全 文 ：·综述与专论· 2012年第6期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期 : 2011-11-09
基金项目 : 河北自然基金项目（C110205）, 河北省社科基金项目（HB10ISH127）
作者简介 : 郝兆丰 , 硕士 , 副教授 , 研究方向 : 资源学 ; E-mail: bfxyhzf@163.com
异柠檬酸脱氢酶在植物抗氧化胁迫中的作用
郝兆丰 袁进成 刘颖慧
（河北北方学院，张家口 075000）
摘 要： 异柠檬酸脱氢酶（ICDH）是连接 C-N代谢酶的关键，它催化三羧酸循环（TCA）中的异柠檬酸氧化脱羧形成 α-酮
戊二酸的可逆反应。ICDH的另一个重要功能是产生细胞质中的 NADPH，NADPH在细胞中无处不在，介导许多氧化还原反应，并
影响到几乎所有的代谢途径，涉及植物体内的 活性氧（ROS）的生产和消耗，因此是传递胁迫信号的中转站。综述异柠檬酸脱氢
酶在植物抗氧化胁迫中的作用，便于更好地理解 ICDH在氧化胁迫中的信号传递和化学反应中所起的作用，为抗逆分子育种服务。
关键词： 异柠檬酸脱氢酶 氧化胁迫 NADPH 活性氧
Role of Isocitrate Dehydrogenase on Oxidative Stress in Plants
Hao Zhaofeng Yuan Jincheng Liu Yinghui
（Hebei North University，Zhangjiakou 075000）
Abstract: NAD-dependent isocitrate dehydrogenase（ICDH） is believed to be a key regulatory step of the TCA cycle due to its low
extractable activity and its regulation by key metabolites such as NADPH. ICDH is hypothesized to have a key function in the biosynthesis of
amino acids and in the export of amino acids. In addition, NADP-ICDH may have an important role in the supply of NADPH to the cytosol. Thus
the function of NADP-ICDH might be associated with a supply of NADPH to the glutathione reductase/glutathione peroxidase antioxidative
system in the cytosol for detoxification of H2O2. This paper reviews the oxidative stress role of ICDH in plants, for a better understanding ICDH in
the oxidative signal transduction in stress resistance and chemical reactions.
Key words: Isoeitrate dehydronase Oxidative stress NADPH ROS
植物在自然界中常常受到诸多不利环境因素的
影响，在逆境下植物自身会产生复杂的生物学响应
来感知逆境胁迫信号，然后通过信号转导来调节细
胞内抗逆相关蛋白的表达，进而调整自身的状态来
适应不利环境。研究植物抗胁迫相关蛋白的理化性
质及生物学功能，认识抗胁迫蛋白的作用机理，筛
选重要的抗性相关蛋白，对认识植物的抗逆机理以
及指导植物抗胁迫品种的选择和培育等都有重要的
意义［1］。异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase，
ICDH）是植物中的一个较重要的酶，是三羧酸循环
中比较重要的和有调控意义的限速酶。该酶的结构
和定位，以及在 TCA 循环中的作用已有较多的研究
报道。但是，近期越来越多的研究发现，它在应答
多种逆境胁迫中起重要作用，由此也引发了人们对
其在抗氧化胁迫反应作用的高度重视。
1 植物中的异檬酸脱氢酶
C-N 循环在植物的生长和发育中起重要的作
用，在植物中，无机氮的同化开始于从 C 新陈代谢
产生的碳化合物，而异柠檬酸脱氢酶是连接 C-N 代
谢关键的酶，它催化异柠檬酸氧化脱羧形成 α-酮戊
二酸（2-OG）的可逆反应。植物体内至少有 4 种形
式的异柠檬酸脱氢酶，其中只有 NAD+- 依赖型异柠
檬酸脱氢酶（NAD-ICDH，Ec1.1.1.41）是核编码的
酶。ICDH 具有明显的别构酶特性，在三羧酸循环
中负责催化异柠檬酸氧化脱羧成 α-酮戊二酸，并将
NAD+ 还原成 NADPH，因此它是三羧酸循环中最重
要的和最有调控意义的限速酶。此外，NAD-ICDH
还参与植物体内的氮代谢、乙醛酸循环等多种生化
2012年第6期 33郝兆丰等 ：异柠檬酸脱氢酶在植物抗氧化胁迫中的作用
代谢途径，并且还是某些线粒体基因转录本的结合
蛋白，具有调控线粒体基因翻译的能力［2］。异柠檬
酸脱氢酶广泛存在于真核生物各个细胞器，如叶绿
体、线粒体、过氧化物酶体及胞质中。真核生物中
的 ICDH 主要参与三羧酸循环，负责催化异柠檬酸
氧化脱羧形成 α-酮戊二酸，并将氧化型 NAD 还原成
还原型 NADPH，ICDH 在三羧酸循环中起着重要的
作用。三羧酸循环作为能量代谢的重要途径，能够
提供远比糖酵解大得多的能量，对生物体的生命活
动起着重要的作用，三羧酸循环不仅仅是糖代谢的
重要途径，也是脂质、蛋白质和核酸代谢最终氧化
成二氧化碳和水的重要途径。因 ICDH 是三羧酸循
环的限速酶（图 1），因此其活性对生物体的整个生
命代谢都有很大影响。
（圆圈所指位置为 ICDH）
图 1 ICDH在植物代谢途径中所处的地位
2 异柠檬酸脱氢酶的作用
植物中的异柠檬酸脱氢酶主要存在细胞质中。
Chen［3］报道在烟草的细胞质中 ICDH 的活性大约占
95%，在线粒体和过氧化体中能检测到少量（大约
5%）ICDH 的酶活性［3， 4］。ICDH 通过三羧酸循环为
细胞质提供 2-OG（α-酮戊二酸），2-OG 可作为一个
吸收 NH3 的受体，ICDH 在合成以及向细胞外运输
氨基酸中都起重要的作用［5］。同时 ICDH 还有其他
的重要功能 ：如涉及到 N 的代谢，氨基酸的吸收，
降解脂肪和脂肪酸等［3， 4］。ICDH 的另一个重要功
能是产生细胞质中的 NADPH ［5］。NADPH 是谷胱甘
肽还原酶和硫氧还蛋白还原酶的重要辅酶，而谷胱
甘肽和硫氧还蛋白在清除因各种胁迫而产生的自由
氧（ROS）中起重要的作用［6， 7］。ICDH 利用 NAD+
和 NADP+ 产生 NADPH 和 NADPH，许多学者认为
ICDH 是产生 NADPH 的主要来源，ICDH 和生物的
ROS 清除密切相关。因此，ICDH 会在植物抗氧化
胁迫反应中起重要的作用，细胞质的 ICDH 可能涉
及到植物产生谷胱甘肽（GSH）需要的 NADPH 来
抵抗氧化胁迫的。
3 植物中的异檬酸脱氢酶参与抗氧化胁迫的
分子生物学进展
以前，人们对异柠檬酸脱氢酶的研究重点集中
在该酶在 C 的同化和 N 的吸收关系中以及该酶的活
性部位。ICDH 的活性可以在植物的各个组织部位以
及发育阶段检测到［2， 4， 8］，通过 N 和 C 同位素饲喂
烟草，研究 ICDH在C-N循环中的作用等。研究表明，
ICDH 在不同的部位表达量不同，因为 NADP-ICDH
是细胞质中一个可以提供 C 的骨架从而促进 N 吸收
的主要酶，所以在许多植物的根中能够检测到高的
ICDH 表达。最近通过 arry/chip 建立差减文库等技术
分析生物在逆境条件下基因的表达谱，在多种植物
中均发现 ICDH 基因可以应答多种逆境胁迫，尤其
是高盐或者干旱所引起的氧化胁迫，所以该基因可
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第6期34
能在抗氧化胁迫中起一定的作用，自此，该基因在
抗氧化胁迫中的作用得到了充分的重视［9， 10］。
在小麦、水稻和大豆等多种作物中受到外界的
胁迫后，ICDH 基因高表达。如在大豆的结节处，水
分胁迫 ICDH 表达量提高，合成 NADPH 的能力提高，
NADPH 的生成对生成 ASC-GSH 循环中的抗水分胁
迫造成的氧化胁迫比较重要［10， 11］。在小麦高盐处理
情况下研究基因的表达谱发现 ICDH 的表达量提高
10 余倍。也曾将玉米中的 ICDH 基因转化到拟南芥
去，发现转基因拟南芥的耐盐性大大提高［12］。
植物在遭受一些非生物胁迫以及离子毒害时，
如干旱、盐、Ca 处理，镍等重金属离子处理时
ICDH 活性也会增加［13， 14］。Valderrama 等［15］曾经用
不同浓度的 NaCl 处理橄榄树叶片，结果显示在盐胁
迫的条件下，ICDH 的活性在橄榄树的叶子中可以提
高 30%-50%，表明 NADP-ICDH 在保护细胞抵御离
子胁迫中有重要的作用。Marino［9］用干旱胁迫、高
离子浓度的盐溶液以及低温（4℃）处理小麦的叶片，
发现 ICDH 的转录本比对照分别提高 1-5 倍。同时，
外界的机械损伤也诱导 ICDH 的转录本急剧提高，
比对照高 6 倍。ICDH 受胁迫诱导表达不仅转录本会
提高，而且酶活性也会提高，如 Marino 和 Deneke ［9， 14］
分别用不同浓度的盐处理蚕豆和水稻的叶片，发现
ICDH 酶活性是明显提高的。因此保护细胞免受逆境
因子的胁迫可能是 ICDH 的一个重要的生物学功能。
4 异檬酸脱氢酶参与抗氧化胁迫的作用机理
以上说明 ICDH 在保护植物免受外界胁迫所
引起的氧化胁迫中起重要的作用。干旱及盐等非
生物胁迫都会在植物体内聚集并产生大量的自由
氧（ROS），而 ROS 会促进细胞的氧化胁迫［16］。
NADPH 在清除氧代谢途径中的合成代谢中是质子
的主要供体［17］，作为一个产生 NADPH 的主要酶，
ICDH 的功能十分重要［18］。在真核生物中 ICDH 在
TCA 循环中起重要的抗氧化胁迫作用［17， 18］。 Jo 等［18］
的研究表明，NADP-ICDH 在维持线粒体氧化还原
平衡以及抗氧化中也起主要的作用 ；Lee 等［19］的研
究也表明 ICDH 在细胞质的抗氧化胁迫中起至关重
要的作用。Mhamdi 等［20］从拟南芥中获得 3 个缺失
ICDH 基因的突变体，在正常的生长状态下缺失基因
的突变体与野生型的表型无明显差异，而在氧化胁
迫的情况下在突变体中积累的氧化胁迫产物如谷胱
甘肽等要比野生型植株多，突变体使氧化胁迫相关
基因的表达量提高，所有的结果都表明显然该基因
在参与抗氧化胁迫代谢中有作用。Mhamdi 等［20］用
病毒侵染拟南芥野生型和突变体，结果表明 ICDH
在病毒诱导的氧化胁迫反应中也起作用。上述研究
表明，虽然是不同原因所诱导的氧化胁迫反应，但
ICDH 在胁迫中最终起的作用相同。Gordon［21］在烟
草中转化一个 mtICDH，选取基因高表达的烟草（7
倍的表达），测定氧化还原酶的活性发现包括 POD
和 SOD 等酶活性都是提高的，当植物饲喂柠檬酸喂
时，在转基因株系中，氧化还原酶转化成它的还原
形式，这些数据支持这一假设 mtICDH 可能是一个
调节三羧酸循环氧化还原酶活性通量的开关。对氧
化和还原酶的交替激活来达到抗氧化的作用。
非生物胁迫使生物体产生自由氧，增加了细胞
中的游离铵的含量，铵参与了谷氨酰胺合成酶 / 谷
氨酸合成酶（GS/GOGAT）代谢途径，而 ICDH 为该
途径提供了必须的 2-OG（图 2），可以减少一些游
离铵等对植物的毒害。NAD（P）在细胞中无处不在，
介导许多氧化还原反应，并影响到几乎所有的代谢
途径［17， 22］。此外，它还涉及植物体内的 活性氧（ROS）
的生产和消费，因此是信号传递的中转站。ROS 的
产生受在叶绿体和线粒体中 NADPH/NADP 比值以及
NAD（P）H 氧化酶是在细胞膜中的活性的影响［23］。
ICDH 是催化 NADPH 产生的重要代谢途径，因此，
各种胁迫使生物体产生自由氧（ROS），增加了细胞中的游离铵的含量，
ICDH 为铵代谢提供了必须的 2-OG 与 NADPH，从而减少游离铵对植
物的毒害作用。
图 2 ICDH在胁迫条件下的作用和地位
2012年第6期 35郝兆丰等 ：异柠檬酸脱氢酶在植物抗氧化胁迫中的作用
ICDH 在植物中的积累是各种生物和非生物胁迫的
反应都普遍可能涉及的生物化学和转录过程，至于
ICDH 在抗其他逆境胁迫中的作用和途径以及在植物
抗逆育种中的作用还需要深入研究。
参 考 文 献
［1］ Kaur N, GuPta AK. Signal transduction pathways under abioties
tresses in plants. Curr Sci, 2005, 88: 1771-1780.
［2］ Anderson SL, Minard K, MeAlister-Henn L. All osterie inhibition
of NAD+-speelfie isoeitratedehydronase byamiroehon-drialm RNA.
Bioehemistry, 2000, 39（19）：5623-5629.
［3］ Chen R, Le Marechal P, Vida1 J, et al. Purification and comparative
properties of the cytosolic isocitrate dehydrogenases （NADP） from
pea （Pisum sativum） roots and green leaves. Eur J Biochem, 1988,
175: 565-572.
［4］ Chen F, Yuan Y, Li Q, He Z. Proteomic analysis of rice plasma
membrane reveals proteins involved in early defense response to
bacterial blight. Proteomics, 2007, 7: 1529-1539.
［5］ Fait A, Fromm H, Dirk W, et al. Highway or byway: the metabolic
role of the GABA shunt in plants. Trends Plant Sci, 2008, 13:14-19.
［6］ Kirsch M, De Groot H. NAD（P）H, a directly operating antio-
xidant?. FASEB J, 2001, 15: 1569-1574.
［7］ Nakamura H. Thioredoxin and its related molecules. Antioxid Redox
Signal, 2005, 7: 823-828.
［8］ Shelp BJ, Bown AW, McLean MD. Metabolism and functions of
γ-aminobutyric acid. Trends Plant Sci, 1999, 4:446-452.
［9］ Marino EM, González PF, Alain P, Cesar A. NADPH recycling
systems in oxidative stressed pea nodules:a key role for the NADP+-
dependent isocitrate dehydrogenase. Planta, 2007, 225: 413-421.
［10］ Leterrier M, Del Río LA, Corpas FJ. Cytosolic NADP-isocitrate
dehydrogenase of pea plants: genomic clone characterization and
functional analysis under abiotic stress conditions. Free Radic Res,
2007, 41（2）: 191-199.
［11］ Moller IM. Plant mitochondria and oxidative stress: electron
transport, NADPH turnover, and metabolism of reactive oxygen
species. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Bio, 2001, 52:561-591.
［12］ Liu YH, Shi YS, Song YC, et al. Characterization of a stressinduced
NADP-isocitrat dehydrogenase gene in maize confers salt toleranc
in Arabidopsis. J Plant Biol, 2010, 53: 107-112.
［13］ Noctor G, Queval G, Gakiere B. NAD（P） synthesis and pyridine
nucleotide cycling in plants and their potential importance in stress
conditions. J Exp Bot, 2006, 57:1603-1620.
［14］ Noctor G. Metabolic signalling in defence and stress: the central
roles of soluble redox couples. Plant Cell Environ, 2006, 29: 409-
425.
［15］ Valderrama R, Corpas FJ, Carreras A, et al. The dehydrogenase-
mediated recycling of NADPH is a key antioxidant system against
salt-induced oxidative stress in olive plants. Plant Cell Environ,
2006, 29: 1449-59.
［16］ Nohzadeh Malakshah S, Habibi Rezaei M, Heidari M, Salekdeh GH.
Proteomics reveals new salt responsive proteins associated with rice
plasma membrane. Biosci Biotechnol Biochem, 2007, 71（9）:2144-
2154.
［17］ JO SH, Lee SH, Chun HS, et al. Cellular defence against UVB-
induced phototoxicity by cytosolic NADPz-dependent isocitrate
dehydrogenase. Biochem Biophys Res Commun, 2002, 292（2）:
542-549.
［18］ JO SH, Son MK, Koh HJ, et al. Control of mitochondrial redox bala-
nce and cellular defense against oxidative damage by mitochondrial
NADP+-dependent isocitrate dehydrogenase （IDPm）. J Biol Chem,
2001, 276（19）: 16168-16176.
［19］ Lee SM, Koh HJ, Park DC, et al. Cytosolic NADP+-dependent
isocitrate dehydrogenase status modulates oxidative damage to
cells. Free Radic Biol Med, 2002, 32: 1185-1196.
［20］ Mhamdi A, Mauve C, Gouia H, et al. Cytosolic NADP-dependent
isocitrate dehydrogenase contributes to redox homeostasis and the
regulation of pathogen responses in Arabidopsis leaves. Plant Cell
Environ, 2010, 33（7）:1112-23.
［21］ Gordon GR, Villarimo AR, Whitehead CL, McIntosh L. Transgenic
tobacco （Nicotiana tabacum L.） plants with increased expression
levels of mitochondrial NADP+-dependent isocitrate dehydrogenase.
Plant Cell Physiol, 2004, 45 （10）: 1413-1425.
［22］ Ouvrard O, Cellier F, Ferrare K, et al. Identification and expression
of water stress and abscisicacid regulated genes in a drought-
tolerant sunflower genotype. Plant Mol Bio, 1996, 14: 819-829.
［23］ Devaiah KM, Geetha B, Athmaram TN, Basha MS. Identification
of two new genes from drought tolerant peanut up-regulated in
response to drought. Plant Growth Regul, 2007, 52（3）:249-258.
（责任编辑 狄艳红）