非生物胁迫对药用植物活性氧代谢影响的研究进展

王 斌，张腾霄，刘超群，祖余洋，李艳芳，孟祥才

（1. 绥化学院 食品与制药工程学院，黑龙江 绥化 152061；2. 黑龙江中医药大学 药学院，黑龙江 哈尔滨 150040 ）

植物生长过程中极易受到逆境胁迫，主要包括生物胁迫和非生物胁迫。生物胁迫主要有病害和虫害；非生物胁迫主要有来源于干旱、温度、水分、养分、盐、化学药剂和重金属的胁迫。研究表明，植物对逆境胁迫响应的内在主要表现为活性氧（ROS）迸发，它也是植物应对非生物胁迫的主要调控者[1-2]。很多药材道地产区位于物种整个分布区边缘，说明环境胁迫对药材质量形成的作用[3]，植物在胁迫条件下次生代谢产物增多，以提高植物自身保护和生存竞争能力。药用植物是人类几千年来用于治病、防病的植物，其药效物质基础是次级代谢产物。通过对ROS来源、功能、清除，以及干旱、盐、温度、外源物质胁迫对药用植物ROS 代谢进行的影响研究，有助于深入研究药用植物抵抗逆境胁迫的分子机制，揭示和验证ROS 促进道地药材质量形成理论，为改良其抗逆性、培育新品种提供理论参考。

1 植物中ROS 的产生及清除

1.1 来源

ROS 是一类化学性质活泼、氧化能力很强的含氧物质总称。叶绿体、线粒体和过氧化物等均产生ROS，线粒体是主要产生部位。植物中的ROS 主要包括、·OH、H2O2，由于种类不同，其来源和特点有所不同，见表1。

表1 植物中主要ROS 种类、来源及特点Tab. 1 Main species, sources and characteristics of ROS in plants

1.2 生理功能

适当浓度ROS 作为第二信使，参与植物细胞壁形成、植物细胞形态建成和极性生长过程、种子萌发过程、刺激植保素合成、介导生长素调节、气孔运动调节等生长发育调节，还能与其它信号分子相互作用，在非生物胁迫下提高植物抗逆性[5]，触发或介导Ca2+、NO、促细胞分裂原活化蛋白激酶（MAPK）、胁迫激素如水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和乙烯等信号转导途径，形成一个信号转导反应网络，使植物对环境胁迫进行内在积极响应。

1.3 危害

植物持续受到逆境胁迫时，细胞内ROS 的产生和清除平衡系统被打破，细胞内过量ROS 对蛋白质、核酸和脂质等生物大分子造成损伤，影响细胞正常生理生化功能，导致细胞损伤和死亡。

1.4 ROS 清除

植物体内ROS 清除系统主要包括酶促清除系统和非酶促清除系统，见表2。由于植物体自身存在清除 ROS 系统，清除系统彼此协调，在一定范围内维持体内ROS 平衡，共同防御ROS 对植物的伤害。近年来研究发现，药用植物中的次生代谢物（非酶促清除系统）如类黄酮、多酚、生物碱等均能响应抗逆机制，参与ROS 的清除，在协助植物适应逆境的同时，次生代谢产物也得到积累，提高了药材质量[6]。

表2 植物体内ROS 清除系统Tab. 2 ROS removal system in plants

2 环境胁迫对药用植物ROS 代谢影响

植物在逆境中产生较多ROS，为避免多余ROS的伤害，植物启动反馈机制增加酶促清除系统及非酶促清除系统活性，消除体内多余的ROS。植物体内ROS 清除酶活性因种类不同存在明显差异，通过对植物体内O2-·产生速率、植物体内H2O2含量、对植物膜脂过氧化程度、对植物抗氧化酶活性的影响来反应ROS 清除酶活性。

2.1 干旱胁迫对ROS 代谢影响

干旱胁迫对植物的伤害位居非生物胁迫首位，干旱胁迫下产生大量ROS，严重影响植物生长发育。但干旱条件下ROS 与其它信号分子之间关键作用机制尚不明确[11]。不同植物对干旱胁迫响应有较大差异，研究表明，干旱胁迫后，植物体内ROS 含量增高，同时，植物体内的酶促清除系统迅速启动，各抗氧化酶活性随着干旱胁迫时间的改变而不断发生变化。干旱胁迫对药用植物ROS 代谢影响，见表3。

表3 干旱胁迫对药用植物ROS 代谢影响Tab. 3 Effect of drought stress on ROS metabolism in medicinal plants

2.2 盐胁迫对ROS 代谢影响

盐胁迫破坏了植物体内渗透压和离子平衡，产生多余的ROS 对植物机体造成伤害。研究表明，植物耐盐是多基因参与、多途径诱导的过程，包括渗透调节、离子选择性吸收和离子区域化作用、改变光合作用、ROS 清除、提高抗氧化酶类活性、增强抗氧化代谢水平等[17]。盐胁迫对药用植物活影响研究相对较少，研究表明盐胁迫后，植物体内ROS 增加，抗氧化酶活性增强，在一定范围内有效降低了过量ROS 对植物的损害，具体研究见表4。

表4 盐胁迫对药用植物ROS 代谢影响Tab. 4 Effect of salt stress on ROS metabolism in medicinal plants

2.3 温度胁迫对ROS 代谢影响

高温胁迫使植物细胞内积累大量ROS，抗氧化酶活性在高温胁迫初期增强，随胁迫时间延长急剧下降，温度对药用植物ROS 代谢的影响见表5。

表5 温度胁迫对药用植物ROS 代谢影响Tab. 5 Effect of temperature stress on ROS metabolism in medicinal plants

研究表明[26-28]，在一定温度范围内，植物次生代谢产物积累量随温度升高而增加，次生代谢产物协助酶促清除系统，共同消除多余的ROS，从而减轻了高温胁迫下ROS 对植物的损伤。

3 外源物质胁迫对ROS 代谢影响

植物逆境胁迫中较多因子参与了抗逆作用，如植物激素、RNA、蛋白质或多肽以及小分子代谢物、钙离子、渗透调节物质、ROS清除系统以及蛋白质[29]，但许多研究仅停留在抗逆相关基因或蛋白层面上，具体作用机制仍需进一步研究。外源物质对药用植物ROS 代谢影响研究相对较多，通过添加适宜浓度的外源物质，能提高植物体内抗氧化酶活性，抵御非生物胁迫产生过量ROS 对植物的伤害。外源物质对药用植物ROS 代谢影响见表6。

表6 外源物质对药用植物ROS 代谢影响Tab. 6 Effect of exogenous substances on ROS metabolism in medicinal plants

4 次生代谢产物对ROS 代谢的影响

次生代谢产物作为药用植物重要的活性成分，是植物适应逆境的产物，在植物抗逆中发挥了重要作用。研究表明，不同浓度H2O2处理黄芩根，SOD、POD、CAT 活性下降，次级代谢物黄酮类化合物含量提高，与抗氧化酶协同抗氧化[34]。高温处理五味子[26]、黄芩[27]、防风[28]，其体内的抗氧化酶活性下降，但次级代谢产物含量却增高，说明次级代谢产物与抗氧化物酶共同参与ROS 的清除。

5 讨论

ROS 与一系列信号转导过程相关联，调控植物生长发育并对外界胁迫进行内在响应。研究表明，在抵御不良环境因素方面植物次生代谢产物起到重要作用[35]。在一定逆境条件下，含量相对较低的ROS，能够使抗氧化酶发挥较大的抗氧化作用。当植物体内ROS 过度积累，打破其平衡时，植物会产生多种次生代谢产物来应对逆境胁迫。ROS 从基因表达、酶活性、酶促反应等影响植物次生代谢过程。由此可见，ROS 是环境因子作用的直接产物，ROS 失衡是药用植物次生代谢或异常代谢的物质基础。而药材质量及有效性的物质基础是植物次生代谢产物，应根据环境对药材质量形成的本质认识，从仿生角度干预药用植物代谢，提高次生代谢产物的量，为道地药材质量形成机制研究及提高栽培药材质量提供新思路[36]。

6 结论

植物在逆境胁迫下多种信号分子的改变都与ROS变化密切关联。植物在逆境条件下首先产生ROS，激活各反应通路，次级代谢产物与抗氧化物酶共同参与ROS 的清除。有关ROS 与药用植物次级代谢产物间的关系还应整合植物代谢组、基因组、转录组、蛋白组、表型组等其它组学，更好地阐明药用植物次级代谢产物的合成机制，深入研究ROS 促进道地药材质量形成理论，人为调控构建目标化合物合成，为有效开展药用植物的品质调控及种质改良提供依据。