谷胱甘肽转移酶 (glutathione S-transferase，GST，EC2.5.1.18) 是一种多功能酶，可以催化还原型谷胱甘肽 (glutathione，GSH) 和疏水、亲电底物的共价结合，形成共轭物隔离在液泡或转移到质外体，从而对内源和外来有害物质进行降解^[1]。GST几乎存在于所有的植物中，植物中多达90个基因编码谷胱甘肽转移酶，大多数基因在胁迫诱导下差异表达，它们在酶促活性氧清除机制中发挥着重要作用^[2]。基于序列和结构相似性，植物GST分为8类，Φ、ξ、τ、θ、λ、EF1Bγ、脱氢抗坏血酸还原酶 (DHAR) 和四氯代氢醌脱卤素酶 (TCHDQ)^[3-4]，在最近报道的植物GST分类中，新增了蚯蚓血红蛋白和Ⅰ两类^[5]。Φ、τ、λ和DHAR为植物所特有，Φ和τ在植物中含量最为丰富。通常GST以同源二聚体、异源二聚体或单体形式发挥酶功能，每个亚基的分子质量为23~30kDa^[6]。所有可溶性GST除λ和DHAR之外，均以二聚体蛋白形式存在^[7]，每个亚基都具有两个不同功能区域组成的活性位点，N端含谷胱甘肽特异结合的G位点，C端含特异底物结合的H位点。由于亚基残基间的不相容性，不同类型的亚基间不能形成二聚体，而相同类型GST亚基，即使存在较大的氨基酸序列差异，也可以形成二聚体^[8-9]。GST是一种多功能酶，从植物胚的形成直至衰老的各个发育阶段都普遍存在。GST除解毒功能外，还可作为胞内运输和催化花青素-谷胱甘肽结合的非酶载体，通过谷胱甘肽泵运输到液泡^[10]。GST参与很多非生物胁迫应答，如盐胁迫、干旱胁迫、低温胁迫、重金属污染、除草剂毒性等，在植物抗逆胁迫响应机制中起到重要作用。本文对GST在抵御植物非生物胁迫中的作用进行综述，为植物基因工程育种奠定基础。

1 植物GST与盐胁迫

盐胁迫通过渗透胁迫、离子毒害等过程抑制植物生长^[11]。高盐通过降低土壤水势引发渗透胁迫，较高的土壤渗透势降低了土壤水势，土壤水势低于植物根部水势使植物根部吸水困难，引发生理干旱。盐渍化土壤含有高浓度的Na⁺，植物吸收的Na⁺取代细胞膜上的Ca²⁺，质膜通透性发生改变，造成离子毒害。此外，植物光能利用与二氧化碳同化作用的抑制，导致活性氧的产生和脂质过氧化，进一步破坏蛋白质和核酸等生物大分子，造成次生氧化胁迫^[12]。活性氧的平衡对保护生物体的正常代谢至关重要。植物GST通过抗氧化酶修复自由基引起的膜磷脂损伤、抑制微粒体过氧化反应等途径发挥抗氧化作用^[13]。

Yang等^[14]将刚毛怪柳 (Tamarix hispida Willd.) ThGSTZ1基因在拟南芥中过表达，获得的转ThGSTZ1基因拟南芥GST活性显著提高。在盐胁迫下，转基因植株体内H₂O₂和超氧阴离子水平明显低于野生型，且具有较低的失水率和较高的生物量，转基因植株GST、SOD、POD活性和叶绿素含量皆高于野生型，电解质渗透率和MDA含量低于野生型。Xu等^[15]将拟南芥AtGSTU19在拟南芥中过表达，转基因系GST活性显著高于野生型。用250mmol/L NaCl处理拟南芥幼苗，转基因株系的存活率在80%以上，而野生型的存活率几乎为零。在100mmol/L NaCl胁迫下，转基因系种子萌发率是野生型的2倍。在50mmol/L、100mmol/L NaCl胁迫下，转基因株系的平均根长较野生型分别增加35%和60%。在盐胁迫下，转基因系GST、POD、SOD等抗氧化物酶的活性显著高于野生型，并且转基因株系脯氨酸含量上升、MDA含量下降，表明转AtGSTU19拟南芥通过提高GST和其它抗氧化物酶的活性来维持细胞的活性氧平衡，增强植物对盐胁迫的抵抗能力。Jia等^[16]将野生大豆 (Glycine soja Sieb.et Zucc.) GsGSTU13和SCMRP共转入农菁1号苜蓿，用300mmol/L NaCl处理苜蓿，转基因植株生长良好而野生型逐渐死亡。测定转基因系H₂O₂和MDA含量显著低于野生型，而GST、SOD活性则显著升高。结果表明GsGSTU13在苜蓿中表达可减轻盐胁迫对苜蓿细胞膜结构造成的氧化损伤，维持植物在逆境条件下的生长。Kao等^[17]将油菜 (Brassica campestris L.) BcGSTU转化拟南芥。幼苗在150mmol/L NaCl培养基中胁迫7天，野生型叶片受损严重，而转基因幼苗叶片仍保持绿色。光合电子传递效率动力学分析表明，野生型及转入空载体幼苗的Fv/Fm值急剧下降，而转基因系则下降缓慢。盐胁迫后，转基因植株GSH/GSSG比率高于对照，说明转BcGSTU拟南芥在盐胁迫下维持了细胞氧化还原平衡及提高了植物的光合作用。Chan和Lam^[18]将大豆[Glycine max (Linn.) Merr.] GmGSTL1转化拟南芥。在125mmol/L和140mmol/L NaCl培养基中处理幼苗14天，转基因株系叶绿素含量显著高于野生型而活性氧的积累则更低，说明在拟南芥中过表达GmGSTL1赋予植物对抗盐胁迫的能力。

2 植物GST与干旱胁迫

水分在植物生长和发育中至关重要。季节性干旱使土壤水分不足，植物体内水分失衡使植物细胞脱水进而破坏细胞的结构和功能。干旱胁迫初期破坏植物渗透平衡，逐渐发展成代谢和生理障碍。植物缺水时，气孔导度降低，二氧化碳扩散，光合作用、呼吸作用和蒸腾作用下降。光系统Ⅱ活性受到抑制，电子的产生和利用失衡，产生的活性氧会破坏细胞膜脂结构、DNA和其他生物大分子，造成间接伤害^[19]。干旱胁迫导致活性氧在植物内的积累^[20]。植物通过GST等抗氧化酶清除体内过多的活性氧^[21]。

Wang等^[22]在根中获得组成型表达的香蕉 (Musa acuminata L.) MaGSTU2和MaGSTU3基因。15% PEG 6000处理香蕉根部，MaGSTU2和MaGSTU3表达量显著升高，表明两基因响应干旱胁迫。Liu等^[23]将沙梨[Pyrus pyrifolia (Burm.f.) Nakai] PpGST在烟草中过表达，转基因烟草GST活性比野生型增加19%。当土壤水分含量下降至9%时，干旱胁迫烟草7天，转PpGST烟草生长良好，超氧阴离子产生速率和MDA含量显著低于野生型，说明转PpGST基因减缓了干旱对植物造成的氧化损伤，增强了植物对干旱胁迫的耐受性。Xu等^[24]将番茄 (Lycopersicon esculentum Mill.) LeGSTU2转化拟南芥，转基因系GST活性显著高于野生型。在150mmol/L、300mmol/L甘露醇胁迫下，种子萌发后转基因系根长显著高于对照。3周龄幼苗撤水2周，复水后转基因系存活率为野生型的4倍。300mmol/L甘露醇胁迫下，转基因系GST、SOD、POD活性显著高于野生型，同时脯氨酸，叶绿素含量也显著增加，而MDA含量显著降低，表明在干旱胁迫下，转LeGSTU2拟南芥脯氨酸及抗氧化物酶含量的增加对维持细胞膨压和活性氧的平衡至关重要。Ji等^[25]将野生大豆GsGSTU转化烟草，转基因烟草GST活性是野生型的6倍。将萌发的烟草种子在4%、8%的甘露醇培养基中培养，2周后转基因烟草根长显著高于野生型。四周龄烟草撤水2周后，转GsGST烟草叶片比野生型更绿，说明在干旱胁迫下过表达GsGST赋予了烟草在苗期的胁迫耐受性。George等^[26]将牧豆树[Prosopis juliflora (Swartz) DC] PjGSTU1转化烟草，转基因系GST、GPX活性高于野生型。烟草在15% PEG的MS营养液中处理36h，转基因系枯萎程度比对照烟草轻。PjGSTU1定位于线粒体，具有GST和GPX活性。转PjGSTU1烟草在干旱胁迫下能更好的生存，表明PjGSTU1在活性氧清除系统中发挥积极作用。

3 植物谷胱甘肽转移酶与低温胁迫

植物的生长繁殖需要适宜的温度条件。温度过低令植物发育迟缓，甚至死亡。植物在遭受低温时，细胞膜系统的结构和功能首先受到伤害，膜质发生过氧化，细胞膜透性增大，溶质外渗^[27]。叶绿体、线粒体膜上的酶活力降低，光合作用和呼吸作用受到抑制，进而影响蛋白质的合成和正常的生理代谢活动^[28-29]。正常条件下，活性氧的产生与清除处于动态平衡。当植物遭受低温胁迫时，体内活性氧含量上升，过量的活性氧会破坏蛋白质等生物分子，破坏膜的完整性和功能。酶促防御系统中GST可催化GSH与膜脂过氧化物反应，从而减少低温胁迫对细胞膜结构的损伤。

Yang等^[30]将核桃 (Juglans regia L.) JrGSTU1瞬时表达，转基因核桃GSTU1表达量显著高于对照及RNAi沉默系。16℃、8℃处理核桃苗，转基因系GST、POD、SOD活性显著高于对照及RNAi沉默系，而电解质渗透率、H₂O₂、MDA含量显著低于野生型和RNAi沉默系。伊万斯蓝染色结果显示，转基因系染色较轻，RNAi沉默株系染色最重，表明瞬时表达GSTU1基因核桃可减轻低温对核桃细胞的损害。将JrGSTU1转化烟草。16℃处理四周龄幼苗，转基因烟草鲜重、叶绿素含量、GST、SOD活性显著高于对照，而H₂O₂、MDA含量显著低于野生型。16℃处理幼苗2h后，转基因株系活性氧含量显著低于野生型，说明低温胁迫下，转JrGSTU1植物GST活性的增强可能调节其它胁迫相关基因的表达以降低活性氧水平，增强植物耐低温能力。Zhao等^[31]将山茶花 (Camellia japonicaL.) 幼苗在8℃处理6h、12h、24h、48h后，收集第二和第三片叶子进行RNA提取并进行微阵列分析，结果表明，共19个GST基因发生了差异表达，其中14个GST基因表达量上调，同时1个谷胱甘肽过氧化物酶 (GPX) 基因的表达量也显著上升。低温处理幼苗6h和12h后，在上调基因翻译起始密码子上游2kb序列范围内，各发现9个和7个富集的转录因子结合位点，包括6个ABA响应元件 (ABRE)。在低温处理幼苗24h和48h后，发现1个富集的ABRE。结果表明，在低温胁迫下，GST可能通过ABA依赖的途径响应低温胁迫。Martret等^[32]将水稻DHAR转化烟草叶绿体，转基因系DHAR活性显著高于对照。15 ℃低温萌发种子，12天后，所有幼苗长势缓慢，但转基因幼苗生长势明显好于对照。4℃萌发种子，转基因种子萌发缓慢，野生型种子50天后未见萌发。切取6周龄烟草叶盘，8℃处理叶盘48h后，转DHAR系和野生型PSΠ最大光化学效率均下降至88%；72h后，转DHAR系PSΠ最大光化学效率为75%~83%，而野生型则下降至72%。8℃处理条件下，所有株系H₂O₂含量均上升，而转基因系H₂O₂含量显著低于对照，说明转DHAR烟草可增强DHAR酶活性，将过多的H₂O₂还原，降低H₂O₂还原成有毒^.OH的危险，维持细胞活性氧平衡。

4 植物谷胱甘肽转移酶与重金属胁迫

随着工业、农业、采矿业的发展，重金属等污染物不断地排放到土壤中，特别是Cd、Pb等强毒性重金属在土壤中含量的增加。这些微量元素可导致植物叶片萎黄，植物生长缓慢，影响植物代谢途径中关键酶的活性^[33]。当植物遭受重金属胁迫时，细胞膜结构和细胞膜功能发生改变，光合代谢和呼吸代谢受到抑制，导致细胞氧化损伤，造成植物死亡。

在植物中，谷胱甘肽转移酶可被重金属诱导表达^[34]。Kumara等^[35]用亚砷酸钠和砷酸氢二钠处理不同品种水稻，所有水稻OsGSTL2表达量均上调。将OsGSTL2转化拟南芥，转基因系萌发率、展叶率、根长、GST活性均高于野生型，表明GST在植物生长和发育中发挥重要作用。用不同浓度As、Cd、Cr处理拟南芥，植株根长、萌发率、展叶率显著高于对照，同时转基因系比野生型积累更多的As、Cd、Cr。结果表明，OsGSTL2响应重金属胁迫并通过增强植物体内的抗氧化系统提高拟南芥对重金属胁迫的耐受能力^[36]。Bernard等^[37]在甘蓝 (Brassica oleracea L.) 中研究了GSTU19基因在Cd/Pb胁迫中的应答反应。Cd浓度为10mg/kg，Pb浓度为250mg/kg、500mg/kg、1 000mg/kg时，混合添加Cd10+Pb250、Cd10+Pb500分别至土壤中。3天后，叶片中的BolC.GSTU19相对表达量分别提高了2.0倍和2.07倍；10天后，BolC.GSTU19相对表达量提高5.45倍和5.98倍。添加Cd10+Pb1 000至土壤10天，BolC.GSTU19相对表达量提高到3.22倍。结果表明，BolC.GSTU19可能参与甘蓝对Cd+Pb胁迫的应答响应。Liu等^[23]将沙梨PpGSTZ转化烟草。50mmol/L CdCl₂处理烟草，转基因系GST活性高于野生型。50mmol/L CdCl₂浇灌4周龄烟草5天，转基因烟草叶片黄化程度较轻，仍能继续生长，而野生型叶片严重枯萎，生长受到抑制。在50mmol/L CdCl₂胁迫下，转基因系超氧阴离子产生速率、MDA含量显著低于野生型。转PpGSTZ烟草增加的GST活性减缓了重金属对烟草细胞的氧化损伤，表明沙梨PpGSTZ在抵御重金属胁迫过程中发挥重要作用。

5 植物GST与除草剂解毒

近年来，除草剂使用的急剧增加对环境造成严重的影响。植物为了避免受到除草剂的伤害，进化出了复杂的解毒系统，这些系统包括一个三相解毒的过程^[38]。第一阶段的CytP450单加氧酶，第二阶段的谷胱甘肽S-转移酶 (GST) 和糖基转移酶 (GTS)，以及第三阶段的液泡膜定位的ATP结合盒转运蛋白^[39]。在上述解毒过程中GST发挥主要作用^[40]。植物GST催化谷胱甘肽对各种疏水化合物亲电基团的亲核攻击^[41-42]。GST催化谷胱甘肽与各种除草剂的结合使植物获得除草剂抗性和选择性, 减少除草剂对农作物的伤害^[43-44]。

Chronopoulou等^[45]将菜豆 (Phaseolus vulgaris L.) 幼苗叶片喷洒精吡氟禾草灵24h后，从叶片中分离得到精吡氟禾草灵诱导的PvGSTU1、PvGSTU2和PvGSTF1。测定GST活性是野生型的2.7~2.9倍。以精吡氟禾草灵和甲草胺为底物测定GST活性，三种酶对底物表现出较高的催化活性，表明PvGSTs在植物解毒精吡氟禾草灵机制中发挥积极作用。Cicero等^[46]将甜橙[Citrus sinensis(L.) Osbeck] CsGSTU1和CsGSTU2分别转入烟草，以消草醚为底物测定烟草GST活性，转CsGSTU1烟草、转CsGSTU2烟草的GST活性高于野生型。200μmol/L消草醚喷洒8周龄烟草5天后，转基因系叶片斑点较少而野生型叶片出现严重的坏死斑，转基因株系电解质渗透率明显低于野生型，表明转基因烟草抗氧化酶含量的增加有效地促进谷胱甘肽与除草剂的结合，降低除草剂对植物的毒害。Jo等^[47]利用水稻cDNA库分离得到OsGSTU4。GST可催化谷胱甘肽与消草醚类除草剂的结合，快速地对消草醚类除草剂解毒，同时GST对1-氯-2, 4-二硝基苯 (CDNB) 和氯乙酰苯胺除草剂也有较大活性，特别是甲草胺和乙草胺。结果表明，OsGSTU4在酰胺类除草剂解毒过程中发挥重要作用。Kim等^[48]将人参 (Panax ginseng C.A. Mey.) PgGSTT转化烟草，获得的转基因烟草GST活性显著提高。3周龄烟草叶盘在100mmol/L草丁膦溶液中处理4h和24h后，野生型叶片坏死程度明显大于转基因叶片。测定4h和24h后烟草叶片的叶绿素含量，结果显示24h后叶绿素含量有所下降，但转基因叶片叶绿素含量显著高于野生型，表明转PgGSTT烟草可减轻除草剂对植物的损伤，增强植物对外源毒性物质的代谢能力，PgGSTT在除草剂解毒过程中扮演着重要角色。

6 展望

植物GST可催化谷胱甘肽与疏水、亲电化合物质的亲核取代反应。GST通过催化GSH与毒性物质的结合，选择性地被ABC转运蛋白转入液泡。GST的催化反应步骤包括：GSH结合到G位点，-SH的pKa下降1.5~2个单位来促进巯基去质子，随后亲核的硫醇盐与H位点的亲电底物结合^[49]。非生物胁迫导致植物体产生过量的活性氧。一些编码GST和GPX活性的GST，可将H₂O₂催化生成氧化型谷胱甘肽 (GSSG) 和H₂O，也可将有机氢过氧化物分解为醇类、水和GSSG，GSSG随后被谷胱甘肽还原酶还原为GSH。植物GST参与抗坏血酸 (AsA)/谷胱甘肽 (GSH) 循环途径^[50]。抗坏血酸过氧化物酶 (APX) 以AsA为电子供体，催化H₂O₂还原为单脱氢抗坏血酸 (MDHA) 和H₂O。MDHA有两种还原途径。其一：通过单脱氢抗坏血酸还原酶 (MDHAR) 还原为AsA；其二：MDHA还原为脱氢抗坏血酸 (DHA)，再通过脱氢抗坏血酸还原酶 (DHAR) 以还原型GSH为电子供体，将MDHA还原为AsA。植物在抵抗逆境过程中GST的调节功能还是未知的，胁迫条件下不同种类GST是如何扮演各自的角色、GST种类的差异是否导致增强或抑制的调节作用、这些GST又是如何调控基因的表达及其与其它蛋白质的关系等都有待于进一步研究。随着GST蛋白质组学和蛋白质晶体学技术的不断发展，GST在胁迫条件下的调节功能和抗逆分子机制将成为今后的研究重点。

植物GST除上述催化GSH与底物结合的酶活性外，还可与次生代谢产物相互作用。黄酮醇在植物体中参与生物与非生物胁迫响应，GST可作为黄酮类化合物结合蛋白发挥非酶催化功能。在冷胁迫下花青素可以起到保护叶绿素的作用，GST可使花青素与GSH结合，通过ABC转运体选择性地将花青素转移至液泡^[51]。GST具有GSH依赖的过氧化物酶活性，推测其除催化脂肪酸氢过氧化物还原外，还可能参与催化其他氧化中间体包括次生代谢产物的还原。因此深入研究GST在次生代谢过程中的作用，揭示GST在非生物胁迫下的功能十分必要。植物GST在逆境条件下可提高植株抵御不良环境的能力，因此GST对于抗逆作物新品种的培育至关重要。利用基因工程技术大力开展高产抗逆作物新品种的研发，培育出高产抗逆优质作物新品种，如转基因水稻、小麦、大豆等，对逆境条件下提高农作物的品质性状和抗逆性能等方面具有重要意义。