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超氧化物歧化酶及其在烟草上的应用综述

2007-01-18

  1、超氧化物歧化酶(sod)

  1938年,keilis首次分离出超氧化物歧化酶(super oxide dismutase,缩写sod),1969年,mccord和fridovitch发现[1]sod具有催化超氧化物阴离子(02.-)歧化的功能。sod是广泛存在于需氧生物细胞内的一族含金属辅助因子的酶,根据其辅基部位结合金属离子的不同,可以分为:cu、zn―、mn―和fe―sod[2]。这3种酶存在于生物体不同的细胞器中,cu、zn―sod存在于真核生物和某些原核生物中,在植物中是含量最为丰富的一类,主要分布于叶绿体、胞质和过氧化物酶体中;mn―sod主要存在于原核生物和真核生物的线粒体中;fe―sod存在于原核生物和一些高等植物中,植物通常分布于叶绿体中。sod催化02.-的歧化反应,生成h202和02,h202在过氧化氢酶(cat)和谷胱甘肽过氧化物酶(gsh―px)催化下转化为水而得以清除。因此,sod是生物体抗氧化胁迫的关键酶类[3],其活性决定了o2.一和h202的浓度。

  2、活性氧自由基对烟草生长的影响

  自由基(flee radical,fr)是指带有不成对电子的分子、原子团、原子或离子。fr中氧自由基(oxygen free radicals,ofr)与机体损伤有着密切的关系。ofr包括o2.-和羟基自由基(ho•)等,另外,活性氧如h202和单线态氧(1o2),虽然不是fr,但其氧化作用亦强,经过反应可形成ofr或涉及fr反应,所以也常被列为ofr;广义的ofr还包括脂类(rh)过氧化中间产物r'、roo'和rooh等比氧活泼的物质[4]。

  烟叶生产过程中经常会发生干旱和低温,无论是在高温还是低温胁迫下,烟苗内内源性抗氧化剂的含量均显著下降,细胞膜透性增大,02.-大量产生,积累膜脂过氧化产物(mda),并随低温胁迫时间的延长而增加,膜脂过氧化作用加剧,活性氧生成与清除失衡,从而对烟苗的生长发育和烟叶品质产生不良影响。另外,烟叶烘烤同样是一个人为的干旱和高温胁迫过程,烟叶中活性氧的积累导致膜脂过氧化作用,有可能影响烘烤期间烟叶的衰老进程,进而影响烤后烟叶的化学成分。此外,当烟草处于其它逆境胁迫下如病原物侵染等,烟草内也会大量产生ofr,导致膜脂过氧化和膜透性丧失,引起代谢紊乱而使机体受到伤害[5,6]。

  试验[7,8]证明,无论是用适当浓度组合的硫酸亚铁与h202反应产生的ho•,还是直接用一定浓度的h202处理烟草悬浮细胞,都能够观察到明显的细胞染色质凝聚、细胞质皱缩和细胞核解体等典型的细胞凋亡的形态学特征,同时在烟草悬浮细胞dna琼脂糖凝胶电泳图谱上观察到,因核dna有规则地在核小体间被降解而产生的阶梯状条带,表明ho•和h202都能够诱导烟草细胞凋亡。

  3、卷烟烟气中的ofr及其危害性

  研究[9,10]表明,卷烟烟气中含有多种有害的o2.一、ho•和烷氧基fr,这些fr的寿命虽然非常短,但其危害性却远远大于烟碱。通过吸烟,人体有可能吸人这些fr。这些高浓度的fr尽管在体外的存活时间很短,但一旦吸入人体后,就会消耗人体内的抗氧化剂,产生氧化胁迫(oxidative stress),并且攻击不饱和脂肪酸、蛋白质、氨基酸和dna,使之发生变性[11,12]导致肺、心和脑血管损伤,从而引起肺气肿、肺癌、肺间质纤维化等一系列疾病。

  正常情况下,人体内fr的产生和消除处于一种平衡状态,一旦fr产生过多或抗氧化能力下降就会使平衡失调。从分子水平上看,ofr对生物大分子结构具有广泛的破坏性作用,对核物质的作用可以导致碱基改变或丢失、dna断裂或交联、癌基因的激活和失活等,特别是染色质位于核小体之间的组蛋白成分是ofr攻击的主要目标[13]。卷烟烟气fr在人体内的作用结果是:①造成dna损伤突变、生物膜氧化损伤和神经损伤等;②可能在体内激活和产生更多的自由基如o2.一和ho•。

  4、在烟草抗逆(病)方面的应用

  在转基因烟草、苜蓿、土豆和棉花中,叶绿体sod的过量表达,提高了这些植物对氧化胁迫的耐受性[14];将存在于线粒体中的mn―sod导人烟草、苜蓿的叶绿体后,其转基因植株对臭氧及干旱胁迫的抗性增强[15];转基因烟草chisod的过量表达,提高了植株对冻害的耐受性[16,17]。研究[18]表明,将拟兰芥(aba-bidopsis thaliana)的fe―sod基因转化烟草(nicotiana tabacum cv petit havana sr1)叶绿体,fe―sod的过量表达能够增强叶绿体质膜和光合系统ⅱ对mv(methyl viologen,甲基紫精,即“百草枯”)和高盐过氧化胁迫的抗性。

  研究[19]发现,豌豆(pisum sativum)中的cu、zn―sod基因在烟草(n tabacum cv.xanthi)叶绿体中适度的增量表达(2倍左右),烟株对逆境有一定程度的抗性,在强光和寒冷的环境下,转基因烟株在发育的任何阶段均比非转基因烟株的光合作用速率高;转基因烟草对“百草枯”的耐性同样得以提高(1.2µlmol•l-1),并且对高光引起的光抑制不敏感。在“百草枯”或镉造成的氧化胁迫条件下,从paxillus involutus中克隆得到pisod产物能够有效地拯救sod突变体烟草转化株[5]。n.plumbaginifolia中的mn―sod在n.tabacum cv.pbd6叶绿体或者线粒体中过量表达,显著减少了“百草枯”(1.2µmol•l―1)和o3氧化胁迫所产生的ofr数量,提高了烟株对逆境的耐性[20]。另据报道[21]:用sod防治烟草气候斑点病(weather fleck),田间喷施0.04u/mlsod,病指防效达74.49%。

  5、在降低卷烟烟气自由基中的应用

  卷烟烟气中的fr一般分为气相fr和固相fr[22]。固相fr可以用普通醋纤滤嘴滤除,因而祛除卷烟烟气fr的研究主要集中在气相fr方面。hersh等[23]称,将一种酶催化剂和sod加入滤嘴、烟草中或用这种混合抗氧化剂处理烟斗和卷烟纸,可消除或降低卷烟烟气fr。该混合物中包括l―谷胱甘肽、过氧化氢酶和sod等抗氧化剂酶,这种含sod的抗氧化剂混合物能够清除、中和由燃烧或者加热烟草制品释放的fr,从而减轻吸烟对人口咽腔、呼吸道以及肺部造成的损伤。

  6、建议

  总之,sod在增强烟草抗逆(病)性和降低卷烟烟气ofr方面具有良好的作用。然而国内外均研究较少,因此,为适应低危害卷烟发展的需要,应加强sod在两烟生产方面的基础和应用研究:①利用sod生产优质烟叶,即在烟叶生长期间施用sod或利用sod基因资源和基因工程技术培育具有优良性状的转基因烟草,以增强烟苗、烟株的抗逆(病)性,减少农药使用量;②利用生物源活性sod生产低危害卷烟,如用适宜浓度的sod溶液处理滤嘴活性炭,或者将sod加入滤嘴增塑剂中,以降低或清除卷烟烟气自由基。


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