趙晶晶，詹萬龍，周濃*

（1重慶三峽學(xué)院生物與食品工程學(xué)院/三峽庫區(qū)道地藥材綠色種植與深加工重慶市工程實驗室，重慶 404120；2重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 404100）

0 引言

由于全球氣候變化，植物遭受非生物脅迫的頻率和嚴重程度不斷增加，致使其在生長發(fā)育過程中不可避免地暴露于一種或多種非生物脅迫下，如干旱、淹水、高溫、低溫、鹽堿脅迫等。當植物處于非生物脅迫時，植物體內(nèi)會產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)，如活性氮（RNS）、活性氧（ROS）、丙二醛（MDA）或丙酮醛（MG）等，這些有害物質(zhì)會破壞植物體內(nèi)細胞膜的

結(jié)構(gòu)，造成細胞生理功能受損，產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，最終使細胞死亡，致使植物的生理代謝、生長發(fā)育及產(chǎn)量形成等過程受損。前人關(guān)于非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS（Gill and Tuteja，2010；李格等，2018；劉聰?shù)龋?019）或MG（王月等，2018；葉芯妤等，2019）的代謝機制研究已十分深入，而關(guān)于非生物脅迫對植物體內(nèi)ROS和MG代謝機制間關(guān)系的研究尚未見報道。本文重點總結(jié)植物體內(nèi)ROS和MG的合成代謝過程、分解代謝過程以及兩者合成和分解代謝間的關(guān)系，闡明不同非生物脅迫（干旱脅迫，溫度脅迫，鹽、堿和鹽堿脅迫及重金屬脅迫）條件下植物體內(nèi)ROS和MG代謝間的調(diào)節(jié)情況，以期為非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS和MG代謝機制的深入研究提供借鑒。

1 非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS和MG合成代謝的研究進展

1.1 非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS的合成代謝過程

ROS是氧化能力很強、性質(zhì)極為活潑的含氧物的總稱，主要包括單線態(tài)氧（1O2）、超氧陰離子（）、過氧化氫（H2O2）和羥基自由基（·OH）等，是植物有氧代謝產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物（李格等，2018），其產(chǎn)生的部位主要是葉綠體、過氧化物酶體、線粒體和質(zhì)外體等（Finkel，2011）（圖1）。ROS作為植物體內(nèi)正常的生理代謝產(chǎn)物，具有雙重作用，低濃度的ROS可作為信號分子通過誘導(dǎo)細胞內(nèi)一系列防御和保護基因來保護植物，進而促進植物生長發(fā)育（李格等，2018）；而高濃度的ROS對有機體有害，易引發(fā)蛋白質(zhì)氧化、酶失活、核酸損傷和脂質(zhì)過氧化，激活信號通路并導(dǎo)致細胞程序性死亡（Zhu and Bunn，1999），這種破壞作用可稱為氧化脅迫。

研究表明，非生物脅迫下，植物葉綠體類囊體中的光系統(tǒng)I（PSI）和光系統(tǒng)II（PSII）反應(yīng)中心是ROS產(chǎn)生的主要部位，空氣中的O2經(jīng)過光合作用會產(chǎn)生1O2和·OH引起氧化損傷，且PSI呼吸電子傳遞鏈中的電子可與O2反應(yīng)產(chǎn)生并快速轉(zhuǎn)化為H2O2（Asada，2006）（圖1）；此外，植物線粒體細胞器中的O2可接受呼吸電子傳遞鏈中的電子形成，再快速歧化為H2O2（Xiong et al.，2007）；再者，復(fù)合體I和復(fù)合體III中泄漏的電子與O2結(jié)合可生成1O2，1O2通過Mn–SOD作用可轉(zhuǎn)化為H2O2（Huang et al.，2016）（圖1）。同時，過氧化物酶體也是植物細胞中H2O2的主要來源，這是因為非生物脅迫增強了光呼吸導(dǎo)致乙醇酸氧化酶過度反應(yīng)造成的，并伴隨著一氧化氮（NO）或的產(chǎn)生（Noctor et al.，2007）（圖1）。呼吸爆發(fā)氧化酶也可稱之為NADPH氧化酶（NADPHox），是質(zhì)外體中ROS形成的關(guān)鍵酶，通常位于細胞質(zhì)膜上，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）作為電子供體，可接受質(zhì)膜胞質(zhì)側(cè)的電子并傳遞給O2形成在自然歧化或在細胞壁結(jié)合的超氧化物歧化酶（SOD）催化下形成H2O2，H2O2再經(jīng)Haber-Weiss反應(yīng)或Fenton反應(yīng)形成·OH（Asada，2006）（圖1）。

1.2 非生物脅迫下植物體內(nèi)MG的合成代謝過程

MG又可稱之為2-氧代丙醛、α-氧代醛或甲基乙二醛，是一種小分子高活性的二羰基復(fù)合物，作為植物體內(nèi)正常的生理代謝產(chǎn)物，可由碳水化合物、蛋白質(zhì)及脂質(zhì)代謝產(chǎn)生，主要來源于糖酵解途徑，正常生理情況下MG在植物體內(nèi)合成量極低，一般維持在30～75μmol/L范圍內(nèi)（Yadav et al.，2005）。MG在植物體內(nèi)具有雙重作用，低濃度的MG可作為信號分子參與種子的萌發(fā)、植物的生長發(fā)育及植物脅迫耐性的獲得（Li，2016）；而高濃度的MG則是一種細胞毒素，具有高度的細胞毒性和活性，可導(dǎo)致DNA、RNA和蛋白質(zhì)等生物大分子被破壞，類似于ROS引發(fā)的氧化脅迫，這種破壞作用可稱之為羰基脅迫或MG脅迫（王月等，2018；葉芯妤等，2019）。

MG作為植物體內(nèi)正常的代謝產(chǎn)物，其合成過程廣泛存在于葉綠體、線粒體和胞質(zhì)溶膠等組織或細胞中，其產(chǎn)生的位點和具體比率取決于組織或細胞類型及整個植株的生理狀態(tài)（Kaur et al.，2014）。植物體內(nèi)的MG合成來源于多條代謝途徑（圖2），其中，糖酵解是MG合成的最主要途徑，糖酵解或光合作用產(chǎn)生的磷酸二羥丙酮（DHAP）或甘油醛-3-磷酸（GAP）可自發(fā)脫去無機磷產(chǎn)生MG（Hossain et al.，2018）；再者，在葡萄糖氧化過程中，約有0.05%～0.30%的葡萄糖會轉(zhuǎn)化為MG（Li，2016），上述是植物體內(nèi)MG合成的非酶促途徑。

植物體內(nèi)MG合成除了非酶促途徑外，還有酶促途徑（圖2），參與的酶主要包括磷酸丙糖異構(gòu)酶（TPI）、丙酮醛合酶（MGS）、氨基脲敏感型胺氧化酶（SSAO）和丙酮醇單加氧酶（AMO），這4種酶在植物體內(nèi)構(gòu)成4種酶促途徑：（1）GAP途徑，TPI催化DHAP或GAP水解去磷酸化后形成MG，故TPI是植物體內(nèi)MG形成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶，其活性與MG的積累呈負相關(guān)（Li，2016）；（2）丙酮醇途徑，丙酮單加氧酶將脂肪酸的代謝物丙酮催化為丙酮醇，后者被AMO轉(zhuǎn)化為MG；（3）氨基丙酮途徑，在該途徑中，來自蛋白質(zhì)代謝或氨基酸代謝的氨基丙酮在SSAO催化作用下可合成MG；（4）DHAP途徑，MGS以糖酵解或光合作用產(chǎn)生的DHAP為底物，催化DHAP轉(zhuǎn)化為MG。

1.3 非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS和MG合成代謝間的關(guān)系

非生物脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)ROS和MG含量迅速升高已是不爭的事實（Gill and Tuteja，2010；李格等，2018；王月等，2018；劉聰?shù)龋?019；葉芯妤等，2019）。那么非生物脅迫下，植物體內(nèi)ROS與MG之間又有怎樣的關(guān)系呢？大量研究證明，MG能使細胞內(nèi)ROS含量升高，這是因為MG在糖基化反應(yīng)過程中可生成和H2O2，并且產(chǎn)生的終產(chǎn)物—晚期糖基化終產(chǎn)物（AGEs）會破壞植物體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)，降低或滅活SOD、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、谷胱甘肽還原酶（GR）、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（GST）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）等抗氧化酶活性，植物細胞內(nèi)AGEs的積累間接促進了ROS含量的增加（Kaur et al.，2014）；另一方面，在非生物脅迫下，為了維持植物體內(nèi)MG含量在安全范圍內(nèi)，細胞內(nèi)的還原型谷胱甘肽（GSH）含量會減少，間接影響抗壞血酸—谷胱甘肽（AsA–GSH）循環(huán)的運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致ROS產(chǎn)量增加（Meata et al.，2005）；再者，MG的醛基可與蛋白質(zhì)的氨基酸殘基—賴氨酸、半胱氨酸和精氨酸反應(yīng)生成AGEs，從而使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)降解和/或功能失活，對植物體造成無法修復(fù)的代謝功能障礙和細胞死亡（Ferguson et al.，1998）；此外，MG還能與膜脂反應(yīng)形成不可逆的晚期脂質(zhì)過氧化終產(chǎn)物（ALEs）（葉芯妤等，2019），導(dǎo)致被氧化的膜脂在結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生改變。Saito等（2011）認為MG在植物體內(nèi)可作為希爾氧化劑，催化PSI中的O2成為，而的形成會加快細胞成分的氧化損傷。

Hoque等（2010，2012）通過外源施用MG鑒定了植物體內(nèi)MG和ROS之間的關(guān)系，0.5～10.0 mmol/L的MG噴施于煙草植株上會降低植株體內(nèi)APX和GST的活性，致使植株發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)；外源噴施MG可誘導(dǎo)葉綠體中的光合作用產(chǎn)生，從而抑制植物的光合作用（Saito et al.，2011）。MG不僅對植物體內(nèi)的生物大分子具有破壞作用，還能誘發(fā)ROS的產(chǎn)生，繼而對植物體內(nèi)的生物大分子再次造成氧化損傷。

2 非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS和MG分解代謝的研究進展

2.1 非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS的分解代謝

正常條件下，植物體內(nèi)ROS的產(chǎn)生與清除處于動態(tài)平衡，而非生物脅迫因素會破壞細胞中ROS產(chǎn)生與清除之間的動態(tài)平衡，導(dǎo)致ROS在植物體內(nèi)積累造成氧化脅迫，進而抑制植物的生長和發(fā)育（Gill and Tuteja，2010；李格等，2018；劉聰?shù)龋?019）。植物為了適應(yīng)非生物脅迫環(huán)境，形成了非酶促和酶促2種有效的ROS清除機制來緩解體內(nèi)ROS的過度積累，非酶促抗氧化系統(tǒng)主要包括GSH、抗壞血酸（AsA）、維生素E（VE）、維生素C（VC）、類胡蘿卜素（Car）等，酶促抗氧化系統(tǒng)主要包括CAT、SOD、過氧化物酶（POD）、APX、單脫氫抗壞血酸還原酶（MDHAR）和脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR）等（李格等，2018；劉聰?shù)龋?019）。

非生物脅迫下，植物體內(nèi)的VC作為非酶促抗氧化系統(tǒng)的一員，會在植物體內(nèi)大量積累，一方面以還原劑的形式直接與ROS反應(yīng)后清除ROS，另一方面可作為酶的底物在ROS清除中起重要作用（郭明欣等，2021）。而谷胱甘肽主要以GSH和氧化型谷胱甘肽（GSSG）2種形式存在，其中有活性的GSH約占90%，GSH以H2O2還原的再循環(huán)中間物形式存在，H2O2接受以GSH為中介的NADPH電子還原成H2O，從而清除H2O2（Lu，2000；汪寬鴻等，2021）。此外，AsA可直接與1O2、和H2O2等ROS反應(yīng)，清除猝滅1O2、·OH及歧化H2O2，如APX以AsA為底物，催化H2O2分解成無毒的H2O和O2，AsA氧化時形成單脫氫抗壞血酸（MDHA），MDHA進一步氧化形成脫氫抗壞血酸（DHA）。

2.2 非生物脅迫下植物體內(nèi)MG的分解代謝

MG作為光合作用、糖酵解、葡萄糖氧化、蛋白質(zhì)糖基化和脂質(zhì)過氧化的副產(chǎn)物，是生命系統(tǒng)中自發(fā)的、不可避免的結(jié)果（王月等，2018）。由于MG的雙重作用，在正常生理條件下，植物體內(nèi)的MG含量維持在較低的無毒生理水平，但當植物處于非生物脅迫時，植物體內(nèi)的MG含量會迅速增加2～6倍（Yadav et al.，2005），成為植物對非生物脅迫的響應(yīng)信號。為了維持體內(nèi)MG的動態(tài)平衡，植物進化出乙二醛酶系統(tǒng)和非乙二醛酶系統(tǒng)2種脫毒機制，其中，乙二醛酶系統(tǒng)承擔(dān)了植物體內(nèi)99%的MG脫毒作用（王月等，2018；Mostofa et al.，2018）。

乙二醛酶系統(tǒng)也可稱之為MG脫毒系統(tǒng)，包括乙二醛酶I（Gly I）、乙二醛酶II（Gly II）、乙二醛酶III（Gly III）和GSH（圖3），共同構(gòu)成2條分解代謝途徑。（1）依賴于GSH的乙二醛酶途徑：Gly I以GSH為輔因子，將MG和GSH自發(fā)形成的半硫代縮醛（HTA）轉(zhuǎn)化為S-D-乳酰谷胱甘肽（SLG），SLG再經(jīng)Gly II水解后形成D-乳酸，同時再生GSH，這是植物體內(nèi)MG降解的主要途徑，Gly I活性會直接影響MG的濃度，是MG分解過程中的關(guān)鍵酶（Rabbani and Thornalley，2012；Li，2016）。（2）不依賴GSH的乙二醛酶途徑：與Gly I和Gly II不同的是，植物體內(nèi)的Gly III可直接將MG轉(zhuǎn)變?yōu)镈-乳酸，不需要GSH參與，這為植物體內(nèi)MG的降解提供了更短的途徑（Ghosh et al.，2016）。乙二醛酶系統(tǒng)不僅可清除植物體內(nèi)過量的MG，還可通過調(diào)節(jié)GSH的再生來維持細胞的氧化還原平衡，這在植物感受、響應(yīng)和適應(yīng)非生物脅迫中發(fā)揮了重要作用。

非乙二醛酶系統(tǒng)主要包括醛糖/醛還原酶（ALR）、MG還原酶/脫氫酶（MGR/MGDH）和醛酮還原酶（AKR）3種酶，在正常生理條件下，非乙二醛酶系統(tǒng)僅可清除1%的MG，只有乙二醛酶系統(tǒng)受阻，該系統(tǒng)才發(fā)揮重要作用（Li，2016）。非乙二醛酶系統(tǒng)共包括3條途徑：（1）ALR催化MG形成丙酮酸；（2）MGR或MGDH以還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）為輔助因子，可直接將MG還原成乳醛；（3）AKR以NADPH為輔助因子，可直接將MG還原成相 應(yīng)的醇（Simpson et al.，2009；Yamauchi et al.，2010）。無論是乙二醛酶系統(tǒng)，還是非乙二醛酶系統(tǒng)，在降解MG過程中產(chǎn)生的丙酮酸最后均可進入三羧酸循環(huán)，進一步調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的氧化還原平衡和能量代謝。

2.3 非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS和MG分解代謝間的關(guān)系

由于ROS和MG具有雙重作用，故其在植物體內(nèi)的濃度受嚴格調(diào)控，這種調(diào)控主要靠其合成代謝和分解代謝來實現(xiàn)?？寡趸烙到y(tǒng)是植物體內(nèi)清除ROS的主要途徑，乙二醛酶系統(tǒng)是植物體內(nèi)清除MG的主要途徑，植物體內(nèi)這2條途徑的唯一交叉點是GSH（圖3）。谷胱甘肽是廣泛存在于植物體內(nèi)的生物活性非蛋白硫醇化合物，其在細胞中的含量一般維持在0.5～10.0 mmol/L，其結(jié)構(gòu)含有游離的巰基，具有較強的供電子或質(zhì)子氫的能力，可作為抗氧化酶的輔因子和水相的抗氧化劑（王瑋瑋等，2014）。GSH在植物對逆境脅迫的抵抗上具有重要作用，如ROS清除過程中，H2O2等ROS可被GSH還原，經(jīng)GR催化GSH被氧化為GSSG，為ROS的清除提供還原力，還可維持細胞內(nèi)GSH/GSSG比率（Carmel-Harel and Storz，2000），從而形成一種氧化還原循環(huán)。同時，GSH還可作為輔因子參與植物體內(nèi)MG的清除，Gly I和Gly II共同作用可將MG轉(zhuǎn)化為D-乳酸，同時伴隨著GSH的再生，可見，乙二醛酶系統(tǒng)不僅清除了過量的MG以保持其穩(wěn)態(tài)，還可調(diào)節(jié)GSH的再生及維持細胞中的氧化還原平衡（葉芯妤等，2019），乙二醛酶系統(tǒng)再生的GSH可進入AsA–GSH循環(huán)系統(tǒng)，在GR、DHAR、APX等一系列的AsA–GSH循環(huán)酶協(xié)同作用下清除過量的H2O2，維持細胞的氧化還原平衡（葉芯妤等，2019）。

植物在生長過程中進化出了多種方式來應(yīng)對非生物脅迫，其中GSH和GSSG組成的GSH/GSSG途徑在植物的信號傳導(dǎo)和耐逆中發(fā)揮重要作用，GSH/GSSG作為植物細胞中最豐富的氧化還原對之一，不僅是信號傳遞中的氧化形式和還原形式的電子載體，還可維持細胞內(nèi)的氧化還原狀態(tài)（汪寬鴻等，2021）。故植物細胞通過抗氧化系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)的協(xié)同作用，在保持MG和ROS穩(wěn)態(tài)的同時，還可調(diào)控細胞內(nèi)GSH/GSSG、AsA/DHA、NADPH/NADP+及NADH/NAD+比值，維持植物細胞的能量代謝、氧化還原平衡和細胞代謝穩(wěn)態(tài)，這也可能是抗氧化系統(tǒng)和/或乙二醛酶系統(tǒng)提高植物耐逆性的主要原因之一（葉芯妤等，2019）。

3 不同非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS和MG代謝間的調(diào)節(jié)情況

3.1 干旱脅迫

在全球氣候變暖背景下，干旱脅迫已成為全球范圍內(nèi)的重大氣候問題之一，具有發(fā)生頻率高、影響范圍廣、后續(xù)影響大及持續(xù)時間長等特點，并呈常態(tài)化發(fā)展趨勢。干旱脅迫造成的經(jīng)濟損失占各類自然災(zāi)害總損失之首（樊利華等，2019）。當干旱脅迫發(fā)生時，植物葉片氣孔關(guān)閉限制CO2的攝取，導(dǎo)致光呼吸過程中的電子傳遞受阻，光能利用失衡、光合速率降低及葉綠體光化學(xué)發(fā)生改變，在PSII反應(yīng)中心附近的O2可能產(chǎn)生1O2。此外，在QA和QB轉(zhuǎn)移電子過程中，O2可通過Mehler反應(yīng)在PSI或PSII處形成，隨后被CuZn–SOD和Mn–SOD催化成H2O2（Noctor et al.，2014），因此，干旱脅迫可誘導(dǎo)氧化脅迫、MG脅迫和滲透脅迫，而抗氧化系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)活力的增強及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累是植物耐旱的重要策略（周志豪等，2017）。表1列舉了不同植物對干旱脅迫的響應(yīng)情況，如Nahar等（2015a，2017）以綠豆幼苗為試驗材料，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫會破壞植物體內(nèi)的ROS和MG代謝平衡，使細胞內(nèi)H2O2、、MDA和MG含量增加，脂質(zhì)過氧化程度加重，造成氧化脅迫和MG脅迫，而外源施用精胺和GSH可提高干旱脅迫過程中的AsA和GSH含量及提高SOD、CAT、APX、GR、GPX、GST、MDHAR和DHAR活性，減少細胞內(nèi)H2O2、和MDA的積累，減弱脂質(zhì)過氧化程度，降低內(nèi)源MG含量，促進Gly I和Gly II活性升高，從而提高綠豆幼苗的耐旱性。前人以油菜幼苗為材料，經(jīng)干旱脅迫處理后，發(fā)現(xiàn)油菜葉片內(nèi)的MDA和H2O2含量急劇增加，GSSG含量顯著升高，CAT、MDHAR和Gly II活性降低，GST活性升高；外源噴施茉莉酸可顯著提高葉片內(nèi)GPX、GR和DHAR活性以及Gly I和Gly II 2種乙二醛酶活性（Alam et al.，2014）；而二氧化硅處理可通過提高干旱脅迫下幼苗中的抗氧化劑（GSH和AsA）含量和AsA—GSH循環(huán)酶（APX、GR、GST、DHAR和MDHARH）活性，減少H2O2和MDA的積累，同時增加乙二醛酶系統(tǒng)中Gly I和Gly II活性（Hasanuzzaman et al.，2018a）；Hasanuzzaman和Fujita（2011）通過外源施用硒酸鈉也可對抗氧化防御系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)起到一定的調(diào)控作用，繼而增強油菜幼苗的耐旱性。Hossain等（2013）在芥菜上、Hasanuzzaman等（2018b）在小麥上、Ghosh和Islam（2016）在大豆上均得到相似研究結(jié)果，說明抗氧化系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)在化學(xué)引發(fā)誘導(dǎo)的植物耐逆性方面起重要作用。前人對于ROS和MG代謝機制的研究多集中于葉片，而根系作為感受干旱脅迫的原初部位具有比地上部（葉片）更敏感的反饋機制，故今后科研工作者可開展干旱脅迫下植物根系內(nèi)ROS和MG代謝機制的研究。

表1 干旱脅迫下植物體內(nèi)乙二醛酶系統(tǒng)和相關(guān)抗氧化防御系統(tǒng)的調(diào)節(jié)Table 1 Regulation of the glyoxalase system and associated antioxidant defense system in plants under drought stress

3.2 溫度脅迫

植物生長發(fā)育的最低溫度、最適溫度和最高溫度統(tǒng)稱為“溫度三基點”，環(huán)境溫度低于植物最低溫度或高于最高溫度均會對植物生長發(fā)育產(chǎn)生有害效應(yīng)，稱為低溫脅迫或高溫脅迫。極端溫度常會引起植物一系列生理生化水平的變化，植物遭遇低溫脅迫后會出現(xiàn)水分狀況、光合作用、礦質(zhì)營養(yǎng)、新陳代謝和呼吸作用等生理過程的紊亂，光合系統(tǒng)中的過剩激發(fā)能量會導(dǎo)致光氧化和光抑制發(fā)生，葉綠體膜脂質(zhì)過氧化作用增強，胡蘿卜素、葉綠素和葉黃素發(fā)生降解（Wang et al.，2008）。而高溫脅迫也會影響到植物的光合系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在PSII的光化學(xué)效率降低，電子傳遞被抑制造成大量光能剩余，從而形成大量的活性自由基，導(dǎo)致細胞膜透性發(fā)生改變，膜脂過氧化，對植物造成傷害（Allakhverdiev et al.，2008）。極端溫度脅迫除了會造成氧化脅迫外，還會同時誘發(fā)MG的超積累，產(chǎn)生MG脅迫（Hasanuzzaman et al.，2013）。

植物通過ROS和MG脫毒系統(tǒng)活力的增強提高了植物抵抗極端溫度脅迫的耐性（表2），如低溫脅迫可增強茶芽中的脂質(zhì)過氧化和提高MG含量，而外源施用脯氨酸和甜菜堿可降低Gly I和Gly II活性，從而減少細胞內(nèi)MG含量，提高其對低溫的耐性（Kumar and Yadav，2009）。綠豆幼苗經(jīng)6℃處理2和3 d后，葉片細胞內(nèi)的DHAR、MDHAR、CAT和Gly II活性降低，導(dǎo)致酶促抗氧化防御系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)遭到破壞，發(fā)生氧化脅迫和MG脅迫，而外源噴施亞精 胺 可 促 進AsA和GSH含 量 增 加 及APX、GR、DHAR、MDHAR、CAT和GPX抗氧化酶活性升高，加快ROS的清除，減弱脂質(zhì)過氧化程度；同時Gly I和Gly II活性升高顯著減少了細胞內(nèi)的MG含量（Nahar et al.，2015d）。Goulas等（2006）以擬南芥、Chen等（2013）以洋蔥、Lee等（2009）以水稻為試驗材料，采用蛋白組學(xué)手段進一步證實了MG脫毒系統(tǒng)與植物耐冷性的形成有關(guān)。榕樹幼苗經(jīng)35和40℃脅迫處理48 h后，葉片內(nèi)的ROS和MG代謝平衡被打破，而外源施用表油菜素內(nèi)酯可有效維持榕樹葉片細胞的穩(wěn)定性，減輕氧化脅迫和MG脅迫對葉片造成的損傷（Jin et al.，2016）。高溫脅迫下，綠豆幼苗經(jīng)外源GSH處理后，細胞內(nèi)的CAT、APX、GR、GST、DHAR、GPX、MDHAR、Gly I和Gly II活性顯著升高，從而提高幼苗對高溫脅迫的抵抗能力（Nahar et al.，2015b）；同樣，精胺在提高綠豆耐高溫脅迫方面具有相同的研究結(jié)果（Nahar et al.，2017）。Hasanuzzaman等（2012b）在小麥、Mostofa等（2014）在水稻方面也進行了高溫脅迫研究，并通過外源施用硝普鈉、亞精胺來提高小麥和水稻的耐熱性。同樣，低溫和高溫脅迫可刺激水稻幼苗中的Gly I和Gly II基因表達，提高Gly I和Gly II活性，繼而提高幼苗的耐冷性和耐熱性（Yadav et al.，2005）。

表2 溫度脅迫下植物體內(nèi)乙二醛酶系統(tǒng)和相關(guān)抗氧化防御系統(tǒng)的調(diào)節(jié)Table 2 Regulation of the glyoxalase system and associated antioxidant defense system in plants under tmeperature stress

3.3 鹽、堿或鹽堿脅迫

根據(jù)土壤的電導(dǎo)率（EC）、堿化度（ESP）和pH可將鹽堿土壤分為3種類型：鹽土、堿土（蘇打土）和鹽堿土，一般認為，土壤的EC＞4、pH＜8.5、ESP＜15.0是中性鹽土壤，主要成分是NaCl和Na2SO4，有時還含有相當數(shù)量的Ca2+和Mg2+，由中性鹽土壤對植物造成的傷害稱之為鹽脅迫。表3列舉了部分鹽脅迫對植物造成的損傷情況，如綠豆幼苗外源施用脯氨酸、甜菜堿、腐胺、亞精胺和精胺獨立或組合處理，均可不同程度地激活抗氧化酶系統(tǒng)（AsA和GSH含量及GST、GPX和GR活性）和乙二醛酶系統(tǒng)（Gly I和Gly II），從而降低植物氧化脅迫和MG脅迫，提高綠豆幼苗的耐鹽性（Hossain and Fujita，2010；Hasanuzzaman et al.，2011a；Nahar et al.，2015c）。在油菜（Hossain et al.，2013；Hasanuzzaman et al.，2014b）、小麥（Hasanuzzaman et al.，2011b）和水稻（El-Shabrawi et al.，2010；Hasanuzzaman et al.，2014a；Mostofa et al.，2015a，2015b；Rahman et al.，2016d）上也得到了相似研究結(jié)果。El-Shabrawi等（2010）以不同類型的水稻為試驗材料，經(jīng)轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，與鹽敏感品種相比，耐鹽品種具有較高的Gly I和Gly II活性及較低的內(nèi)源MG含量。相反地，Gly II突變體的擬南芥幼苗對鹽脅迫十分敏感，而Gly II超表達則提高了擬南芥的耐鹽性，這也進一步支持了Gly II在耐鹽性中的作用（Devanathan et al.，2014）。

表3 鹽脅迫下植物體內(nèi)乙二醛酶系統(tǒng)和相關(guān)抗氧化防御系統(tǒng)的調(diào)節(jié)Table 3 Regulation of the glyoxalase system and associated antioxidant defense system in plants under salt stress

土壤的EC＜4、pH＞8.5、ESP＞15.0是堿性鹽土壤，主要成分是Na2CO3和NaHCO3，由堿性鹽土壤對植物造成的傷害稱之為堿脅迫，堿脅迫破壞了植物細胞中已形成的各種離子的平衡狀態(tài)，影響K+和Ca2+等離子在細胞內(nèi)的分布，嚴重影響世界范圍內(nèi)的作物生長和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。中性鹽和堿性鹽同時引起的脅迫稱之為鹽堿脅迫。在自然界中，土壤的鹽化和堿化相伴而生，已有研究表明，鹽脅迫包括滲透脅迫和離子毒害，而堿脅迫不僅包括滲透脅迫和離子毒害，還包括pH脅迫，所以堿脅迫對植物的傷害遠大于鹽脅迫（Wang et al.，2003）。預(yù)計到2050年，我國50%以上的耕地均會發(fā)生鹽堿化，這將嚴重威脅著糧食產(chǎn)量和土地利用率（Wang et al.，2003）。通常情況下，鹽、堿或鹽堿脅迫對植物的損傷可概括如下：一是造成滲透反應(yīng)和水分脅迫，植物可通過根部的激素信號傳導(dǎo)途徑來調(diào)控生物量；二是產(chǎn)生脫水反應(yīng)和氧化脅迫，鹽離子可大量地儲存在細胞質(zhì)中，造成滲透脅迫形成生理性干旱，進而促進ROS產(chǎn)生，ROS與多種亞油酸和不飽和脂肪酸反應(yīng)，引起脂質(zhì)過氧化作用，破壞細胞完整性，影響次生代謝產(chǎn)物（Wang et al.，2003）；三是堿或鹽堿脅迫會降低土壤滲透勢，使根際土壤pH升高，Mg2+、Ca2+、Fe2+等金屬離子沉積，阻礙植物對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收，造成植物體嚴重營養(yǎng)脅迫，進而干擾植物體內(nèi)的各種代謝活動（王佺珍等，2017）。鹽、堿或鹽堿脅迫作為影響植物種子萌發(fā)、植物生長和發(fā)育的重要非生物因子之一，可導(dǎo)致植物發(fā)生氧化脅迫、MG脅迫、滲透脅迫等，而植物耐鹽性的形成常與抗氧化系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)活力的增強及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累密切相關(guān)（Li，2016）。

3.4 重金屬脅迫

土壤和水源中的重金屬會對植物造成重金屬脅迫或重金屬污染，如鋅、鉻、銅、鉛、鎳、鈷、汞等（梁志樂等，2022）。這是因為重金屬進入植物體內(nèi)會破壞ROS產(chǎn)生和清除之間的平衡，造成細胞內(nèi)ROS局部積聚，一方面造成膜脂的過氧化作用，使生物膜的完整性遭到破壞；另一方面氧化應(yīng)激會抑制光合作用，葉綠體膜系統(tǒng)被嚴重損傷，使葉片出現(xiàn)光合降低甚至萎蔫死亡的現(xiàn)象。伴隨著氧化應(yīng)激的發(fā)生，植物細胞內(nèi)的MG含量劇增，導(dǎo)致植物再次受到MG脅迫的損傷。

氧化脅迫和MG脅迫是重金屬毒害植物的主要原因，植物遭受重金屬脅迫后體內(nèi)會發(fā)生DNA損傷、蛋白質(zhì)氧化、酶失活及脂質(zhì)過氧化已是不爭的事實，這已在綠豆（Hossain et al.，2010；Nahar et al.，2016a，2016b；Mostofa et al.，2018）、油菜（Hasanuzzaman et al.，2012a）和 水 稻（Mostofa and Fujita，2013；Mostofa et al.，2015a；Rahman et al.，2016a，2016b，2016c）上得到了證明（表4）。化學(xué)引發(fā)作為提高植物耐逆性的重要手段，在重金屬脅迫下，綠豆幼苗分別用脯氨酸、甜菜堿、腐胺、硝普酸鈉、精胺或亞精胺處理，均可不同程度地提高幼苗體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)（CAT、APX、GR、GST、MDHAR、DHAR、AsA和GSH）和乙二醛酶系統(tǒng)（Gly I和Gly II）活力，降低ROS（H2O2和）和MG的積累，提高其對重金屬脅迫的抵抗能力（Hossain et al.，2010；Mostofa et al.，2015a；Nahar et al.，2016a，2016b；Mostofa et al.，2018）。在油菜幼苗中，硒酸鈉處理可提高鎘脅迫下幼苗體內(nèi)的CAT、APX、GR、GPX、GST、DHAR和MDHAR抗氧化酶活性，減少細胞內(nèi)MDA和H2O2含量，同時Gly I和Gly II活性升高導(dǎo)致MG含量降低，避免氧化脅迫和MG脅迫發(fā)生，繼而提高幼苗對鎘脅迫的抵抗能力（Hasanuzzaman et al.，2012a）。同樣，外源施用水楊酸和海藻糖可有效地保護水稻幼苗免受銅脅迫危害（Mostofa and Fujita，2013；Mostofa et al.，2015a）；再者，Ca2+處理可降低水稻幼苗對鎘和砷的吸收，提高SOD、CAT、GST、DHAR和MDHAR氧化酶及Gly I和Gly II乙二醛酶的活性，從而減少ROS和MG在體內(nèi)的過量積累，最終提高幼苗的重金屬鎘脅迫耐性（Rahman et al.，2016a）。Rahman等（2016b）外源施用適量的硫酸錳也得到了相似結(jié)果。Li等（2017，2018）通過外源噴施適宜濃度的MG處理小麥幼苗，發(fā)現(xiàn)MG處理可提高鎘脅迫下幼苗體內(nèi)的SOD、CAT、POD、APX、GR活性及抗氧化劑（AsA和GSH）含量，緩解鎘脅迫下H2O2、、MDA和MG的積累，從而改善小麥幼苗的生長狀況，說明適宜濃度的MG可能作為信號分子調(diào)控了植物重金屬耐性的獲得。此外，重金屬脅迫和氧化脅迫可誘導(dǎo)水稻幼苗中Gly I和Gly II的基因表達，降低內(nèi)源MG含量，進而提高水稻的脅迫耐性（Yadav et al.，2005）。

表4 重金屬脅迫下植物體內(nèi)乙二醛酶系統(tǒng)和相關(guān)抗氧化防御系統(tǒng)的調(diào)節(jié)Table 4 Regulation of the glyoxalase system and associated antioxidant defense system in plants under heavy metal stress

4 展望

非生物脅迫下，植物細胞內(nèi)會大量積累ROS和MG，導(dǎo)致細胞發(fā)生氧化損傷，嚴重影響植物的分布、生長、發(fā)育、品質(zhì)和產(chǎn)量形成，甚至是植物生存。伴隨著生理生化、分子生物學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)等手段的快速發(fā)展，近年來對ROS和MG代謝的研究已揭示了抗氧化防御系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)在植物響應(yīng)、感受和適應(yīng)非生物脅迫中發(fā)揮的重要作用。有關(guān)非生物脅迫下植物體內(nèi)ROS和MG代謝間的關(guān)系、抗氧化系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)調(diào)控植物細胞內(nèi)ROS和MG的穩(wěn)態(tài)及氧化還原平衡的作用，在今后研究植物非生物脅迫耐受性中可從以下方面加強探索。

4.1 植物體內(nèi)MG的信號作用

MG與NO、H2S、Ca2+、H2O2等信號分子相似，具有雙重作用，高濃度的MG會破壞生物大分子物質(zhì)，導(dǎo)致羰基脅迫（類似于ROS引發(fā)的氧化脅迫）；而低濃度的MG作為一種新型信號分子，在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育、種子萌發(fā)、繁殖等多種生理過程和耐逆性形成中具有重要作用，尤其是在植物耐逆性形成中與其他信號分子的確切交互作用仍有待探討。首先應(yīng)該準確測定亞細胞或細胞中的MG含量，其專一性的活體和離體定量方法，尤其是熒光法急需探索；其次是MG可引發(fā)蛋白質(zhì)的糖基化，這些糖基化的蛋白質(zhì)是否是MG的受體還需進一步證實；再者隨著組學(xué)的快速發(fā)展，利用單組學(xué)（轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)或代謝組學(xué)）或多組學(xué)結(jié)合的方法，需進一步闡明MG合成代謝和分解代謝及其誘導(dǎo)的植物耐逆性形成的分子機制。

4.2 乙二醛酶系統(tǒng)響應(yīng)非生物脅迫的機理

植物為了生存進化出多種行之有效的脫毒機制，其中，抗氧化系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)在植物非生物脅迫方面的研究已有上百年歷史，但兩者間關(guān)系的研究進展一直較緩慢，尤其是抗氧化系統(tǒng)和乙二醛酶系統(tǒng)如何協(xié)同作用共同調(diào)控植物細胞內(nèi)ROS和MG穩(wěn)態(tài)及氧化還原平衡，仍需深入研究其機理；正常生長環(huán)境或非生物脅迫環(huán)境下，植物如何引發(fā)MG信號與NO、H2S、Ca2+、H2O2、植物激素等其他信號進行交互作用，其交互作用過程又如何激活乙二醛酶系統(tǒng)的基因表達和活性，其機理也尚未明確。

4.3 乙二醛酶系統(tǒng)耐逆基因工程的開發(fā)

乙二醛酶系統(tǒng)在植物響應(yīng)和適應(yīng)非生物脅迫中具有重要作用已是不爭的事實，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，尤其是組學(xué)的發(fā)展，如何利用生物信息學(xué)手段進一步闡明乙二醛酶系統(tǒng)在植物耐逆脅迫中的新作用，特別是在植物感受、響應(yīng)和適應(yīng)非生物脅迫方面尤為突出，由于乙二醛酶系統(tǒng)Gly I、Gly II和Gly III的基因已被定位和克隆，構(gòu)建過表達載體較容易，在此基礎(chǔ)上開展乙二醛酶系統(tǒng)耐逆基因工程也取得較大進展，而過表達乙二醛酶基因的轉(zhuǎn)基因植物具有較高的乙二醛酶活性和抗氧化劑水平，有助于保持細胞內(nèi)MG的穩(wěn)態(tài)平衡，可有效防止過量的MG積累所誘發(fā)的細胞損傷，發(fā)揮MG的信號作用，如何獲得具有多重耐性的乙二醛酶系統(tǒng)轉(zhuǎn)基因植物，尤其是轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物是目前亟待解決的科學(xué)問題。