該途徑中，來(lái)自蛋白質(zhì)代謝或氨基酸代謝的氨基丙酮在SSAO催化作用下可合成MG；（4）DHAP途徑，MGS以糖酵解或光合作用產(chǎn)生的DHAP為底物，催化DHAP轉(zhuǎn)化為MG。

1.3 非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS和MG合成代謝間的關(guān)系

非生物脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)ROS和MG含量迅速升高已是不爭(zhēng)的事實(shí)（Gill and Tuteja，2010；李格等，2018；王月等，2018；劉聰?shù)龋?019；葉芯妤等，2019）。那么非生物脅迫下，植物體內(nèi)ROS與MG之間又有怎樣的關(guān)系呢？大量研究證明，MG能使細(xì)胞內(nèi)ROS含量升高，這是因?yàn)镸G在糖基化反應(yīng)過(guò)程中可生成和H2O2，并且產(chǎn)生的終產(chǎn)物—晚期糖基化終產(chǎn)物（AGEs）會(huì)破壞植物體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)，降低或滅活SOD、過(guò)氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）、谷胱甘肽還原酶（GR）、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（GST）、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPX）等抗氧化酶活性，植物細(xì)胞內(nèi)AGEs的積累間接促進(jìn)了ROS含量的增加（Kaur et al.，2014）；另一方面，在非生物脅迫下，為了維持植物體內(nèi)MG含量在安全范圍內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)的還原型谷胱甘肽（GSH）含量會(huì)減少，間接影響抗壞血酸—谷胱甘肽（AsA–GSH）循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致ROS產(chǎn)量增加（Meata et al.，2005）；再者，MG的醛基可與蛋白質(zhì)的氨基酸殘基—賴氨酸、半胱氨酸和精氨酸反應(yīng)生成AGEs，從而使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)降解和/或功能失活，對(duì)植物體造成無(wú)法修復(fù)的代謝功能障礙和細(xì)胞死亡（Ferguson et al.，1998）；此外，MG還能與膜脂反應(yīng)形成不可逆的晚期脂質(zhì)過(guò)氧化終產(chǎn)物（ALEs）（葉芯妤等，2019），導(dǎo)致被氧化的膜脂在結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生改變。Saito等（2011）認(rèn)為MG在植物體內(nèi)可作為希爾氧化劑，催化PSI中的O2成為，而的形成會(huì)加快細(xì)胞成分的氧化損傷。

Hoque等（2010，2012）通過(guò)外源施用MG鑒定了植物體內(nèi)MG和ROS之間的關(guān)系，0.5～10.0 mmol/L的MG噴施于煙草植株上會(huì)降低植株體內(nèi)APX和GST的活性，致使植株發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)；外源噴施MG可誘導(dǎo)葉綠體中的光合作用產(chǎn)生，從而抑制植物的光合作用（Saito et al.，2011）。MG不僅對(duì)植物體內(nèi)的生物大分子具有破壞作用，還能誘發(fā)ROS的產(chǎn)生，繼而對(duì)植物體內(nèi)的生物大分子再次造成氧化損傷。

2 非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS和MG分解代謝的研究進(jìn)展

2.1 非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS的分解代謝

正常條件下，植物體內(nèi)ROS的產(chǎn)生與清除處于動(dòng)態(tài)平衡，而非生物脅迫因素會(huì)破壞細(xì)胞中ROS產(chǎn)生與清除之間的動(dòng)態(tài)平衡，導(dǎo)致ROS在植物體內(nèi)積累造成氧化脅迫，進(jìn)而抑制植物的生長(zhǎng)和發(fā)育（Gill and Tuteja，2010；李格等，2018；劉聰?shù)龋?019）。植物為了適應(yīng)非生物脅迫環(huán)境，形成了非酶促和酶促2種有效的ROS清除機(jī)制來(lái)緩解體內(nèi)ROS的過(guò)度積累，非酶促抗氧化系統(tǒng)主要包括GSH、抗壞血酸（AsA）、維生素E（VE）、維生素C（VC）、類胡蘿卜素（Car）等，酶促抗氧化系統(tǒng)主要包括CAT、SOD、過(guò)氧化物酶（POD）、APX、單脫氫抗壞血酸還原酶（MDHAR）和脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR）等（李格等，2018；劉聰?shù)龋?019）。

非生物脅迫下，植物體內(nèi)的VC作為非酶促抗氧化系統(tǒng)的一員，會(huì)在植物體內(nèi)大量積累，一方面以還原劑的形式直接與ROS反應(yīng)后清除ROS，另一方面可作為酶的底物在ROS清除中起重要作用（郭明欣等，2021）。而谷胱甘肽主要以GSH和氧化型谷胱甘肽（GSSG）2種形式存在，其中有活性的GSH約占90%，GSH以H2O2還原的再循環(huán)中間物形式存在，H2O2接受以GSH為中介的NADPH電子還原成H2O，從而清除H2O2（Lu，2000；汪寬鴻等，2021）。此外，AsA可直接與1O2、和H2O2等ROS反應(yīng)，清除猝滅1O2、·OH及歧化H2O2，如APX以AsA為底物，催化H2O2分解成無(wú)毒的H2O和O2，AsA氧化時(shí)形成單脫氫抗壞血酸（MDHA），MDHA進(jìn)一步氧化形成脫氫抗壞血酸（DHA）。

2.2 非生物脅迫下植物體內(nèi)MG的分解代謝

MG作為光合作用、糖酵解、葡萄糖氧化、蛋白質(zhì)糖基化和脂質(zhì)過(guò)氧化的副產(chǎn)物，是生命系統(tǒng)中自發(fā)的、不可避免的結(jié)果（王月等，2018）。由于MG的雙重作用，在正常生理?xiàng)l件下，植物體內(nèi)的MG含量維持在較低的無(wú)毒生理水平，但當(dāng)植物處于非生物脅迫時(shí)，植物體內(nèi)的MG含量會(huì)迅速增加2～6倍（Yadav et al.，2005），成為植物對(duì)非生物脅迫的響應(yīng)信號(hào)。為了維持體內(nèi)MG的動(dòng)態(tài)平衡，植物進(jìn)化出乙二醛酶系統(tǒng)和非乙二醛酶系統(tǒng)2種脫毒機(jī)制，其中，乙二醛酶系統(tǒng)承擔(dān)了植物體內(nèi)99%的MG脫毒作用（王月等，2018；Mostofa et al.，2018）。

乙二醛酶系統(tǒng)也可稱之為MG脫毒系統(tǒng)，包括乙二醛酶I（Gly I）、乙二醛酶II（Gly II）、乙二醛酶III（Gly III）和GSH（圖3），共同構(gòu)成2條分解代謝途徑。（1）依賴于GSH的乙二醛酶途徑：Gly I以GSH為輔因子，將MG和GSH自發(fā)形成的半硫代縮醛（HTA）轉(zhuǎn)化為S-D-乳酰谷胱甘肽（SLG），SLG再經(jīng)Gly II水解后形成D-乳酸，同時(shí)再生GSH，這是植物體內(nèi)MG降解的主要途徑，Gly I活性會(huì)直接影響MG的濃度，是MG分解過(guò)程中的關(guān)鍵酶（Rabbani and Thornalley，2012；Li，2016）。（2）不依賴GSH的乙二醛酶途徑：與Gly I和Gly II不同的是，植物體內(nèi)的Gly III可直接將MG轉(zhuǎn)變?yōu)镈-乳酸，不需要GSH參與，這為植物體內(nèi)MG的降解提供了更短的途徑（Ghosh et al.，2016）。乙二醛酶系統(tǒng)不僅可清除植物體內(nèi)過(guò)量的MG，還可通過(guò)調(diào)節(jié)GSH的再生來(lái)維持細(xì)胞的氧化還原平衡，這在植物感受、響應(yīng)和適應(yīng)非生物脅迫中發(fā)揮了重要作用。

非乙二醛酶系統(tǒng)主要包括醛糖/醛還原酶（ALR）、MG還原酶/脫氫酶（MGR/MGDH）和醛酮還原酶（AKR）3種酶，在正常生理?xiàng)l件下，非乙二醛酶系統(tǒng)僅可清除1%的MG，只有乙二醛酶系統(tǒng)受阻，該系統(tǒng)才發(fā)揮重要作用（Li，2016）。非乙二醛酶系統(tǒng)共包括3條途徑：（1）ALR催化MG形成丙酮酸；（2）MGR或MGDH以還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）為輔助因子，可直接將MG還原成乳醛；（3）AKR以NADPH為輔助因子，可直接將MG還原成相 應(yīng)的醇（Simpson et al.，2009；Yamauchi et al.，2010）。無(wú)論是乙二醛酶系統(tǒng)，還是非乙二醛酶系統(tǒng)，在降解MG過(guò)程中產(chǎn)生的丙酮酸最后均可進(jìn)入三羧酸循環(huán)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的氧化還原平衡和能量代謝。

2.3 非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS和MG分解代謝間的關(guān)系

由于ROS和MG具有雙重作用，故其在植物體內(nèi)的濃度受嚴(yán)格調(diào)控，這種調(diào)控主要靠其合成代謝和分解代謝來(lái)實(shí)現(xiàn)。抗氧化防御系統(tǒng)是植物體內(nèi)清除ROS的主要途徑，乙二醛酶系統(tǒng)是植物體內(nèi)清除MG的主要途徑，植物體內(nèi)這2條途徑的唯一交叉點(diǎn)是GSH（圖3）。谷胱甘肽是廣泛存在于植物體內(nèi)的生物活性非蛋白硫醇化合物，其在細(xì)胞中的含量一般維持在0.5～10.0 mmol/L，其結(jié)構(gòu)含有游離的巰基，具有較強(qiáng)的供電子或質(zhì)子氫的能力，可作為抗氧化酶的輔因子和水相的抗氧化劑（王瑋瑋等，2014）。GSH在植物對(duì)逆境脅迫的抵抗上具有重要作用，如ROS清除過(guò)程中，H2O2等ROS可被GSH還原，經(jīng)GR催化GSH被氧化為GSSG，為ROS的清除提供還原力，還可維持細(xì)胞內(nèi)GSH/GSSG比率（Carmel-Harel and Storz，2000），從而形成一種氧化還原循環(huán)。同時(shí)，GSH還可作為輔因子參與植物體內(nèi)MG的清除，Gly I和Gly II共同作用可將MG轉(zhuǎn)化為D-乳酸，同時(shí)伴隨著GSH的再生，可見(jiàn)，乙二醛酶系統(tǒng)不僅清除了過(guò)量的MG以保持其穩(wěn)態(tài)，還可調(diào)節(jié)GSH的再生及維持細(xì)胞中的氧化還原平衡（葉芯妤等，2019），乙二醛酶系統(tǒng)再生的GSH可進(jìn)入AsA–GSH循環(huán)系統(tǒng)，在GR、DHAR、APX等一系列的AsA–GSH循環(huán)酶協(xié)同作用下清除過(guò)量的H2O2，維持細(xì)胞的氧化還原平衡（葉芯妤等，2019）。

植物在生長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)化出了多種方式來(lái)應(yīng)對(duì)非生物脅迫，其中GSH和GSSG組成的GSH/GSSG途徑在植物的信號(hào)傳導(dǎo)和耐逆中發(fā)揮重要作用，GSH/GSSG作為植物細(xì)胞中最豐富的氧化還原對(duì)之一，不僅是信號(hào)傳遞中的氧化形式和還原形式的電子載體，還可維持細(xì)胞內(nèi)的氧化還原狀態(tài)（汪寬鴻等，2021）。故植物細(xì)胞通過(guò)抗氧化系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)的協(xié)同作用，在保持MG和ROS穩(wěn)態(tài)的同時(shí)，還可調(diào)控細(xì)胞內(nèi)GSH/GSSG、AsA/DHA、NADPH/NADP+及NADH/NAD+比值，維持植物細(xì)胞的能量代謝、氧化還原平衡和細(xì)胞代謝穩(wěn)態(tài)，這也可能是抗氧化系統(tǒng)和/或乙二醛酶系統(tǒng)提高植物耐逆性的主要原因之一（葉芯妤等，2019）。

3 不同非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS和MG代謝間的調(diào)節(jié)情況

3.1 干旱脅迫

在全球氣候變暖背景下，干旱脅迫已成為全球范圍內(nèi)的重大氣候問(wèn)題之一，具有發(fā)生頻率高、影響范圍廣、后續(xù)影響大及持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，并呈常態(tài)化發(fā)展趨勢(shì)。干旱脅迫造成的經(jīng)濟(jì)損失占各類自然災(zāi)害總損失之首（樊利華等，2019）。當(dāng)干旱脅迫發(fā)生時(shí)，植物葉片氣孔關(guān)閉限制CO2的攝取，導(dǎo)致光呼吸過(guò)程中的電子傳遞受阻，光能利用失衡、光合速率降低及葉綠體光化學(xué)發(fā)生改變，在PSII反應(yīng)中心附近的O2可能產(chǎn)生1O2。此外，在QA和QB轉(zhuǎn)移電子過(guò)程中，O2可通過(guò)Mehler反應(yīng)在PSI或PSII處形成，隨后被CuZn–SOD和Mn–SOD催化成H2O2（Noctor et al.，2014），因此，干旱脅迫可誘導(dǎo)氧化脅迫、MG脅迫和滲透脅迫，而抗氧化系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)活力的增強(qiáng)及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累是植物耐旱的重要策略（周志豪等，2017）。表1列舉了不同植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)情況，如Nahar等（2015a，2017）以綠豆幼苗為試驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫會(huì)破壞植物體內(nèi)的ROS和MG代謝平衡，使細(xì)胞內(nèi)H2O2、、MDA和MG含量增加，脂質(zhì)過(guò)氧化程度加重，造成氧化脅迫和MG脅迫，而外源施用精胺和GSH可提高干旱脅迫過(guò)程中的AsA和GSH含量及提高SOD、CAT、APX、GR、GPX、GST、MDHAR和DHAR活性，減少細(xì)胞內(nèi)H2O2、和MDA的積累，減弱脂質(zhì)過(guò)氧化程度，降低內(nèi)源MG含量，促進(jìn)Gly I和Gly II活性升高，從而提高綠豆幼苗的耐旱性。前人以油菜幼苗為材料，經(jīng)干旱脅迫處理后，發(fā)現(xiàn)油菜葉片內(nèi)的MDA和H2O2含量急劇增加，GSSG含量顯著升高，CAT、MDHAR和Gly II活性降低，GST活性升高；外源噴施茉莉酸可顯著提高葉片內(nèi)GPX、GR和DHAR活性以及Gly I和Gly II 2種乙二醛酶活性（Alam et al.，2014）；而二氧化硅處理可通過(guò)提高干旱脅迫下幼苗中的抗氧化劑（GSH和AsA）含量和AsA—GSH循環(huán)酶（APX、GR、GST、DHAR和MDHARH）活性，減少H2O2和MDA的積累，同時(shí)增加乙二醛酶系統(tǒng)中Gly I和Gly II活性（Hasanuzzaman et al.，2018a）；Hasanuzzaman和Fujita（2011）通過(guò)外源施用硒酸鈉也可對(duì)抗氧化防御系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)起到一定的調(diào)控作用，繼而增強(qiáng)油菜幼苗的耐旱性。Hossain等（2013）在芥菜上、Hasanuzzaman等（2018b）在小麥上、Ghosh和Islam（2016）在大豆上均得到相似研究結(jié)果，說(shuō)明抗氧化系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)在化學(xué)引發(fā)誘導(dǎo)的植物耐逆性方面起重要作用。前人對(duì)于ROS和MG代謝機(jī)制的研究多集中于葉片，而根系作為感受干旱脅迫的原初部位具有比地上部（葉片）更敏感的反饋機(jī)制，故今后科研工作者可開(kāi)展干旱脅迫下植物根系內(nèi)ROS和MG代謝機(jī)制的研究。

表1 干旱脅迫下植物體內(nèi)乙二醛酶系統(tǒng)和相關(guān)抗氧化防御系統(tǒng)的調(diào)節(jié)Table 1 Regulation of the glyoxalase system and associated antioxidant defense system in plants under drought stress

3.2 溫度脅迫

植物生長(zhǎng)發(fā)育的最低溫度、最適溫度和最高溫度統(tǒng)稱為“溫度三基點(diǎn)”，環(huán)境溫度低于植物最低溫度或高于最高溫度均會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生有害效應(yīng)，稱為低溫脅迫或高溫脅迫。極端溫度常會(huì)引起植物一系列生理生化水平的變化，植物遭遇低溫脅迫后會(huì)出現(xiàn)水分狀況、光合作用、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)、新陳代謝和呼吸作用等生理過(guò)程的紊亂，光合系統(tǒng)中的過(guò)剩激發(fā)能量會(huì)導(dǎo)致光氧化和光抑制發(fā)生，葉綠體膜脂質(zhì)過(guò)氧化作用增強(qiáng)，胡蘿卜素、葉綠素和葉黃素發(fā)生降解（Wang et al.，2008）。而高溫脅迫也會(huì)影響到植物的光合系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在PSII的光化學(xué)效率降低，電子傳遞被抑制造成大量光能剩余，從而形成大量的活性自由基，導(dǎo)致細(xì)胞膜透性發(fā)生改變，膜脂過(guò)氧化，對(duì)植物造成傷害（Allakhverdiev et al.，2008）。極端溫度脅迫除了會(huì)造成氧化脅迫外，還會(huì)同時(shí)誘發(fā)MG的超積累，產(chǎn)生MG脅迫（Hasanuzzaman et al.，2013）。

植物通過(guò)ROS和MG脫毒系統(tǒng)活力的增強(qiáng)提高了植物抵抗極端溫度脅迫的耐性（表2），如低溫脅迫可增強(qiáng)茶芽中的脂質(zhì)過(guò)氧化和提高M(jìn)G含量，而外源施用脯氨酸和甜菜堿可降低Gly I和Gly II活性，從而減少細(xì)胞內(nèi)MG含量，提高其對(duì)低溫的耐性（Kumar and Yadav，2009）。綠豆幼苗經(jīng)6℃處理2和3 d后，葉片細(xì)胞內(nèi)的DHAR、MDHAR、CAT和Gly II活性降低，導(dǎo)致酶促抗氧化防御系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)遭到破壞，發(fā)生氧化脅迫和MG脅迫，而外源噴施亞精 胺 可 促 進(jìn)AsA和GSH含 量 增 加 及APX、GR、DHAR、MDHAR、CAT和GPX抗氧化酶活性升高，加快ROS的清除，減弱脂質(zhì)過(guò)氧化程度；同時(shí)Gly I和Gly II活性升高顯著減少了細(xì)胞內(nèi)的MG含量（Nahar et al.，2015d）。Goulas等（2006）以擬南芥、Chen等（2013）以洋蔥、Lee等（2009）以水稻為試驗(yàn)材料，采用蛋白組學(xué)手段進(jìn)一步證實(shí)了MG脫毒系統(tǒng)與植物耐冷性的形成有關(guān)。榕樹(shù)幼苗經(jīng)35和40℃脅迫處理48 h后，葉片內(nèi)的ROS和MG代謝平衡被打破，而外源施用表油菜素內(nèi)酯可有效維持榕樹(shù)葉片細(xì)胞的穩(wěn)定性，減輕氧化脅迫和MG脅迫對(duì)葉片造成的損傷（Jin et al.，2016）。高溫脅迫下，綠豆幼苗經(jīng)外源GSH處理后，細(xì)胞內(nèi)的CAT、APX、GR、GST、DHAR、GPX、MDHAR、Gly I和Gly II活性顯著升高，從而提高幼苗對(duì)高溫脅迫的抵抗能力（Nahar et al.，2015b）；同樣，精胺在提高綠豆耐高溫脅迫方面具有相同的研究結(jié)果（Nahar et al.，2017）。Hasanuzzaman等（2012b）在小麥、Mostofa等（2014）在水稻方面也進(jìn)行了高溫脅迫研究，并通過(guò)外源施用硝普鈉、亞精胺來(lái)提高小麥和水稻的耐熱性。同樣，低溫和高溫脅迫可刺激水稻幼苗中的Gly I和Gly II基因表達(dá)，提高Gly I和Gly II活性，繼而提高幼苗的耐冷性和耐熱性（Yadav et al.，2005）。

表2 溫度脅迫下植物體內(nèi)乙二醛酶系統(tǒng)和相關(guān)抗氧化防御系統(tǒng)的調(diào)節(jié)Table 2 Regulation of the glyoxalase system and associated antioxidant defense system in plants under tmeperature stress

3.3 鹽、堿或鹽堿脅迫

根據(jù)土壤的電導(dǎo)率（EC）、堿化度（ESP）和pH可將鹽堿土壤分為3種類型：鹽土、堿土（蘇打土）和鹽堿土，一般認(rèn)為，土壤的EC＞4、pH＜8.5、ESP＜15.0是中性鹽土壤，主要成分是NaCl和Na2SO4，有時(shí)還含有相當(dāng)數(shù)量的Ca2+和Mg2+，由中性鹽土壤對(duì)植物造成的傷害稱之為鹽脅迫。表3列舉了部分鹽脅迫對(duì)植物造成的損傷情況，如綠豆幼苗外源施用脯氨酸、甜菜堿、腐胺、亞精胺和精胺獨(dú)立或組合處理，均可不同程度地激活抗氧化酶系統(tǒng)（AsA和GSH含量及GST、GPX和GR活性）和乙二醛酶系統(tǒng)（Gly I和Gly II），從而降低植物氧化脅迫和MG脅迫，提高綠豆幼苗的耐鹽性（Hossain and Fujita，2010；Hasanuzzaman et al.，2011a；Nahar et al.，2015c）。在油菜（Hossain et al.，2013；Hasanuzzaman et al.，2014b）、小麥（Hasanuzzaman et al.，2011b）和水稻（El-Shabrawi et al.，2010；Hasanuzzaman et al.，2014a；Mostofa et al.，2015a，2015b；Rahman et al.，2016d）上也得到了相似研究結(jié)果。El-Shabrawi等（2010）以不同類型的水稻為試驗(yàn)材料，經(jīng)轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，與鹽敏感品種相比，耐鹽品種具有較高的Gly I和Gly II活性及較低的內(nèi)源MG含量。相反地，Gly II突變體的擬南芥幼苗對(duì)鹽脅迫十分敏感，而Gly II超表達(dá)則提高了擬南芥的耐鹽性，這也進(jìn)一步支持了Gly II在耐鹽性中的作用（Devanathan et al.，2014）。

表3 鹽脅迫下植物體內(nèi)乙二醛酶系統(tǒng)和相關(guān)抗氧化防御系統(tǒng)的調(diào)節(jié)Table 3 Regulation of the glyoxalase system and associated antioxidant defense system in plants under salt stress

土壤的EC＜4、pH＞8.5、ESP＞15.0是堿性鹽土壤，主要成分是Na2CO3和NaHCO3，由堿性鹽土壤對(duì)植物造成的傷害稱之為堿脅迫，堿脅迫破壞了植物細(xì)胞中已形成的各種離子的平衡狀態(tài)，影響K+和Ca2+等離子在細(xì)胞內(nèi)的分布，嚴(yán)重影響世界范圍內(nèi)的作物生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。中性鹽和堿性鹽同時(shí)引起的脅迫稱之為鹽堿脅迫。在自然界中，土壤的鹽化和堿化相伴而生，已有研究表明，鹽脅迫包括滲透脅迫和離子毒害，而堿脅迫不僅包括滲透脅迫和離子毒害，還包括pH脅迫，所以堿脅迫對(duì)植物的傷害遠(yuǎn)大于鹽脅迫（Wang et al.，2003）。預(yù)計(jì)到2050年，我國(guó)50%以上的耕地均會(huì)發(fā)生鹽堿化，這將嚴(yán)重威脅著糧食產(chǎn)量和土地利用率（Wang et al.，2003）。通常情況下，鹽、堿或鹽堿脅迫對(duì)植物的損傷可概括如下：一是造成滲透反應(yīng)和水分脅迫，植物可通過(guò)根部的激素信號(hào)傳導(dǎo)途徑來(lái)調(diào)控生物量；二是產(chǎn)生脫水反應(yīng)和氧化脅迫，鹽離子可大量地儲(chǔ)存在細(xì)胞質(zhì)中，造成滲透脅迫形成生理性干旱，進(jìn)而促進(jìn)ROS產(chǎn)生，ROS與多種亞油酸和不飽和脂肪酸反應(yīng)，引起脂質(zhì)過(guò)氧化作用，破壞細(xì)胞完整性，影響次生代謝產(chǎn)物（Wang et al.，2003）；三是堿或鹽堿脅迫會(huì)降低土壤滲透勢(shì)，使根際土壤pH升高，Mg2+、Ca2+、Fe2+等金屬離子沉積，阻礙植物對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收，造成植物體嚴(yán)重營(yíng)養(yǎng)脅迫，進(jìn)而干擾植物體內(nèi)的各種代謝活動(dòng)（王佺珍等，2017）。鹽、堿或鹽堿脅迫作為影響植物種子萌發(fā)、植物生長(zhǎng)和發(fā)育的重要非生物因子之一，可導(dǎo)致植物發(fā)生氧化脅迫、MG脅迫、滲透脅迫等，而植物耐鹽性的形成常與抗氧化系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)活力的增強(qiáng)及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累密切相關(guān)（Li，2016）。

3.4 重金屬脅迫

土壤和水源中的重金屬會(huì)對(duì)植物造成重金屬脅迫或重金屬污染，如鋅、鉻、銅、鉛、鎳、鈷、汞等（梁志樂(lè)等，2022）。這是因?yàn)橹亟饘龠M(jìn)入植物體內(nèi)會(huì)破壞ROS產(chǎn)生和清除之間的平衡，造成細(xì)胞內(nèi)ROS局部積聚，一方面造成膜脂的過(guò)氧化作用，使生物膜的完整性遭到破壞；另一方面氧化應(yīng)激會(huì)抑制光合作用，葉綠體膜系統(tǒng)被嚴(yán)重?fù)p傷，使葉片出現(xiàn)光合降低甚至萎蔫死亡的現(xiàn)象。伴隨著氧化應(yīng)激的發(fā)生，植物細(xì)胞內(nèi)的MG含量劇增，導(dǎo)致植物再次受到MG脅迫的損傷。

氧化脅迫和MG脅迫是重金屬毒害植物的主要原因，植物遭受重金屬脅迫后體內(nèi)會(huì)發(fā)生DNA損傷、蛋白質(zhì)氧化、酶失活及脂質(zhì)過(guò)氧化已是不爭(zhēng)的事實(shí)，這已在綠豆（Hossain et al.，2010；Nahar et al.，2016a，2016b；Mostofa et al.，2018）、油菜（Hasanuzzaman et al.，2012a）和 水 稻（Mostofa and Fujita，2013；Mostofa et al.，2015a；Rahman et al.，2016a，2016b，2016c）上得到了證明（表4）?；瘜W(xué)引發(fā)作為提高植物耐逆性的重要手段，在重金屬脅迫下，綠豆幼苗分別用脯氨酸、甜菜堿、腐胺、硝普酸鈉、精胺或亞精胺處理，均可不同程度地提高幼苗體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)（CAT、APX、GR、GST、MDHAR、DHAR、AsA和GSH）和乙二醛酶系統(tǒng)（Gly I和Gly II）活力，降低ROS（H2O2和）和MG的積累，提高其對(duì)重金屬脅迫的抵抗能力（Hossain et al.，2010；Mostofa et al.，2015a；Nahar et al.，2016a，2016b；Mostofa et al.，2018）。在油菜幼苗中，硒酸鈉處理可提高鎘脅迫下幼苗體內(nèi)的CAT、APX、GR、GPX、GST、DHAR和MDHAR抗氧化酶活性，減少細(xì)胞內(nèi)MDA和H2O2含量，同時(shí)Gly I和Gly II活性升高導(dǎo)致MG含量降低，避免氧化脅迫和MG脅迫發(fā)生，繼而提高幼苗對(duì)鎘脅迫的抵抗能力（Hasanuzzaman et al.，2012a）。同樣，外源施用水楊酸和海藻糖可有效地保護(hù)水稻幼苗免受銅脅迫危害（Mostofa and Fujita，2013；Mostofa et al.，2015a）；再者，Ca2+處理可降低水稻幼苗對(duì)鎘和砷的吸收，提高SOD、CAT、GST、DHAR和MDHAR氧化酶及Gly I和Gly II乙二醛酶的活性，從而減少ROS和MG在體內(nèi)的過(guò)量積累，最終提高幼苗的重金屬鎘脅迫耐性（Rahman et al.，2016a）。Rahman等（2016b）外源施用適量的硫酸錳也得到了相似結(jié)果。Li等（2017，2018）通過(guò)外源噴施適宜濃度的MG處理小麥幼苗，發(fā)現(xiàn)MG處理可提高鎘脅迫下幼苗體內(nèi)的SOD、CAT、POD、APX、GR活性及抗氧化劑（AsA和GSH）含量，緩解鎘脅迫下H2O2、、MDA和MG的積累，從而改善小麥幼苗的生長(zhǎng)狀況，說(shuō)明適宜濃度的MG可能作為信號(hào)分子調(diào)控了植物重金屬耐性的獲得。此外，重金屬脅迫和氧化脅迫可誘導(dǎo)水稻幼苗中Gly I和Gly II的基因表達(dá)，降低內(nèi)源MG含量，進(jìn)而提高水稻的脅迫耐性（Yadav et al.，2005）。

表4 重金屬脅迫下植物體內(nèi)乙二醛酶系統(tǒng)和相關(guān)抗氧化防御系統(tǒng)的調(diào)節(jié)Table 4 Regulation of the glyoxalase system and associated antioxidant defense system in plants under heavy metal stress

4 展望

非生物脅迫下，植物細(xì)胞內(nèi)會(huì)大量積累ROS和MG，導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生氧化損傷，嚴(yán)重影響植物的分布、生長(zhǎng)、發(fā)育、品質(zhì)和產(chǎn)量形成，甚至是植物生存。伴隨著生理生化、分子生物學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)等手段的快速發(fā)展，近年來(lái)對(duì)ROS和MG代謝的研究已揭示了抗氧化防御系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)在植物響應(yīng)、感受和適應(yīng)非生物脅迫中發(fā)揮的重要作用。有關(guān)非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS和MG代謝間的關(guān)系、抗氧化系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)調(diào)控植物細(xì)胞內(nèi)ROS和MG的穩(wěn)態(tài)及氧化還原平衡的作用，在今后研究植物非生物脅迫耐受性中可從以下方面加強(qiáng)探索。

4.1 植物體內(nèi)MG的信號(hào)作用

MG與NO、H2S、Ca2+、H2O2等信號(hào)分子相似，具有雙重作用，高濃度的MG會(huì)破壞生物大分子物質(zhì)，導(dǎo)致羰基脅迫（類似于ROS引發(fā)的氧化脅迫）；而低濃度的MG作為一種新型信號(hào)分子，在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育、種子萌發(fā)、繁殖等多種生理過(guò)程和耐逆性形成中具有重要作用，尤其是在植物耐逆性形成中與其他信號(hào)分子的確切交互作用仍有待探討。首先應(yīng)該準(zhǔn)確測(cè)定亞細(xì)胞或細(xì)胞中的MG含量，其專一性的活體和離體定量方法，尤其是熒光法急需探索；其次是MG可引發(fā)蛋白質(zhì)的糖基化，這些糖基化的蛋白質(zhì)是否是MG的受體還需進(jìn)一步證實(shí)；再者隨著組學(xué)的快速發(fā)展，利用單組學(xué)（轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)或代謝組學(xué)）或多組學(xué)結(jié)合的方法，需進(jìn)一步闡明MG合成代謝和分解代謝及其誘導(dǎo)的植物耐逆性形成的分子機(jī)制。

4.2 乙二醛酶系統(tǒng)響應(yīng)非生物脅迫的機(jī)理

植物為了生存進(jìn)化出多種行之有效的脫毒機(jī)制，其中，抗氧化系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)在植物非生物脅迫方面的研究已有上百年歷史，但兩者間關(guān)系的研究進(jìn)展一直較緩慢，尤其是抗氧化系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)如何協(xié)同作用共同調(diào)控植物細(xì)胞內(nèi)ROS和MG穩(wěn)態(tài)及氧化還原平衡，仍需深入研究其機(jī)理；正常生長(zhǎng)環(huán)境或非生物脅迫環(huán)境下，植物如何引發(fā)MG信號(hào)與NO、H2S、Ca2+、H2O2、植物激素等其他信號(hào)進(jìn)行交互作用，其交互作用過(guò)程又如何激活乙二醛酶系統(tǒng)的基因表達(dá)和活性，其機(jī)理也尚未明確。

4.3 乙二醛酶系統(tǒng)耐逆基因工程的開(kāi)發(fā)

乙二醛酶系統(tǒng)在植物響應(yīng)和適應(yīng)非生物脅迫中具有重要作用已是不爭(zhēng)的事實(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是組學(xué)的發(fā)展，如何利用生物信息學(xué)手段進(jìn)一步闡明乙二醛酶系統(tǒng)在植物耐逆脅迫中的新作用，特別是在植物感受、響應(yīng)和適應(yīng)非生物脅迫方面尤為突出，由于乙二醛酶系統(tǒng)Gly I、Gly II和Gly III的基因已被定位和克隆，構(gòu)建過(guò)表達(dá)載體較容易，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展乙二醛酶系統(tǒng)耐逆基因工程也取得較大進(jìn)展，而過(guò)表達(dá)乙二醛酶基因的轉(zhuǎn)基因植物具有較高的乙二醛酶活性和抗氧化劑水平，有助于保持細(xì)胞內(nèi)MG的穩(wěn)態(tài)平衡，可有效防止過(guò)量的MG積累所誘發(fā)的細(xì)胞損傷，發(fā)揮MG的信號(hào)作用，如何獲得具有多重耐性的乙二醛酶系統(tǒng)轉(zhuǎn)基因植物，尤其是轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物是目前亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。