全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第5期
2010年5月
Vol. 22, No. 5
May, 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)05-0482-05
收稿日期：2009-11-12；修回日期：2010-03-03
基金项目：国家自然科学基金项目(30570152；30871297)
*通讯作者：E-mail：shangzhonglin@hebtu.edu.cn
活性氧在气孔运动中的作用
王灵敏， 尚忠林*
（河北师范大学生命科学学院， 石家庄050016）
摘　要：水分代谢是植物基础代谢的重要组成部分，气孔开关精细地调节着植物水分散失和光合作用。
气孔运动受到多种因子的调控，保卫细胞内大量的第二信使分子是响应外界刺激、调节保卫细胞代谢方
式、改变保卫细胞水势进而引起气孔开关的重要功能组分。细胞内的活性氧就是其中重要的成员之一。
保卫细胞中的活性氧包括过氧化氢、超氧阴离子自由基和羟自由基等，这些活性氧可以通过光合作用、
呼吸作用产生或通过专门的酶催化合成，在触发下游生理反应、完成信号转导后由专门的酶将其清除。
在植物激素(脱落酸、水杨酸)、一氧化氮、质外体钙调素、细胞外 A T P 等因子调节气孔运动的过程
中，活性氧都发挥了介导作用。该文对于近年来活性氧在气孔运动过程中发挥的作用方面的研究进展进
行了综述。
关键词：活性氧；保卫细胞；细胞信号转导
中图分类号：Q945.1; Q942.5 文献标识码：A
The role of reactive oxygen species in stomatal movement
WANG Ling-min, SHANG Zhong-lin*
(College of Life Science, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050016, China)
Abstract: Water metabolism is an important part of plant metabolism. Stomatal opening and closing modulate
water loss and photosynthesis. Stomatal movement is regulated by many factors. Secondary messengers in
guard cells are important signal transduction components, which respond to extracellular stimuli, modulating
intracellular metabolism, regulating water potential and finally triggering stomatal movement. Reactive oxygen
species (ROS) is one of these secondary messengers. There are three kinds of reactive oxygen species in guard
cells: H2O2, superoxide and HO·. These ROS can be generated through photosynthetic or respiratory pathway,
or be synthesized by special enzymes. Reactive oxygen species play a key role in stomatal movement, which are
triggered by phytohormone (abscisic acid, salicylic acid), NO, apoplastic calmodulin, extracellular ATP, etc. In
this paper, research progress about the role of ROS in stomatal movement was reviewed.
Key words: reactive oxygen species; guard cell; cell signal transduction
气孔运动在植物水分代谢调控中发挥重要作
用，与植物的基础代谢和逆境生理密切相关，多种
理化因素(如光、植物激素、温度等)直接或间接调
节保卫细胞水势，通过改变保卫细胞膨压调节气孔
大小。当保卫细胞吸收糖、K + 及其他阴离子后，
细胞渗透势增加，引起水分进入保卫细胞，细胞体
积膨胀，气孔随即开放；相反，当 K + 和其他阴离
子等从保卫细胞流出，细胞内可溶性糖含量减少
时，细胞渗透势减小，水分从保卫细胞流出，细
胞体积缩小，气孔随后关闭[1 ]。
一般认为，气孔开闭过程中信号转导的基本途
径是：当外界信号(如干旱刺激)作用于保卫细胞
时，首先被保卫细胞质膜上的受体(如G 蛋白)所感
受，然后通过跨膜信号转换影响细胞膜上一些关键
483第5期 王灵敏，等：活性氧在气孔运动中的作用
蛋白的活性，影响跨膜离子流动或者刺激细胞内第
二信使的产生，然后由胞内第二信使进一步激活离
子通道(主要为K+通道)和细胞内某些结构蛋白(如细
胞骨架蛋白)或功能蛋白(如催化糖代谢的水解酶
等)，通过影响细胞代谢状况、调节细胞质水势来
调控气孔的运动。
在气孔运动过程中，细胞内钙离子、胞质 pH
和关键蛋白的磷酸化等三条互相独立的信号途径对
K+ 和阴离子通道进行调控，使气孔灵活地响应各种
环境的刺激[2]。随着人们对气孔运动机制的研究不
断深入，参与调控气孔运动信号转导过程的新成员
不断被发现，活性氧即为其中重要的一类。
1　保卫细胞中活性氧的产生及清除机制
活性氧(reactive oxygen species，ROS)是指机
体内或者自然环境中由氧组成、含氧并且性质活泼
的物质的总称，主要包括：一种激发态的氧分子，
即一重态氧分子或称单线态氧分子(1O2); 三种含氧自
由基，即超氧阴离子自由基(O2·-)、羟自由基(HO·)
和氢过氧自由基(HO2·); 两种过氧化物，即过氧化氢
(H2O2)和过氧化脂质(ROOH); 含氮氧化物(NO、
ONOO H 和 ONOO -)等[3 , 4 ]。目前的研究结果显示，
参与保卫细胞内信号转导的活性氧主要包括过氧化
氢、超氧阴离子自由基和羟自由基三类。
1.1　活性氧的产生
高等植物叶绿体光合电子传递链PSI的受体端
存在大量的自动氧化酶类，能够通过米勒反应将氧
还原成超氧化物(如O2-)。这些超氧化物或参与PSI
电子循环，或从类囊体腔扩散至基质膜表面，在那
里超氧根阴离子可通过超氧化物岐化酶(SOD)歧化成
H2O2 和 O2，也可以通过Fenton或 Haber-Weiss反应
产生OH- 和 O2。在强光处理的类囊体及完整的叶绿
体中，超氧化物和H2O2 同样可由PSII 产生[5,6]。
在线粒体的电子传递过程中，位于呼吸链底物
端的一些物质诸如黄素蛋白、非血红素铁蛋白、醌
或是半醌等发生氧化还原的能障低，可以直接启动
O2 的单电子还原，产生O2-。产生的O2- 在 SOD 的
催化作用下歧化成H2O2。在电子传递给末端氧化酶
之前漏出呼吸链与氧反应生成超氧自由基的过程是
线粒体产生ROS 的主要来源[7]。
此外，植物过氧化物酶体中的光呼吸反应也能
产生活性氧。在过氧化物酶体内，乙醇酸氧化酶将
乙醇酸氧化为乙醛酸和 H2O2[8]。
NADPH 氧化酶(NO X)是高等动、植物细胞中
参与活性氧产生的最为重要的酶类之一。该酶首先
发现于中性粒细胞和巨噬细胞中，后来在不同种类
的细胞中发现了多种同源蛋白，并被命名为 NOX
蛋白家族。NOX 分子大致可以分为N 端的疏水跨膜
区和C端的黄素蛋白结合区两个大的结构域，其氨基
酸个数介于564~747，这些蛋白质均有6 个跨膜区，
分子中的保守区与NADPH、FAD 的结合有关[9]，大
部分 NOX 蛋白的 N 末端都有 2~4 个 EF 手型结构，
可以与钙离子结合，钙离子与 NOX 的结合对于酶
的激活是必要的[10]。
植物细胞中的 N A D P H 氧化酶被称为 R B O H
(respiratory burst oxidase homolog)，它可能有六个
跨膜域，在其 N 端有两个 EF 的手型结构。NADPH
氧化酶活性与其N端的Ser-82和Ser-97有密切关系，
Kobayashi 等[10]发现，这两个丝氨酸残基可以被钙
离子依赖的蛋白激酶(calcium-dependent protein
kinase, CDPK)磷酸化，从而激活酶活性，外界刺
激可激活质膜上的钙通道，增加胞内钙离子的含
量，从而导致了氧化爆发，可能的机制是钙离子一
方面直接与RBOH 的 EF 手型结构结合(图1)，另一
方面激活CDPK，使Ser-82 和 Ser-97位点磷酸化，
这两方面的作用使得NADPH 氧化酶活性迅速增加，
产生大量活性氧[10,11]。在植物中已经确定了NADPH
氧化酶几种同族体，例如：拟南芥中有10 种[12-14]，
水稻中有1 种[15]，番茄中有2 种[16]。
1.2　活性氧的清除
正常情况下，植物体内不断产生的活性氧可由
机体内活性氧分解酶以及多种生物抗氧化剂组成的
活性氧防御体系所清除，使活性氧的产生和清除保
图1 NADPH氧化酶的结构和活性调节机制[10]
484 生命科学 第22卷
持在一种动态平衡状态，保护机体正常的细胞组织
免受攻击和破坏。
酶促清除系统中，起主要作用的是超氧化物歧
化酶( S O D ) 、过氧化氢酶( C A T ) 、过氧化物酶
(POD)、抗坏血酸/ 谷胱甘肽循环酶系统、谷胱甘
肽过氧化物酶系统、硫氧还蛋白系统等[4,17,18]。酶
系统不仅在ROS大量产生时起作用，而且还可以对
某些由活性氧引起的损伤进行挽救性修复，主要包
括以下三个方面：(1)还原二硫键以修复被活性氧损
伤的蛋白；( 2 ) 通过酶系统修复被活性氧损伤的
DNA，最大程度地保护遗传信息的完整性；(3)通
过谷胱甘肽过氧化物酶修复脂肪酸过氧化物，进一
步修复膜系统[19]。
非酶促清除系统主要是指植物体内所含的抗氧
化物质，包括抗坏血酸、维生素 E 、甘露醇及还
原型谷胱甘肽等。这些物质既可以直接对活性氧起
作用，也可作为酶的底物在活性氧的清除过程中发
挥作用。研究表明，抗坏血酸和谷胱甘肽参与了植
物细胞中抗氧化剂的再生过程，在清除活性氧过程
中，抗坏血酸被氧化成单脱氢抗坏血酸，而还原型
谷胱甘肽则作为还原剂参与抗坏血酸的再生，而产
生的氧化型谷胱甘肽可以通过谷胱甘肽还原酶被还
原[20]。抗坏血酸是植物体内的非酶类自由基清除
剂，它能有效地清除 O 2 - 和 H 2O 2，并提高 SOD 和
POD 的活性。当抗坏血酸不足时，过量的 H2O 2 能
使 P O D 很快失活，从而失去保护功能。
2　活性氧对保卫细胞气孔运动的调控作用
保卫细胞活性氧信号转导近年来受到人们越来
越多的关注，McAinsh等[21]早在 1996年就报道了外
源H2O2 能引起蚕豆保卫细胞气孔关闭。近年来，越
来越多的实验结果显示，作为第二信使的ROS 广泛
参与了各种刺激因素诱导的气孔运动，表明活性氧
产生是气孔运动的信号转导过程中重要的环节之一。
2.1　ROS 与 ABA
脱落酸(ABA)是植物生长发育过程中重要的信使
分子，参与了干旱、高温、冷冻、盐胁迫等多种
逆境胁迫的信号转导过程[22]，其中ABA介导的气孔
关闭过程对于减少水分丧失、抵御不良环境的侵害
起到了关键作用，在 ABA 诱导气孔关闭的过程中，
ROS 充当着重要的第二信使[23]。
ABA 可直接作用于叶绿体膜上的电子传递系统
或通过质膜上的 NADPH 氧化酶，诱导胞内 H2O2 的
产生，而后由H2O2 激活质膜或者液泡膜上的Ca2+ 通
道，促使胞外Ca2+ 内流或胞内钙库释放，导致细胞
内钙离子([Ca2+]cyt)升高；H2O2 还可以引起胞质碱
化，[Ca2+]cyt和pH值的升高激活了胞内蛋白激酶/蛋
白磷酸酶系统，并使细胞质膜去极化，从而激活了
质膜上阴离子通道和 K+ 外流通道，钝化了内向 K+
通道，最终促使保卫细胞水势升高、失水萎缩，诱
导气孔关闭[24,25]。在 NADPH 氧化酶D亚基和F亚基
基因缺失突变体中，ABA 诱导气孔关闭的作用几乎
全部被阻断[15]，这一证据充分说明了 NADPH 氧化
酶催化的ROS 合成参与了ABA促进气孔关闭的信号
转导过程。
An 等[26]报道 H2O2 还可以由另一种途径合成。
在蚕豆的保卫细胞中，外源ABA可激活非原质体的
铜胺氧化酶(copper amine oxidase, CuAO)活性，CuAO
作用于多胺类物质(主要是腐胺)，引起H2O2和[Ca2+]cyt
的增加，并最终引起气孔关闭。这个过程可以被
CuA O 的抑制剂所缓解。
2.2　ROS 与 NO
近年来，NO 作为第二信号分子参与保卫细胞
ABA 信号转导过程己有陆续报道。ABA 能作用于一
氧化氮合酶(NOS)和硝酸还原酶(NR)，促进NO 的
产生，NO参与了ABA促进气孔关闭的过程[27]。Yan
等[28]利用蚕豆进行的研究表明，ROS 和 NO 不仅参
与 ABA 促进气孔关闭的过程，在 ABA 抑制气孔开
放的过程中也同样发挥作用，外加NOS 的抑制剂可
以消除ABA 对气孔开放的抑制作用，NOS 的抑制剂
也可以消除H2O2 对气孔开放的抑制作用，这就表明
在 ABA 诱导的抑制气孔开放过程中，NO 是在 H2O2
的下游发挥信使作用的。在此之前，一些实验结果
也显示，在绿豆和蚕豆的保卫细胞中H2O2 通过改变
NOS 的活性促进了 NO 的合成[29,30]。
2.3　ROS 与 SA
水杨酸(salicylic acid，SA)在植物体内有多种生
理调节作用，如抑制乙烯的生物合成、改变膜通透
性、促进离子吸收、增强植物的抗病性等。一些
研究显示，某些病原菌可以通过开放的气孔侵入植
物体内，而 SA 可诱导气孔关闭，有利于阻止病原
菌进入植物体内，提高植物对这些病原菌的抗性。
以蚕豆为材料的实验结果显示，水杨酸诱导了
气孔关闭过程，反应程度与 SA 浓度相关，低浓度
(1~1 000 µmol/L)SA诱导的气孔关闭可以重新开放，
高浓度的SA(10-2 mol/L)则导致不可逆的气孔关闭。
485第5期 王灵敏，等：活性氧在气孔运动中的作用
N A D P H 氧化酶抑制剂二亚苯基碘可削弱 SA 的作
用，表明SA 诱导的气孔关闭可能与H2O2 的产生有
关，推测SA 可能通过促进质膜NADPH 氧化酶产生
O2-，膜外的 O2- 被 SO D 迅速歧化为 H2O 2，通过质
膜在胞内或胞间运输进入胞体内，从而诱导气孔关
闭[31]。
2.4　ROS 与质外体钙调素
Chen 等[32]以蚕豆为材料，发现细胞外钙调素
(CaM)能显著促进气孔关闭、抑制气孔开放。试验
结果显示细胞外CaM能够促进细胞内钙离子浓度升
高，进而激活 NADPH 氧化酶，导致 H2O2 增加，升
高的H2O2 可能通过影响保卫细胞质膜离子通道活性
引起下游反应，最后引起气孔关闭。在 NADPH 氧
化酶基因缺失突变体中，质外体钙调素诱导的气孔
关闭反应被大大削弱，表明ROS合成可能是质外体
钙调素信号转导中重要的环节之一[33]。
2.5　ROS 与细胞外ATP
近年来的研究表明，ATP 可以分泌到细胞外并
广泛存在于动、植物细胞的胞外基质之中，细胞外
ATP(extracellular ATP，eATP)作为细胞外信使分子
调节动植物生长发育及抗逆反应。已经发现ROS在
eATP 信号转导中发挥重要作用，ATP 可以通过质
膜上的NADPH 氧化酶诱导过氧化物(O2-)积累，在
NADPH 氧化酶缺失突变体中，eATP 处理不能引起
O2- 的积累[34]。外加ATP 和 ADP 显著激活拟南芥根
表皮细胞质膜上超极化激活的电压依赖性钙通道，
钙信号会作用于质膜上的 NADPH 氧化酶，借助活
性氧影响细胞的代谢反应[35,36]。
最近，我们利用拟南芥和蚕豆为材料，检测
了eATP 对于气孔运动的影响，结果显示0.1~0.2
mol/L ATP 能够促进保卫细胞活性氧积累，并显著
促进气孔开放。NADP H 氧化酶基因缺失突变体材
料中，eATP 不能影响气孔运动，细胞内活性氧也
不能积累。这一结果显示，NADP H 氧化酶很可能
参与了ATP促进气孔开放的信号转导过程(待发表资
料) 。
目前已经有一些证据显示活性氧在气孔运动过
程中发挥调节作用。无论是气孔开放还是气孔关闭
过程中都有ROS参与的证据，调节气孔运动的因素
引发的ROS 变化有何规律、不同因素引起的ROS 在
种类和浓度变化上有何区别、ROS 如何调控下游的
生理反应等都是需要重点研究解决的问题，这些有
待于今后进一步研究。通过生理和遗传分析以及分
子生物学手段的应用，人们对活性氧在植物气孔运
动中的作用的认识将会更加深入。
[参　考　文　献]
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