植物中活性氧信号转导及其检测方法研究进展

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1、植物中活性氧信号转导及其检测方法研究进展赵晓玉，薛娴，卢存福，林金星，万迎朗*(北京林业大学生物科学与技术学院，北京100083)摘要:活性氧(ＲOS)作为一种重要信号分子在植物体生命活动的多方面发挥着关键作用。为对活细胞内的ＲOS分子进行研究分析，人们发展出了多种检测手段。其中，荧光探针作为一种高度灵敏、直观的标记技术，在植物ＲOS研究中得到广泛应用。近年来，通过蛋白质工程和基因工程技术，研究者们基于绿色荧光蛋白创造出一批新型的特异性荧光探针，为进一步探索植物体内ＲOS信号途径提供更有力的工具。本文概述了植物细胞中ＲOS信号转导通路，并总结针对不同ＲOS组分的多种研

2、究方法，尤其对利用荧光探针标记技术检测胞内ＲOS的研究进展进行详细介绍。关键词:活性氧;信号传导;植物细胞;荧光标记;显微探测中图分类号:Q942;Q945;Q336文献标识码:Adoi:10.3969/j．1000-6281.2014.02.015活性氧(reactiveoxygenspecies，ＲOS)包括单线究进展。态氧(1O)、超氧阴离子(O－·)、过氧化氢(HO)2222和羟基自由基(OH·)等(图1)。它们主要来源于叶绿体、线粒体和过氧化物酶体等氧化代谢活动较为旺盛的细胞器，并随即被胞内抗氧化防御组分所清除［1，2］(图2)。ＲOS在植物体生命活动过程中

3、发挥双重作用:一方面，它可以对细胞分裂、细胞程序性死亡(PCD)、激素信号转导、生物和非生物胁迫反应等生理进程起到调节作用;另一方面，它又对多种细胞组分造成氧化损伤［1，3］。由于ＲOS组分高度活跃，半衰期很短，在细胞中的产生和清除同时进行，大量ＲOS信号往往在数秒甚至数毫秒内便被传递至下游细胞器［4，5］。因此，必须通过高时空分辨率的分析手段才能精确地检测ＲOS的动态变化，从而探索ＲOS在信号转导和生长调控中的作用。最初对ＲOS的检测多采用分光光度法、电子自旋共振捕获法等技术［6］。然而，这些技术均难以对ＲOS分子在活细胞内进行高时空分辨率的分析。因此，现代活细胞内

4、荧光探针标记和显微成像技术成为应用最广泛的检测方法［7，8］，该技术可监测植物体内多种不同ＲOS产生和变化的实时动态信息。本文简要介绍了ＲOS信号转导途径，并详细阐述了植物细胞ＲOS研究方法尤其是荧光探针法检测ＲOS的研图1三重态氧分子通过连续的一价还原反应形成多种ＲOS分子的过程Fig．1GenerationofdifferentＲOSbysequentialunivalentreductionofgroundstatetripletoxygen．［2］。［2］ＲOS信号转导ＲOS信号与植物内稳态紧密相关，细胞内环境的波动变化都会导致特定ＲOS迅速产生，并作为细胞第

5、二信使通过细胞质或细胞器到细胞核的信号转导途径影响核内基因转录［9～11］。NADPH过氧化物酶(ＲBOHs)介导的ＲOS合成反应和高浓度ＲOS下的反馈抑制作用之间的平衡关系决定了ＲOS信号的强度、持续时间和定位［12］。以有丝分裂原激活蛋白激酶(MAPKs)级联反应为例，植物中感知转导ＲOS的主要机制包括:(1)胞内某种未知的ＲOS受体蛋白和其他信号分子受体能通过激酶级联反应途1收稿日期:2014－01－18基金项目:国家自然科学基金资助项目(No．31271433);北京林业大学杰出青年人才培育计划(JC2013-2);新世纪优秀人才计划(No．12-0785)．

6、作者简介:赵晓玉(1988－)，女(汉族)，河南人，硕士．E-mail:zhaoxiaoyu27@hotmail．com*通讯作者:万迎朗(1976－)，男(汉族)，四川人，副教授，博士研究生导师．E-mail:ylwan@bjfu．edu．cnNECT-第2期赵晓玉等:植物中活性氧信号转导及其检测方法研究进展189径激活MAPKs，并调控多种转录因子活性并调控下游基因表达。(2)ＲOS分子直接影响对ＲOS敏感的转录因子与DNA的亲和力(如HSFs和NPＲ1)，进一步调控相关基因的表达;(3)ＲOS直接抑制磷酸酶途径，同时激活相关激酶，进而调控ＲOS信号通路［12～1

7、5］。近年来还发现，在植物细胞内还存在一种更为高效的ＲOS信号调控途径，即在逆境胁迫下，植物特定细胞器内会产生ＲOS信号，并进入细胞质基质和细胞核内，激活与此细胞器胁迫相关的基因表达(图2)［16，17］。为了应对各种生物和非生物胁迫，细胞ＲOS信号与钙信号、激素信号和胞内代谢网络信号之间相互整合，并作出特异性响应。如Ca2+与ＲBOHs蛋ＲOS引导的信号支路会与在细胞内与植物激素如水杨酸(SA)、吲哚乙酸(IAA)、赤霉素(GA)和脱落酸(ABA)以及其他小分子物质例如一氧化氮(NO)等信号支路相互整合，形成复杂的信号网络来应对多种不同环境变化和刺