過(guò)氧化氫酶（catalase，CAT）普遍存在于植物組織中，是重要的保護(hù)酶之一，其作用是清除代謝中產(chǎn)生的H2O2，以避免H2O2積累對(duì)細(xì)胞的氧化破壞作用，因而其活性的高低與植物的抗逆性有關(guān)。
一、CAT參與的脅迫反應(yīng)
在植物遭受生物和理化因子傷害時(shí),膜上受體接受并傳遞脅迫信號(hào),引發(fā)質(zhì)膜和細(xì)胞器的氧化猝發(fā),產(chǎn)生ROS,ROS在傳遞和放大信號(hào)過(guò)程中會(huì)改變離子的分布和啟動(dòng)核基因的表達(dá),從而使植物耐受各種脅迫。同時(shí)CAT通過(guò)清除作用使ROS保持一定的濃度范圍,CAT的這種保護(hù)機(jī)制,也體現(xiàn)在植物的各種抗逆反應(yīng)中。1.1 參與抗病反應(yīng)近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)CAT參與了植物的抗病反應(yīng),例如在CAT基因缺失的煙草中, H2O2含量升高 ,并產(chǎn)生類(lèi)似于凋亡的細(xì)胞死亡,植物的抗病因子水楊酸 (SA) 則能夠抑制CAT的活性,產(chǎn)生過(guò)多的ROS,從而引起系統(tǒng)性防衛(wèi)反應(yīng),或者在植物受到病原微生物侵染的氧化迸發(fā)初期階段,CAT分解H2O2,生成氧分子,觸發(fā)了苯甲酸生成SA,導(dǎo)致SAR反應(yīng)發(fā)生,如轉(zhuǎn)玉米CAT2基因的煙草引起更為嚴(yán)重的超敏反應(yīng),從而有效地控制細(xì)菌感染。植物的另一種抗病信號(hào)因子茉莉酸甲酯 (MJ) 存在于非依賴(lài) SA 的防衛(wèi)反應(yīng)中,但和SA具有協(xié)同效應(yīng),例如SA可以增強(qiáng)MJ的對(duì)氧化脅迫標(biāo)志 Ao PR102GUS 的表達(dá) ,CAT卻起到了抑制作用,因此H2O2是兩條防衛(wèi)途徑的中間效應(yīng)子 ,通過(guò)CAT等抗氧化酶的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) ,從而在轉(zhuǎn)錄水平上啟動(dòng)和調(diào)控一些特殊防衛(wèi)基因的表達(dá) ,或者通過(guò)破壞亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分而導(dǎo)致細(xì)胞功能的喪失 ,進(jìn)而產(chǎn)生超敏反應(yīng)。
1.2 水分脅迫
一些非生物脅迫 ,會(huì)使生物體內(nèi)CAT的表達(dá)量發(fā)生變化。有人提出CAT活性可作為植物耐旱性鑒定的重要生理指標(biāo)之一。例如高粱以CAT為主要抗氧化酶,具有較強(qiáng)的抗旱能力和傷害修復(fù)及超補(bǔ)償能力,水分脅迫下高粱CAT活性顯著增加。在玉米中的研究也發(fā)現(xiàn)其抗旱性與水分脅迫下CAT等保護(hù)酶活性呈顯著正相關(guān),抗旱性強(qiáng)的玉米品種,其 SOD、CAT、GPX等保護(hù)酶活性較高。1.3 鹽脅迫在許多植物中發(fā)現(xiàn)CAT和鹽脅迫有關(guān),例如轉(zhuǎn)Escherichia coli kat E基因的水稻增強(qiáng)了對(duì)鹽脅迫的耐性, 植株葉片在受到冷和高鹽脅迫時(shí), FaCat1表達(dá)量顯著增加,特別是在處理后的2h和4h時(shí) ,其表達(dá)量達(dá)到。在進(jìn)一步研究鹽脅迫和恢復(fù)過(guò)程中的機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn),小麥的含水狀況及K+ / Na+比率和CAT等抗氧化酶活性呈正相關(guān),而和膜結(jié)構(gòu)損害情況相反,外施低濃度CO的供體血色素能夠逆轉(zhuǎn)NaCl所致的小麥幼苗細(xì)胞膜損害、脂質(zhì)過(guò)氧化物產(chǎn)生等氧化脅迫,這也歸因于POD、SOD、APX和CAT抗氧化酶對(duì)脂類(lèi)過(guò)氧反應(yīng)產(chǎn)物增加所起到的阻止作用,并且能夠保護(hù)鹽脅迫所誘導(dǎo)的葉綠素?fù)p壞。
1.4 臭氧和光脅迫
臭氧和光因子存在著一定的關(guān)系且都和CAT有關(guān)。臭氧和缺乏CAT的植株都能觸發(fā)JA的產(chǎn)生,增加GSH1和GSH2的轉(zhuǎn)錄活性。臭氧在誘導(dǎo)高活性CAT和POX、SOD的同時(shí),激活了葉黃素循環(huán)庫(kù),降低葉綠素含量,從而保護(hù)光合作用機(jī)構(gòu);而在光呼吸狀態(tài)下,低活性CAT的轉(zhuǎn)基因煙草中H2O2的動(dòng)態(tài)平衡遭到破壞,誘導(dǎo)了非生物脅迫的細(xì)胞死亡。1.5 溫度脅迫
冷和熱擊都能夠引起 CA T的表達(dá)量發(fā)生改變。黃瓜葉片CAT活性和耐冷力表現(xiàn)一致 ,以及表達(dá)小麥CAT基因的水稻提高對(duì)低溫脅迫忍耐都證實(shí)了CAT和冷脅迫存在著一定的關(guān)系。但是,H2O2聚集和冷忍耐并非一致,因?yàn)镃AT活性在SA處理過(guò)程中并未發(fā)現(xiàn)下降,說(shuō)明SA誘導(dǎo)的冷忍耐并不一定和CAT活性的降低有關(guān)。即在冷脅迫中,SA和H2O2信號(hào)因子不是一種上下游的關(guān)系,這和植物的抗病反應(yīng)有所區(qū)別,可能CAT和SA誘導(dǎo)的低溫忍耐存在著不同的作用機(jī)制。
二、 作用機(jī)制
不同的非生物脅迫可以激發(fā)相似的信號(hào)途徑。H2O2、NO和ABA都能夠誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉, 并且ABA誘導(dǎo)NO的產(chǎn)生和氣孔的關(guān)閉依賴(lài)于H2O2的生成,通過(guò)激光共聚焦掃描顯微鏡觀察蠶豆氣孔開(kāi)度的大小時(shí) ,也發(fā)現(xiàn)外施CAT可抑制ABA誘導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞NO的產(chǎn)生;利用同樣的技術(shù),發(fā)現(xiàn)定位在人參不定根中的NO能夠減緩銅離子對(duì)植物造成的傷害 ,其機(jī)制可能也是隨著H2O2的增加,啟動(dòng)了CAT等抗氧化酶活性。在分析玉米的過(guò)氧化氫酶基因 CA T1～ CA T3的啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn) ,其上都有許多與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn), 如 NF2kB、ARE、AP21和ABRE。由此提出玉米施用外源植物激素ABA或者受到滲透脅迫時(shí)的可能信號(hào)傳導(dǎo)途徑,這些外界因素會(huì)誘導(dǎo)ROS分子的產(chǎn)生,最終激活轉(zhuǎn)錄因子ARE、ABRE22、CBF1和CBF2,從而導(dǎo)致了抗氧化基因Cat1的表達(dá)來(lái)平衡H2O2的含量。但脅迫作用機(jī)制會(huì)隨環(huán)境中脅迫因子的不同而存在著交叉和分歧,從而構(gòu)成了復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)(圖 1)。CAT可能是這些途徑中關(guān)鍵調(diào)控蛋白之一,對(duì)它和與之相關(guān)蛋白的研究有助于全面了解H2O2作為第二信使的作用機(jī)制。
