植物體內(nèi)一氧化氮的來源及其在非生物脅迫中的作用

李美蘭，李德文，祖元剛

(東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點實驗室，哈爾濱 150040)

近年來，一氧化氮 (NO)作為一種信號分子，得到越來越多的矚目。NO是一種具有水溶性和脂溶性的小分子物質(zhì)，具有自由基性質(zhì)，因其半衰期非常短，一般在幾秒鐘左右，所以其作用范圍主要是產(chǎn)生NO的細胞和鄰近的細胞［1］。植物體內(nèi)NO來源主要有兩種途徑:在一氧化氮合酶 (NOS)、硝酸還原酶 (NR)及亞硝酸還原酶 (NiR)等酶類的作用下生成，即酶促反應(yīng);另一種是非酶促反應(yīng)，即由底物直接降解生成［2］。許多研究表明:NO可以緩解在非生物脅迫下植物細胞所受的氧化傷害，對植物具有保護作用［3］。本文綜述了植物體內(nèi)NO的來源、NO在植物體內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及NO在非生物脅迫中的作用等。

1 植物體內(nèi)NO的來源

1.1 酶促反應(yīng)

1.1.1 一氧化氮合酶 (NOS)

哺乳動物主要由NOS催化L－精氨酸 (LArg)生成NO。植物體中已證實有NOS存在，用NOS抑制劑能夠有效抑制植物細胞胞質(zhì)等中NO的形成［4］。在玉米幼苗的葉和根尖及豌豆葉片的過氧化物酶體中均發(fā)現(xiàn)NOS類似蛋白［1］，但是至今仍未在高等植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)類似動物NOS基因或蛋白。

1.1.2 硝酸還原酶 (NR)

NR是主要以為底物產(chǎn)生NO，且NR催化產(chǎn)生NO與植物組織中的積累水平有關(guān)，很多植物也可以通過誘導(dǎo)型NR產(chǎn)生NO［5］。

1.2 非酶促反應(yīng)

多數(shù)情況下，在酸化的區(qū)域或組織中，多由非酶促途徑形成NO［1］。例如由類胡蘿卜素轉(zhuǎn)化的光介導(dǎo)非酶反應(yīng)生成NO，或在抗壞血酸或光參與時使生成NO［5］。

2 NO的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

NO信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通過以下兩條途徑，一條是依賴于環(huán)磷酸鳥苷 (cGMP)途徑，另一條是不依賴于cGMP途徑。依賴于cGMP途徑:NO通過與受體鳥苷酸環(huán)化酶 (GC)的鐵離子結(jié)合，提高GC活性，增加cGMP生成并激活依賴于cGMP的蛋白激酶，誘導(dǎo)苯丙氨酸解氨酶和抗病毒蛋白－1(PR－1)等與抗逆相關(guān)基因的表達;在不依賴于cGMP途徑中，NO通過抑制順烏頭酸酶活性來完成其信號轉(zhuǎn)到功能［5］。由于線粒體中順烏頭酸酶被NO氧化失活，經(jīng)線粒體的電子傳遞鏈電子流被降低，細胞內(nèi)檸檬酸濃度的升高，誘導(dǎo)與抗病有關(guān)的交替氧化酶 (AOX)活性上升，從而減少ROS的產(chǎn)生［6］。

3 NO在非生物脅迫中的作用

NO作為信號分子參與抗逆信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、誘導(dǎo)抗逆基因表達，從而緩解非生物脅迫對植物的氧化傷害作用［4］。但是高濃度NO具有生理毒性，對植物具有傷害作用，低濃度NO對植物具有保護作用［3］。

3.1 NO在鹽脅迫中的作用

用0.1 mmol/L NO供體SNP處理鹽脅迫下的堿蓬種子，能顯著增加種子的萌發(fā)率，增加種子的含水量和吸水速率，以緩解鹽的滲透脅迫［7］。鹽脅迫下，NO可有效增加黃瓜幼苗的下胚軸和胚根的長度，增加脯氨酸含量和增強過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶 (APX)、超氧化物歧化酶 (SOD)和谷胱甘肽還原酶 (GR)等抗氧酶活性，降低過氧化氫 (H2O2)含量，減緩根尖細胞的線粒體和細胞壁的傷害，從而對幼苗具有保護作用，并且這種保護作用可能取決于由NO引起的較高的抗氧化能力［8］。在50 mmol/L NaCl脅迫下，用0.05～2.0 mmol/L SNP處理長春花幼苗發(fā)現(xiàn)，0.1 mmol/L SNP可顯著增加長春花幼苗的鮮重、干重、凈光合速率 (Pn)、氣孔導(dǎo)度 (Gs)、蒸騰速率 (Tr)和提高過氧化物酶 (POD)活性，提高光合作用，促進生長，增加生物量;而0.5 mmol/L SNP，顯著提高色氨酸脫羧酶 (TDC)活性、增加吲哚總堿、長春堿、長春質(zhì)堿、長春新堿和文多靈等生物堿的含量［9］。

3.2 NO在干旱脅迫中的作用

干旱脅迫下，NO可以提高抗氧化酶活性，降低活性氧的積累，增加滲透調(diào)解物質(zhì)，增強植物的抗旱性。干旱脅迫下，低濃度外源NO可提高小麥幼苗葉片抗氧化酶活性，延緩小麥幼苗葉片水分喪失，緩解膜脂過氧化程度，但隨著SNP濃度的提高，其緩解作用逐漸降低，甚至加劇膜透性增加，表明干旱脅迫下NO的調(diào)控作用具有二元性，并且在同一脅迫條件下，NO的適宜濃度存在品種差異，抗旱性強的適宜濃度低于抗旱性弱的小麥品種［10］。低濃度外源NO能有效促進葉片的光合效率，增加葉綠素含量和相對含水量，提高POD和CAT活性，降低MDA含量，減緩水分脅迫對翅果油樹的傷害，增強其耐旱性［11］。干旱脅迫下，噴施低濃度的SNP(0.1～0.5mmol/L)可有效提高石蒜的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量，提高SOD、POD、CAT酶活性，降低葉片細胞膜透性和MDA含量，提高石蒜的抗旱性，而高濃度的SNP(5和10 mmol/L)則與之相反，對石蒜有毒害作用［12］。干旱脅迫下，外源一氧化氮不僅能提高抗氧化酶類的活性，還可以提高三磷酸腺苷酶 (ATP酶)(H+－ATP酶、Ca2+－ATP酶)的活性［13］，從而緩解干旱脅迫對細胞膜的傷害，為植物提供所需能量。

3.3 NO在紫外輻射脅迫中的作用

NO可以有效防止UV－B輻射對植物的傷害，大多可能是通過增強抗氧化酶的活動介導(dǎo)的［3］。外源NO通過提高衣藻的SOD、CAT、POD等抗氧化酶類的活性，從而緩解UV－B輻射脅迫對衣藻的傷害，并且認為NO可能是既作為第二信使又作為一種抗氧化劑起作用［14］。UV－B誘導(dǎo)損傷藍藻的實驗表明:NO通過提高SOD，POD，CAT和谷胱甘肽的積累，可以降低和消除細胞內(nèi)的活性氧，從而減輕由高強度UV－B脅迫對藍藻的氧化損傷［15］。外源NO還能明顯減緩UV－B脅迫對螺旋藻細胞造成的氧化損傷。在UV－B脅迫下，NO作為UV－B信號的下游信號分子 (第二信使)能夠調(diào)節(jié)螺旋藻細胞內(nèi)活性蛋白的合成，增加其含量，誘導(dǎo)POD、SOD、CAT活性的提高，降低活性氧、超氧陰離子、H2O2及羥基等自由基的產(chǎn)生與積累，從而保護細胞［16］。因此，在紫外輻射脅迫下，施加適當(dāng)濃度的外源NO可以提高植物的抗氧化酶類的活性，及時清除細胞內(nèi)活性氧，降低活性氧的積累，降低細胞膜脂過氧化程度，從而明顯減緩UV－B輻射脅迫對植物的傷害。

3.4 NO在其他脅迫中的作用

外施60 μmol/L SNP能夠顯著提高100 mmol/L NaHCO3脅迫下黑麥草幼苗葉片提高SOD、POD、APX等抗氧化酶活性，促進可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)和脯氨酸等滲透溶質(zhì)積累，改善Na+與K+平衡，降低活性氧積累，從而緩解堿脅迫對幼苗生長抑制作用及傷害，提高黑麥草的耐堿性［17］;60 μmol/L SNP還可以提高100 mmol/L NaHCO3脅迫下黑麥草幼苗葉片葉綠素含量及 PSⅡ的天線轉(zhuǎn)化效率和反應(yīng)中心開放的比例，促進光合電子的傳遞，并將天線捕獲的激發(fā)能更多地分配給光化學(xué)反應(yīng)，減少天線熱耗散的份額，使兩光系統(tǒng)間激發(fā)能分配失衡得到改善，緩解了堿脅迫引起的光抑制對光合機構(gòu)的破壞，從而提高黑麥草的光合效率［18］。添加20μmol/L SNP能顯著緩解鎘脅迫對玉米幼苗根生長抑制及根尖內(nèi)源鎘的積累，減少電解質(zhì)的滲漏，降低超氧化物自由基和H2O2含量，顯著增加了GR的活性，因此外源NO通過降低植株體內(nèi)內(nèi)源鎘積累和減輕鎘誘發(fā)的氧化傷害來緩解鎘脅迫對玉米幼苗生長造成的傷害［19］。在 Pb2+脅迫下，25μmol/L SNP可以提高小麥種子的葉綠素和可溶性蛋白含量，提高CAT活性，緩解Pb2+脅迫對小麥種子萌發(fā)及幼苗生長的抑制作用［20］。在鎘脅迫下，施加外源SNP可保護鎘對水稻幼苗的毒害作用［21］。

綜上所述，在非生物脅迫中，NO可以通過提高抗氧化酶活性，調(diào)節(jié)植物體內(nèi)滲透勢的平衡，減少活性氧積累，降低細胞膜質(zhì)過氧化程度，從而在不同程度上緩緩非生物脅迫對植物造成的傷害。

4 展望

NO是近年植物學(xué)研究的熱點之一，由于NO廣泛參與植物的生長、發(fā)育和抗逆等生理過程，未來將對NO對植物抗性的影響機制和NO作為信號分子作用機制進行進一步探討，進一步對植物的NOS基因進行分離和鑒定也將會是今后研究的一個熱點。由于大多數(shù)實驗主要是通過施加外源NO供體硝普鈉進行研究，因此對植物內(nèi)源NO的生理調(diào)節(jié)功能和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制應(yīng)進行進一步深入研究。

【參 考 文 獻】

［1］張洪艷，趙小明，白雪芳，等．植物體內(nèi)一氧化氮合成途徑研究進展［J］．西北植物學(xué)報，2009，29(7):1496 －1506．

［2］張盛敏，王羅霞，陳銀華．一氧化氮與植物激素之間相互作用研究進展［J］．南方農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011，42(3):261 －266．

［3］Siddiqui Manzer H，Al－ Whaibi Mohamed H，Basalah Mohammed O．Role of nitric oxide in tolerance of plants to abiotic stress［J］．Protoplasma，2011，248(3):447 －455．

［4］張艷艷，章文華，薛 麗，等．一氧化氮在植物生長發(fā)育和抗逆過程中的作用研究進展［J］．西北植物學(xué)報，2012，32(4):0835－0842．

［5］張緒成，上官周平，高世銘．NO對植物生長發(fā)育的調(diào)控機制［J］．西北植物學(xué)報，2005，25(4):812 －818．

［6］Vanlerberghe G C，Mclntosh L．Signals regulating the expression of the nuclear gene encoding alternative oxidase of plant mitochondria［J］．Plant Physiology，1996，111(2):589 － 595．

［7］袁 芳，楊劍超，陳 敏，等．NaCl脅迫下外源NO供體硝普鈉(SNP)對鹽地堿蓬種子萌發(fā)的影響［J］．植物生理學(xué)通訊，2010，46(1):24 －28．

［8］Lin Y，Liu Z，Shi Q，et al．Exogenous nitric oxide(NO)increased antioxidant capacity of cucumber hypocotyl and radicle under salt stress［J］．Scientia Horticulturae，2012，142:118 －127．

［9］胡凡波，隆小華，劉 玲，等．硝普鈉對 NaCl脅迫下長春花幼苗光合及生物堿的影響［J］．土壤學(xué)報，2011，48(5):1044 －1050．

［10］李 慧，張 倩，王金科，等．外源NO對干旱脅迫下小麥幼苗抗氧化酶活性的影響［J］．江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，22(12):1 －3．

［11］馬引利，閆桂琴，李 瑾，等．干旱脅迫條件下外源NO對翅果油樹幼苗生理生化特征的影響［J］．西北林學(xué)院學(xué)報，2011，26(3):30－35．

［12］蔣明敏，徐 晟，夏 冰，等．干旱脅迫下外源氯化鈣、水楊酸和一氧化氮對石蒜抗旱性的影響［J］．植物生理學(xué)報，2012，48(9):909－916．

［13］李 慧，趙文才，趙會杰，等．外源一氧化氮供體硝普鈉對干旱脅迫下小麥幼苗葉中ATP酶活性和膜脂過氧化的影響［J］．植物生理學(xué)通訊，2009，45(5):455 －458．

［14］朱 濤，胡建業(yè)，侯玉杰．UV－B輻射下NO對衣藻生長及抗氧化酶活性的影響［J］．平頂山工學(xué)院學(xué)報，2009，18(1):25－27．

［15］Xue L，Li S，Sheng H，et al．Nitric oxide alleviates oxidative damage induced by enhanced ultraviolet－B radiation in Cyanobacterium［J］．Current Microbiology，2007，55(4):294 －301．

［16］薛林貴，李師翁，張寶芹，等．一氧化氮對增強UV－B脅迫下螺旋藻抗氧化酶活性的影響［J］．天水師范學(xué)院學(xué)報，2009，29(5):25－30．

［17］劉建新，王 鑫，王瑞娟，等．外源一氧化氮供體硝普鈉對黑麥草幼苗耐堿性的影響［J］．生態(tài)學(xué)雜志，2011，30(10):2173－2178．

［18］劉建新，王金成，王 鑫，等．外源 NO對NaHCO3脅迫下黑麥草幼苗光合生理響應(yīng)的調(diào)節(jié)［J］．生態(tài)學(xué)報，2012，32(11):3460－3466．

［19］李海燕，郭永成，李劉洋，等．外源一氧化氮對鎘脅迫下玉米幼苗根生長及氧化傷害的影響［J］．西北植物學(xué)報，2012，32(8):1599－1605．

［20］魏學(xué)玲，史如霞，賈凌云，等．外源一氧化氮對鉛脅迫下小麥種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響［J］．植物研究，2011，31(1):34－39．

［21］Piyalee P，Shwetosmita N，Thorny C，et al．Cadmium stress－ induced oxidative stress and role of nitric oxide in rice(Oryza sativa L．)［J］．Acta Physiologiae Plantarum，2011，33(5):1737 －1747．