全 文 ：武汉植物学研究 2001, 19 (4) : 332～ 344
J ourna l of W uhan B otan ica l Resea rch
植物过氧化物酶研究进展Ξ
田国忠1　李怀方2　裘维蕃 2
(1. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所, 北京　100091;
2. 中国农业大学植物保护学院植物病理系, 北京　100094)
关键词: 植物过氧化物酶; 酶结构; 分子生物学; 生理功能; 环境胁迫
　　中图分类号: Q 945　文献标识码: A 　文章编号: 10002470X (2001) 0420332213
Advances on Research of Plan t Perox idases
T IAN Guo2Zhong1, L I H uai2Fang2, 　Q IU W ei2Fan2　
(1. R esearch Institu te of F orest E nv ironm en t and P rotection , Ch inese A cad emy of F orestry , Beijing　100091, Ch ina;
2. Colleg e of P lan t S cience and T echnology , Ch ina A g ricu ltu ra l U n iversity , Beijing　100094, Ch ina)
Abstract: Studies on p lan t perox idases are review ed in th is paper, including
enzym e types and localiza t ion, mo lecu lar st ructu re, pu rif ica t ion and iden t if ica2
t ion and gene exp ression and regu la t ion rela ted to p lan t grow th, developm en t,
w ounding and pathogen infect ion etc. T he physio logica l funct ion s of perox ida2
ses in p lan t are a lso discu ssed, w h ich cover such as act ive oxygen m etabo lism ,
fo rm at ion of lign in and suberin, degradat ion of aux in, ox idat ion of o ther com 2
pounds and respon ses fo r variou s environm en ta l st resses, especia lly the
pathogen at tack.
Key words: P lan t perox idase; Enzym e structu re; M o lecu lar regu la t ion; Physi2
o logica l funct ion; Environm en ta l st ress
过氧化物酶[perox idase, POD , EC1. 11. 1. 7 (X ) ]是广泛存在于各种动物、植物和微
生物体内的一类氧化酶。催化由过氧化氢参与的各种还原剂的氧化反应: RH 2+ H 2O 2→
2H 2O + R。植物过氧化物酶的研究可追溯到 1809 年用愈创树脂为底物进行的颜色反应。
但直到一个世纪之后才开展此酶的分离和命名。已知的催化反应底物超过 200 种, 以及多
种过氧化物和辅助因子。迄今被研究最深入的应首推辣根过氧化物酶 (ho rserad ish pero2
x idase, HR P)。早在 1940 年, T ho rell 即用电泳方法从部分纯化的辣根组织中区分出 2 种Ξ 收稿日期: 2000210210, 修回日期: 2001201212。基金项目: 国家林业局森林保护学重点实验室基金和国家自然科学基金项目 (300706221)资助。
　　　作者简介: 田国忠 (1963- ) , 男, 副研究员, 博士。从事林木病毒和植原体病害研究。
不同的HR P, 之后此酶在植物正常和应激反应代谢中发挥重要作用而受到广泛关注, 并
对此酶进行了大量研究, 涉及酶的种类、等电点、氨基酸组成和序列、生理功能, 以及基因
表达和调控的分子机制等[1 4 ]。迄今此酶作为一种商品化试剂也广泛用于免疫组织化学、
电镜技术、酶联反应和免疫印迹等生物学研究, 并成为重要的诊断试剂。
1　植物 POD 的类型划分和组织定位
按不同的标准可将植物POD 划分成不同类型。根据等电点大小可分为酸性或阴离子
(p I< 710) 中性 (p I= 710) 和碱性或阳离子 (p I> 710) 3 种 POD [5, 6 ]; 根据催化底物特性可
分为愈创木酚 POD、谷胱甘肽 POD 和抗坏血酸 POD 等[7 ]; 根据植物来源不同可分为辣
根 POD、番茄 POD、花生 POD 等等; 根据结合状态可分为可溶态、离子结合态和共价结合
态 POD (或细胞壁结合态[8, 9 ]; 根据所分离酶的生理功能则可分之为木质素 POD、抗坏血
酸 POD、伸展蛋白 POD、NADH POD、IAA 氧化酶、酚氧化酶、细胞色素 POD 和谷胱甘
肽 POD 等; 根据表达方式可分为结构组或型 POD 和诱导表达型 POD , 其中应力诱导表
达 POD 的类型包括损伤诱导型 [10 12 ]、病菌诱导型[13, 14 ]、激素 (乙烯、ABA 等) 诱导
型[15 17 ]、温度、盐胁迫等诱导型[18 ]。从研究角度看, 近些年来多数涉及对阴离子、阳离子
和中性 POD 的不同分子特性、生理功能、血清学关系及基因表达调控的比较研究上[2, 4 ]。
不同种类的 POD 同工酶存在明显的组织和器官专化性, 其中抗坏血酸 POD 分别存
在于叶绿体和细胞质内, 二者在组成、结构、底物专化性亲和力及在纯化过程中的稳定性
上有差异。木质素 POD 多存在于细胞壁内, 许多 POD 可存在于细胞膜、细胞器、细胞质及
质外体内。根据其组织专化性常称为线粒体 POD、叶绿体 (类囊体) POD、液泡 POD、胞间
和胞内 POD 等[18, 19 ]。
2　POD 分子结构特点
POD 是一种由单一肽链与卟啉 (p ro topo rphyrin IX ) 构成的血红素蛋白 (hemop ro 2
tein) , 脱辅基蛋白分子 (apop ro tein)须与血红素结合才构成全酶 (ho loenzym e)。参与植物
POD 血红素的合成部位可能象动物一样是在线粒体上[3 ]。HR P 与氯 POD (ch lo roperox i2
dase) 的血红素在结构上存在差异。前者为咪唑轴配体 (im idazo l ax ia l ligand) , 带电荷和
极性结构, 有利于O - O 键的裂解, 相对较远的卟啉铁避免了氧代转移反应, 暴露的边缘
促进了电子转移反应; 而后者则为硫化轴配体 (th io la te ax ia l ligand) , 其活性反应特性介
于细胞色素 P2450 和HR P 之间[20 ]。但也发现细菌的氯 POD 不需卟啉和金属离子即可催
化产生抗真菌化合物 hypohalites 和 pereracet ic acid [21 ]。
多数植物 POD 能与碳水化合物结合成为糖基化蛋白, 而植物抗坏血酸 POD 和真菌
细胞色素 c POD 及高等动物 POD 则无碳水化合物成分。多数HR P 同工酶都含有 15%～
17% 的碳水化合物, 少数同工酶仅含有 7% 的碳水化合物。糖基化有避免蛋白酶降解和稳
定酶蛋白构象的功效[22 ]。糖基化发生位点在高尔基体上。糖基化碳水化合物的结构与相
同结构和特点的酶蛋白结合会产生类似同工酶现象[23 ]。
POD 蛋白的分子量约为 35 kD 左右, 约由 300 个左右氨基酸残基组成, 其中存在酸
碱催化域 (acidöbase cata lysis dom ain) 和血红素结合区域 ( ligand of hem e) [24 ] , 常含 8 个
半胱氨酸、2 个葡萄糖胺、约 8 个糖和 2～ 6 个糖基化位点、一个原高铁血红素 (p ro tohe2
333　第 4 期　　　　　　　　　　　　　　田国忠等: 植物过氧化物酶研究进展
m atin) 和 2 个钙离子、N 2端为吡咯烷酮碳酸、C2端为精氨酸。但抗坏血酸 POD 和细胞色
素 c POD 缺少相应的半胱氨酸残基。等电点范围在 p I 3. 5～ 10 之间。此酶钝化温度为
95～ 100℃, 时间 10 m in 以上, 在酶粗提液中 POD 的热钝化温度往往与加热时间呈为非
线性关系, 这与不同热稳定性的POD 存在有关[25 ]。某些同工酶在pH 10, 甚至个别同工酶
在pH 14 时仍具有 90% 的活性。从白腐菌 (P hanerochaete ch ry sosp orium )分离的去磷酸化
的木质素 POD 不影响以藜芦醇为底物的催化反应[26 ]。
从辣根分离的 POD 含有近 30 种同工酶 (或同型物) , 它们是由多个基因编码的。其中
培养的细胞中鉴定出至少有 5 个基因, 有 3 个基因定位于染色体上[1 ]。p sk 1、p sk 2 和 p sk 3
编码相同大小的肽链 (308 氨基酸残基 aa) , 氨基酸序列同源性为 91%～ 94% , 功能氨基
酸包括H is40, H is170, T yr185,A rg183及二硫键合的Cys 在这 3 种同工酶中是保守的, 但某些
糖基化位点有差别。p rx C1 和 p rx C2 串连在染色体DNA 上, 每一个基因由 4 个外显子和
3 个内含子组成[1 ]。p rx C2 和 p rx C3 分别编码 347 和 349 个 aa, p rx C 1a和 p rx C 2 的同源性
为 71% , 而 p rx C 1a和 p rx C 3 的同源性为 66% , 并且发现这些基因与从大肠杆菌和嗜热脂
肪芽胞杆菌 (B acillus stea rotherm op h ilus)的 p rx 同源性很低, 酵母细胞色素 c p rx 和基菌
木质素 p rx 与 HR P 的同源性也低于 30%。用 HR P cDNA 探针筛选出的拟南芥基因
p rx Ca 和 p rx Ea 也含有 4 个外显子和 3 个内含子, 其中 p rx Ea 基因的每个外显子长度与
p rx C 3 相同, 且有 89% 的氨基酸序列同源性。p rx Ca 与 p rx C 1b同源性达 91% , 二者的氨基
酸同源性为 64% , 其mRNA 的转录信号在根部被检测到, 而在茎和叶中则不存在[27 ]。
H ert ig 等[28 ]的研究显示, 从小麦上分离的诱导型 POD 基因有 2 个内含子, 2 个外显子编
码 312 个氨基酸的分子量为 32 382 的酶蛋白, 这 2 个内含子也存在于番茄和辣根 POD
基因的相似位置上; 而来源于真菌 (P haneroehaete ch ry sop orium )的木质素 POD 的 5 种同
工酶的N 2端氨基酸序列显示了不同基因表达产物[26 ]。
对培养的花生细胞阴离子和阳离子 POD 同工酶的氨基酸组成、血红素吸收谱、专化
酶活性、相对含量和血清学关系进行的分析比较显示, 二者的物理化学特性相近。2 种
POD 的抗血清存在交叉反应现象, 说明二者至少在结构上存在部分相似性[29 ]。比较抗坏
血酸 POD、细胞色素 c POD 和愈伤木酚 POD 的分子结构和催化特性可以发现, 3 种酶具
有类似的分子量, 都含有辅基 (p ro sthet ic group ) , 在近丝氨酸区域的序列同源性高。但从
Fe 含量和 EPR 光谱分析显示除了原卟啉外, 铁结合于氨基酸残基上而非硫上。具有不同
等电点、底物专化性和碳水化合物含量的HR P 和萝卜 POD 结构上仅有 49% 的同源
性[18 ] , 但在进化上与酵母细胞色素 c POD 基因具有相同的起源。有研究发现植物 POD
与动物 POD 有完全不同的蛋白折叠方式。比较不同植物 POD 时发现, 中性和碱性
HR Pc、萝卜酸性 POD、烟草酸性木质素 POD a、马铃薯块茎酸性木栓化 POD 和大麦中性
至碱性 POD 1 之间具有明显的同源性, 而且与真菌、酵母和细菌的 POD 也有同源
性[30, 31 ]。M iller 等[32 ]的研究结果显示豌豆胞质抗坏血酸 POD 与叶绿体抗坏血酸 POD 同
源性较低 (30% ) , 与其他典型 POD 也具有较低的同源性, 但与酵母细胞色素 c POD 有
40% 同源性, 与拟南芥胞质抗坏血酸 POD 有 79% 的同源性。
由于 POD 蛋白表面区域变化很大, 因而用不同来源的POD 或不同种类 POD 作为抗
原制备的抗血清进行的血清学反应出现很大差别[9 ]。用花生培养细胞的一种阳离子 POD
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制备的抗血清与其阴离子 POD 无交叉血清反应[33 ] , 与矮牵牛阴离子 POD 也无血清反
应[34 ]。有研究用同源抗血清处理 POD 可抑制其酶活性[29, 35, 36 ]。L ee 等[6 ]用阳离子 POD C3
和阴离子 POD A 3 抗血清与其它同工酶进行的比较结果显示, C1 和C3 有一致的免疫特
性, 而与阴离子A 1、A 2、A 3n和A 3 无免疫反应; A 2 与A 1 有部分免疫反应, 但与A 3n和A 3
无交叉反应, 说明他们为不同的免疫簇。另外, 许多研究采用抗血清对POD 进行组织免疫
定位研究[37, 38 ]。
3　酶的分离、纯化和鉴定
对于酶蛋白, POD 可以用常规酶抽提和纯化方法加以分离和纯化, 包括硫酸铵沉淀
或丙酮沉淀、透析、阴离子和阳离子交换柱层析、凝胶过滤、以及各种电泳技术分离和鉴
定。抽提用缓冲液多为磷酸盐、醋酸盐、T ris2C l 或 T ris2M es 缓冲液; pH 值范围在 515～
715 之间。抽提液中常加入二硫苏糖醇 (D T T )或 22疏基乙醇、抗坏血酸等抗氧化剂, 不溶
性聚乙烯吡咯烷酮可除酚类物质, 加入苯甲磺酰氟 (PM SF) 抑制蛋白降解, 用牛血清白蛋
白 (BSA )等稳定蛋白等[39 42 ]。但也有研究报道抗坏血酸、二硫苏糖醇 (D T T ) 和 22疏基乙
醇能钝化 POD 和破坏其肽链结构[43 ] , 其中, 抗坏血酸和D T T 可使韩国分离的HR P 裂解
产生 30 kD、23 kD 和 18 kD 的无活性的片段。80% 饱和度的硫酸铵足以沉淀植物组织中
的大部分 POD 酶蛋白, 丙酮沉淀法对 POD 酶活性影响也不大[44, 45 ]。羧甲基 (CM )纤维素
等阳离子交换剂和D EA E 纤维素等阴离子交换剂常被用来分离和纯化阳离子和阴离子
POD , Sephadex G 系列和 Sephacryl 系列凝胶过滤介质也被广泛用于 POD 的分离和纯
化[40, 46, 47 ] , 此外M ono s 柱, phenyl Supero se 等也被用于此酶的纯化。用伴刀豆凝集素A
(concanavalin A )柱与糖蛋白的亲合特性, 可以将 POD 与非糖基化蛋白加以分离[40, 48, 49 ] ,
并用 Sh iff 试剂加以鉴定。需要特别注意的是与愈伤木酚 POD 相比, 抗坏血酸 POD 很不
稳定, 尤其是在缺乏电子受体的情况下更不稳定, 如在无抗坏血酸时, 叶绿体内的POD 半
衰期低于 30 s[50 ] , p 2ch lo rom ercu ribenzoate 也可使此酶失活[51 ]。因而在测定此 POD 时,
必须加入抗坏血酸; 因为愈伤木酚 POD 与H 2O 2 产生的酚和羟基自由基能迅速氧化抗坏
血酸, 故需要通过凝胶过滤或透析去除低分子干扰物质[52 ]。M iyaka 等[53 ]的研究结果显示
当抗坏血酸浓度在微摩尔水平范围内时, 此酶会迅速失活, 其原因是此浓度的抗坏血酸自
身氧化反应产生了纳摩尔水平的H 2O 2 从而导致血卟啉中间体的降解。
为了分离不同结合态的 POD , 可采用低浓度的缓冲液 (0102～ 011 mmo löL ) 抽提可
溶态组分, 而采用高盐缓冲液 (1～ 3 mo löL N aC l 或 KC l, 或 3 mo löL L iC l, 或 012～
014 mo löL CaC l2)抽提离子结合态 POD , 用 215% (PöV ) 果胶酶和 015% 纤维素酶 (PöV )
GF 20℃处理植物组织残渣, 可抽提与细胞壁共价结合的 POD [9, 10, 47, 54 ]。用高效液相色谱
可以纯化 POD 多肽片段。纯化后的样品可用于氨基酸组成分析和序列测定及指纹图谱分
析[55, 56 ]。
根据 POD 血红素蛋白具有 403 nm (hem e 吸收峰) 和 280 nm 2 个吸收峰的特性, 可
用R Z 值 (OD 403 nm ö280 nm )来判断 POD 纯度。但不同的同工酶具有不同的R Z 值[3 ]。
L ee [57 ]报道 IAA 可诱导 HR P 光谱吸收峰从 403 nm 短暂跳跃到 418 nm , 8 m in 逐渐降
低, 据此推测HR P 参与催化 IAA 降解, 可能形成了HR P 中间体。
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各种电泳分离技术不仅可用于分离和鉴定POD 同工酶, 也可以用作鉴定酶蛋白纯度
的方法。非变性的酸性和碱性 PA GE, 可分别用来分析阳离子和阴离子 POD 同工酶。等
电聚焦 ( IEF ) 可用来分离、纯化和鉴定不同等电点的同工酶, 而制备 IEF (p repara t ive
IEF)可用于大量纯化 POD [25 ]。SD S2PA GE 则可于测定纯化酶蛋白的分子量和鉴定酶纯
度[5, 46, 47, 58 ]。将电泳和免疫技术结合的W estern b lo t 则用于同工酶的免疫特性分析。但值
得注意的是, 在离体条件下, POD 活性的结果并不一定完全代表此酶在原位的情况。分离
和纯化酶过程会改变 (降低或增加)酶的活性。许多所分离的 POD 能与多种底物反应, 可
能已远远超出了此酶在植物体内正常生理功能范围。POD 酶活性常用的底物有愈伤木
酚、联苯胺、联大茴香胺、抗坏血酸等, 特别功能 POD 酶的鉴定需要更专化的底物[23, 27 ]。
4　酶蛋白基因表达与调控的分子生物学
具生理功能的 POD 涉及 3 个组分的合成。脱辅基蛋白组分主要在粗糙内质网上合
成, 血红素组分主要在线粒体上以谷氨酸为前体合成, 而糖基辅基组分是在高尔基体上进
行多肽加工过程中渗入的[3 ]。
在高等植物体内, 编码 POD 同工酶的基因多达 40 余个, 而且还存在转录后的修饰产
生的类似物。各种内因 (基因调控、激素或离子调控) 和外因皆可作用于同工酶基因的表
达。基因表达产物和加工方式的差异最终反映是在化学组成和功能上存在差异的各种同
工酶的形成, 包括新的不同酶蛋白的从头合成、等电点、酶反应速度、底物专化性、酶的细
胞和组织定位等的改变及抑制剂或辅助因子的产生等。外因包括光及其它放射线、重力作
用、各种胁迫 (干旱、盐碱、温度变化等)、衰老、生态环境变化及病菌侵染等因子的单独或
综合作用对酶蛋白基因表达调控作用也受到广泛关注。用培养的花生细胞研究结果显
示, 细胞内的血红素组分的合成量远大于酶蛋白组分的合成量, 而不成为限制因子, 但血
红素可能对脱辅基蛋白的合成起调节作用[3 ]。采用低离子强度和高离子强度的缓冲液分
离的 POD 常被看做是不同的同工酶, 但用抗体沉淀结果暗示了 2 个组分为糖蛋白形成的
两个不同阶段。
一般来说, 专一性 POD 活性 (specif ic POD act ivity) 的增加可以看作是 POD 酶的合
成量的增加。采用专一性抗体免疫沉淀可以鉴定分子, 而不考虑其酶活性, 故可以用于酶
蛋白的基因表达研究。关于 POD 的诱导表达机制则需用 cDNA 探针来分析 POD 基因结
构, mRNA 转录和蛋白翻译, 其中抗体筛选和根据 POD 保守区域合成寡核苷酸探针是
POD 基因分析的主要手段[24, 46 ]。Kaw aoka 等[10 ]克隆了 4 个编码 HR P 的 cDNA ; 其中
p rx C la 和 p rx C 1b编码中性同工酶, p rx C 2 和 p rx C3 编码碱性蛋白。用基因探针进行的
N o rthern b lo t 分析结果显示只有 p rx C2 的mRNA 可由损伤诱导表达。将 4 个基因分别
与Gus 基因构建嵌合基因表达载体, 转化烟草, 结果只有含 p rx C 2 基因的烟草受损伤而
诱导Gus 基因的表达。
POD 蛋白基因表达的组织、发育及诱导表达特点也可通过对mRNA 的杂交分析、构
建与Gus 基因嵌合体转化植物及通过反义RNA 策略加以了解[28, 46, 48, 59 62 ]。在水稻的不同
组织中, 2 种同工酶合成的mRNA 水平可由损伤和乙烯处理所诱导[48 ]。50 mmo löL N aC l
处理番茄可以引起一种 POD mRNA 的增加, 而且这种增加只有根的表皮和内皮层内可
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检测到[63 ]。Roberts 等[55 ]用克隆的马铃薯阴离子 POD 的 cDNA 探讨分析马铃薯和番茄
的mRNA 转录过程发现, 在未损伤的马铃薯果实中检测不到相应的mRNA , 损伤后 1 d
可检测到mRNA , 至第 4 d 达到最大值, 然后逐渐降低。用此探针对番茄的分析结果与马
铃薯情形类似, 而且这种mRNA 的变化与其木栓化作用相吻合, 将马铃薯愈伤组织放在
含有 10- 4 mmo löL ABA 的固体琼脂培养基上, 2 d 后可检测到mRNA 转录, 8 d 达到最
大值[16 ]。L agrim in i 等[61 ]用反义RNA 策略获得的转基因烟草其阴离子 POD 基因表达水
平低 1 600 倍, 并发现转基因植株的后代植株高生长增加、提前开花, 而过去研究获得的
超量表达 POD 的转基因植株则表现为植株矮化、开花延迟、种子发芽率降低。
许多研究证实植物损伤诱导基因表达是在转录水平上的调控, 涉及调控转录因子与
启动子区域的特异顺式元件的相互作用对上述的 p rx C 2 的启动子区域 5′端的缺失分析
显示, 从翻译起始位点开始的- 296 bp 和 283 bp 之间存在一个与环境应力相关的顺式元
件, 含有一个 G2box 核心区域 (CA CGT G) , 其另一个顺式元件在- 177 bp 和- 134 bp 之
间含有与 PAL 2box 相似的序列, 通过此序列, 核蛋白被结合其上[64 ]。
用 Pox381 探针进行的N o rthern b lo t 分析结果显示, 小麦感染白粉菌 (E ry sip he
g ram in is f. sp. hord ei) 12～ 14 h 可检测到 103 kb 的杂交带, 而未感染的对照则无此杂交
带, 从而证明克隆的 cDNA 代表了病原诱导型基因的mRNA [65 ]。用从大麦中获得的编码
阳离子 (pH 815) 同工酶的 cDNA 探针研究大麦感染上述白粉菌后的 POD 基因的表达时
发现,mRNA 积累开始于接种后 5 h, 24 h 达到最大值, 然后逐渐降低。这种时间进程与
pH 815 同工酶活性变化相吻合。用抗体免疫胶体金进行的组织定位结果显示其参与了病
原诱导的乳突中酚类化合物的沉积过程。因而发挥了普通的非专化性防卫反应[66 ]。由柑
桔裂皮病类病毒诱导表达的Cev i21 POD 基因编码木质素 POD , 用类病毒接种番茄 2 周
后可诱导此mRNA 的积累, 此时与顶部叶片的症状出现相吻合。mRNA 的积累主要发生
在被感染的叶片, 茎部次之, 而根部则积累较少。用 1 mmo löL 乙烯利处理未感染的番茄
6 h后, 即可检测出mRNA 的积累, 48 h 达到顶峰, 因而推断乙烯作为一种小分子激素很
可能是类病毒与植物相互作用的中介体[14 ]; 携带甘薯阴离子 POD cDNA 的转基因烟草
细胞系的 POD 与植物叶片 POD 活性有相当大的不同, 因而推测离体细胞的POD 代谢调
节方式可能与完整植株有所不同。
5　酶的生理功能及与环境胁迫的关系
POD 作为植物细胞内重要的组成成分, 具有许多非常重要的生理功能。由于其成分
和结构的复杂性, 同功酶的多样性, 以及多基因编码特点, 造成对其功能的认识尚不全面。
迄今已肯定的功能可包括以下几个方面。
5. 1　参与活性氧代谢过程
分子氧 (O 2)是相对无活性和对生物无毒性的, 一旦氧分子的电子分布发生改变, 其
结构即变成活性氧。活性氧的种类包括过氧化氢 (H 2O 2) , 羟自由基 (OH 3 )、超氧阴离子
(O -2 ) 3 种。在活性氧代谢过程中, POD 发挥了重要作用。在细胞壁中的 POD 可催化
NADH 或NAD PH 或NAD PH 氧化产生O -2 , O -2 进一步歧化为 H 2O 2 和分子氧[67, 68 ]。
H 2O 2 是一种相对稳定的分子, 能够通过细胞壁运动, POD 和过氧化氢酶一样都具有代谢
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H 2O 2 的功能, 由酚底物还原形成的自由基聚合形成木质素 (lign in)。在植物叶中不存在愈
伤木酚 POD , 抗坏血酸 POD 承担清除光合作用过程中产生的过量的H 2O 2 保护叶绿体
的功能[69 ] , 此酶使抗坏血酸氧化为脱氢抗坏血酸。
已知植物在与病原相互作用过程中广泛存在着活性氧爆发 (act ive oxygen bu rst) 现
象[69 71 ] , 这种现象已被看作是植物防卫反应机制的一部分, 常与程序化细胞死亡 (p ro2
gramm ed cell death, PCD ) 或过敏性反应 (HR ) 密切相关, 象H 2O 2 可能作为防卫反应信
号传导的分子发挥作用[72 ]。其中H 2O 2 在植物抗病中的作用是多重的, 包括对真菌孢子萌
发的直接抑制作用和诱导一系列的防卫反应 [67, 73 ]。将编码葡萄糖氧化酶 ( g luco se
ox idase)的基因导入马铃薯可使体内H 2O 2 含量增加, 从而诱导水杨酸的成倍增加和阴离
子 POD mRNA 的积累[74 ]。刘曼西和 Ko lat tukudy [75 ]的报道也证明病原真菌激发子和外
源H 2O 2 均可促进番茄细胞中阴离子 POD 酶的基因转录。在烟草花叶病毒感染烟草产生
HR 过程中可诱导胞质抗坏血酸 POD 基因转录, 低氧可降低此基因表达; 而通过增加细
胞的活性氧产生可模拟病菌诱导的基因表达[76 ]。
5. 2　参与木质素和木栓质的合成
木质素和木栓质的积累与 POD 活性增强之间的关系已被许多试验所证实[77 ]。其中
酸性 POD 被认为参与木质素和木栓质 (suberin)合成[3, 40, 78 ]。红光处理蚕豆幼苗可引起皮
层细胞外 POD 活性增强和木质素的积累[79 ] , 但也有碱性 POD 参与木质素合成的报
道[17 ]。导入阴离子 POD 基因的烟草茎部组织中木质素的水平也升高[80 ]。木质素被认为是
抵抗病原侵入和扩展的重要防卫手段 [77, 81 ] , 象病菌 P hy top h tbora m eg asp erm a f. sp
g ly cinea 的细胞壁糖苷可诱导酚类聚合物的大量积累, 而这种积累过程伴随着阴离子
POD 特异同功酶活性迅速和大量的增强[78 ]。在千日红复状分子 ( t racheary elem en t)分化
过程中, 细胞壁结合的 POD 参与了次生细胞木质素积累的加厚过程[47 ]。 Im berty 等[82 ]研
究发现杨树韧皮部和木质部分离的一种阴离子 POD 具有高的 syringaldazine 氧化酶活
性, 这种反应参与了木质素形成的最后阶段。
5. 3　参与生长素的降解
由 POD 参与的吲哚乙酸的氧化分解功能早已被注意。多数研究将氧化吲哚乙酸看成
是 POD 的功能之一[22, 27, 57 ]。但也有研究发现某些酶氧化 IAA 不需要H 2O 2 的参与, 甚至
H 2O 2 抑制酶活性, 故将其作为独立的吲哚乙酸氧化酶 ( indo le acet ic acid ox idase,
IAAO ) [63, 83 85 ]。K rylov等[86 ]的研究发现在正常的 IAA 氧化过程中, 加入H 2O 2时, 阿魏酸
可抑制 IAA 氧化作用, 其原因可能与阿魏酸被氧化和自由基浓度过度增高有关。Converso
等[23 ]的研究显示, 从小麦中分离的 3 种同工酶C1、C2、C3 都可以在缺少任何辅助成分的
情况下氧化 IAA , 但M n2+ 和间苯三酚可激活C1 和C2 的活性, 但对C3 无效。过氧化氢
酶对此反应无抑制作用, H 2O 2 对C1 和C2 氧化无明显作用, 但可提高C3 活性。
关于 IAA 被 POD 氧化的机制, 包括酶与底物形成中间复合体的过程, 已有一些研究
报道[87, 88 ] , 但仍有许多问题有待澄清。其中涉及到专一性酶催化吲哚核的氧化而形成氧
吲哚乙酸 (OX IAA )和其侧链的氧化脱羧 2 条途径。许多植物的 POD 已被证明具有催化
IAA 氧化脱羧, 从而形成 indo le23yl2m ethano l 或 32m ethyleox indo le 的能力[63 ]。有研究报
道, 只有由卟啉和脱辅基蛋白共同组成的全酶才具有 IAAO 活性[57, 89 ] , 但也有研究发现
833 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　第 19 卷　　
去掉卟啉组分的脱辅基蛋白也具有 IAA 氧化活性, 只是需要加入M n2+ 、Ce2+ 等金属离
子、P2香豆酸和二氯酚化合物[27, 90 ]。采用等电聚焦酸性和碱性PA GE 对 POD 同工酶所具
有的氧化 IAA 功能的研究也发现, 并非所有的 POD 同工酶带都具有强 IAA 氧化能力,
或表现出与 POD 一致的酶活性。某些 POD 活性很强的带, 其氧化 IAA 的活性却不高。
M arco 等[38 ]用烟草细胞培养进行的 5 种碱性和 2 种酸性 POD 的分离纯化和鉴定研究结
果显示, 只有碱性组分 POD 具有氧化 IAA 的功能, 且此组分主要位于根皮细胞和韧皮部
细胞内。V ande Berg 等[34 ]比较纯化的花生阳离子 POD (44 kD ) 和矮牵牛阴离子 POD
(36 kD )结果发现阴离子 POD 的过氧化物氧化活性明显高于阳离子 POD。阳离子 POD
在 pH 316 具有氧化 IAA 的最大活性, 而阴离子 POD 的 pH 值为 710, 且需要加入 H 2O 2
和二氯酚。而一般认为, 阳离子 POD (碱性或称高等电点 POD )与 IAA 的亲合力强于阴离
子 POD [2, 83, 89, 91 ] , 而阴离子 POD 可能主要参与木质素的合成。但也有少数阴离子 POD 氧
化 IAA 的研究报道[27 ]。
已知 IAA 在调节植物细胞伸长、细胞分化向性反应、顶端优势、生根、休眠、开花、春
化作用、生物节律等方面的重要作用, 所以用 POD öIAAO 介导的 IAA 的波动引发的生理
效应将是非常深刻的[92 ]。在植物受病原侵染过程中 POD 变化与引起的症状发展之间的
关系已经被注意到[93 98 ] , 也有研究分离和鉴定出专一性 IAAO [44 ]。病原诱导寄主体内
POD 活性的升高与 IAA 代谢之间的联系尚需引起更多的关注。估计 IAAO 的变化, 对
IAA 水平的影响可能涉及到植物与病原相互作用的各个层面, 象丛枝、组织肥大、植株矮
化等病状的产生等[80, 99 101 ]。
5. 4　参与其它物质的氧化过程
许多体外试验发现, POD 可参与催化谷胱甘肽、NADH、D T T、草酰乙酸、氢醌、酪氨
酸、阿魏酸等酚类化合物的氧化[39, 102 ]。POD 可氧化酪氨酸为 dityro sine, isodityro sine 和
po lytyro sine, 当去掉卟啉和碳水化合物成分的酶蛋白不能氧化酪氨酸, 这种氧化作用与
细胞壁伸展蛋白的偶联有关[22 ] , 与伸展蛋白相关的 POD 降低可降低细胞壁的强度, 促进
细胞膨大和植株生长, 相反则可能有助于增强对病菌的抗性。Badian i[39 ]发现小麦幼苗可
溶性 POD 同工酶具有酚氧化酶活性; 而且发现这种氧化反应受抗坏血酸的影响, 即抗坏
血酸可抑制由 POD 催化的酚类物质的氧化。H enn ik sen 等[102 ]用X 射线解析HR P2阿魏
酸二元复合物和HR P2氰化物2阿魏酸三元复合物的结构时发现, 在HR P 中的芳香化合
物受体结合区域具有可塑和溶剂暴露区域, 这一区域使溶剂分子和小的酚类化合物快速
交换, 其中远端的精氨酸 (A rg38)具有底物氧化和配体结合功能。将氯 POD (ch lo ropero 2
x idase) 基因导入烟草可使植物产生 hypohalite 和 peracet ic acid, 从而产生了对炭疽病的
抗性[19 ]。大麦 POD p rx 基因参入了抗真菌物质的合成[103 ]。POD 多重功能的不断发现说
明了其生物效应的多样性和复杂性。由于实现这些不同功能需要不同的辅助因子, 因而在
植物体内正常代谢过程中可能会通过各种因子的不同作用而发挥其差别调节作用。
5. 5　生理功能与环境胁迫的关系
除了与植物正常代谢和生长发育相关的结构型 POD 外[41, 58, 92, 104 106 ] , 很大部分 POD
的合成属于诱导表达型[32, 107 109 ]。这已为大量的胁迫处理试验和在分子水平上的基因调
控研究证据证实。在上述的 POD 生理功能中, 多数是与某种或多种胁迫作用导致细胞膜
933　第 4 期　　　　　　　　　　　　　　田国忠等: 植物过氧化物酶研究进展
的损伤和破坏, 细胞的空间结构被打破, 以及损伤信号的转导等一系列生理生化变化有
关[89, 110 ]。原来认为只有动物具有谷胱甘肽 POD , 后来从柑橘植株中也克隆出与动物具有
同源性的 POD 基因, 此基因的表达与盐应力诱导有密切的关系[111 ]。其中关于 POD 与植
物病害抗性的关系研究最为广泛和深入[11, 17, 71, 112 116 ]。植物活性氧爆发、木质素合成、多
种氧化反应等都与对各种病菌的防卫反应密切相关[117 119 ]。Svalhein 等[120 ]的研究显示,
黄瓜感病品种和抗病品种对病菌 (C lad osp orium cucum erinum ) 的侵染诱导 POD 合成的
差异主要在于抗病品种POD 的增加比感病品种迅速, 而且认为病菌的侵染过程与机械损
伤的诱导机制类似。虽然许多研究并未建立起 POD 变化与植物抗性间直接的联系, 但很
多现象和规律都可以用前述的POD 生理功效加以解释或分析, 也可能存在一些未被揭示
的 POD 作用机制。
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