NO信號(hào)分子及其在植物抗病反應(yīng)中的作用研究綜述

王晨

摘要：NO是一種重要的信號(hào)分子，在植物抗病反應(yīng)中起重要作用，可提高抗氧化酶活性，激發(fā)苯丙烷代謝途徑，刺激植物過敏反應(yīng)的發(fā)生。植物體內(nèi)NO產(chǎn)生途徑有NOS產(chǎn)生途徑、NR途徑、非酶促途徑3種。本文進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：No;抗病反應(yīng);抗氧化酶;苯丙烷代謝;過敏反應(yīng)

NO是一種不帶電荷的氣態(tài)自由基，具有親脂性，能通過生物膜快速擴(kuò)散，它是廣泛存在于生物體內(nèi)的一種氣體分子。近年來研究表明，NO在植物生理活動(dòng)中也起著關(guān)鍵樞紐作用，參與植物種子萌發(fā)、葉片生長(zhǎng)發(fā)育、氣孔運(yùn)動(dòng)、呼吸作用、光形態(tài)建成以及抗病防御反應(yīng)等多種生理過程的調(diào)節(jié)。然而，最引人注目的是NO在植物體的抗病防御反應(yīng)中的作用。

1NO在植物抗病反應(yīng)中的作用

自1998年Dumer等發(fā)現(xiàn)NO是植物的一種防御信號(hào)以來，目前已在多個(gè)植物——病原物互作體系中發(fā)現(xiàn)感病植物體內(nèi)NO含量大量進(jìn)發(fā)。Nakatsubo等和Foissner等利用NO特異性熒光探針技術(shù)，發(fā)現(xiàn)疫霉（Phytophtora parasitica var.nicotianae Tucker）的真菌激發(fā)子處理煙草表皮細(xì)胞后，幾分鐘內(nèi)NO誘發(fā)的熒光在胞內(nèi)多個(gè)部位即可檢測(cè)到，而用NO的清除劑或一氧化氮合成酶（NOS）的抑制劑同時(shí)處理可以抑制熒光產(chǎn)生。

研究表明，植物體內(nèi)NO具有雙重的生理效應(yīng)：當(dāng)胞內(nèi)NO濃度過高時(shí)，NO作為一種自由基，可作用于細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子，導(dǎo)致膜脂過氧化反應(yīng)，還可與O2-相互作用生成大量的ONOO-，后者質(zhì)子化再形成具有強(qiáng)氧化性的過氧亞硝酸（HOONO），破壞生物大分子結(jié)構(gòu)與功能;而適當(dāng)濃度的NO可作為信號(hào)分子通過激活植物抗性基因和防衛(wèi)基因的表達(dá)、誘導(dǎo)寄主過敏反應(yīng)等途徑參與調(diào)控寄主對(duì)病原物的應(yīng)答反應(yīng)。

1.1提高抗氧化酶活性

為有效防止自由基對(duì)植物細(xì)胞的氧化傷害，植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中形成了一套防御機(jī)制，以維持體內(nèi)的自由基處于一定的濃度范圍，該機(jī)制包括酶促和非酶促抗氧化系統(tǒng)。非酶促系統(tǒng)包括抗壞血酸（ascorbic acid，AsA）、胡蘿卜素、谷胱甘肽（glutathione，GSH）等;酶系統(tǒng)包括超氧化物歧化酶（superoxide dis-mutase，SOD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、抗壞血酸過氧化物酶（ascorbateperoxidase，APX），以及谷胱甘肽還原酶（glutathione re-ductase，GR）、單脫氫抗壞血酸還原酶（mono-dehy-droascorbate reduetase，MDHAR）、脫氫抗壞血酸還原酶（dehydroascorbate reduetase，DHAR）等。一般認(rèn)為，植物體內(nèi)抗氧化能力越高，抵抗環(huán)境脅迫的能力越強(qiáng)。研究表明，NO可以誘導(dǎo)植物體內(nèi)抗氧化酶活性大量升高，提高植物抗性。Sunita等研究發(fā)現(xiàn)，NO可以提高鹽脅迫下鷹嘴豆體內(nèi)CAT和APX活性從而緩解植物鹽害效應(yīng)。Hu等發(fā)現(xiàn)，NO可通過調(diào)節(jié)小麥體內(nèi)抗氧化酶、SOD、CAT活性提高重金屬銅脅迫下小麥種子萌發(fā)率。Urszula和Sylwia等研究發(fā)現(xiàn)，番茄——灰霉菌（Botytis cinerea）互作中，外源NO對(duì)番茄體內(nèi)CAT和APX酶活性具有調(diào)節(jié)作用。研究表明，NO還能提高感病大豆、煙草體內(nèi)抗氧化酶GST基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。

1.2激發(fā)苯丙烷代謝途徑

苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia lyase，PAL）是一種重要的植物防御酶，是苯丙烷衍生物代謝途徑中的第一個(gè)關(guān)鍵限速酶㈣。查爾酮合酶（chalconesynthase，CHS），是類黃酮和異黃酮衍生物抗生素合成途徑的第一個(gè)酶，在植物抗病反應(yīng)中也起重要作用。病程相關(guān)蛋白（Pathogenetisis-Related Proteins，PR-蛋白），是植物受病原菌侵染后產(chǎn)生的一類誘導(dǎo)性蛋白質(zhì)，具有抗蛋白水解酶、幾丁質(zhì)酶或β-1，3葡聚糖酶特性，可抑制病原菌對(duì)寄主細(xì)胞壁的降解作用而有效抵御侵染。擬南芥基因表達(dá)分析顯示，NO能誘導(dǎo)抗性基因pal、chs轉(zhuǎn)錄水平提高，而抑制NOS活性能顯著降低PAL和CHS的積累。向大豆懸浮細(xì)胞中添加L-NAA（NOS合成酶抑制劑）可明顯減弱由丁香假單胞菌（Pseudomonas syringae）誘導(dǎo)的pal基因的表達(dá);相反，SNP可誘導(dǎo)pal基因的轉(zhuǎn)錄，而且這種誘導(dǎo)作用可以被NO專一性的抑制劑cPTIO所抑制。水稻——稻瘟病互作的研究中表明，NO供體可以誘導(dǎo)水稻懸浮細(xì)胞抗性基因pal、prl的轉(zhuǎn)錄水平，并且這2個(gè)抗性基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)度隨著NO供體處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加;而使用NO清除劑都可以抑制這2個(gè)抗性基因的轉(zhuǎn)錄。在馬鈴薯一疫霉互作體系的研究中表明，NO供體還可誘導(dǎo)馬鈴薯植保素的積累，而NO清除劑PBITU幾乎可完全抑制植保素的產(chǎn)生。

1.3誘發(fā)植物過敏反應(yīng)

植物過敏反應(yīng)（hypersensitive response，HR）是植物和病原物不親和互作中最常見的類型，也是一種常見的植物抗病性反應(yīng)。它是指植物細(xì)胞受到病原物侵染后，侵染點(diǎn)周圍及鄰近組織細(xì)胞主動(dòng)快速死亡，導(dǎo)致病原菌營(yíng)養(yǎng)匱乏，從而限制病原物在寄主體內(nèi)繁殖和擴(kuò)展的一種防衛(wèi)反應(yīng)。Levin等發(fā)現(xiàn)，白粉病菌（Blumeria graminis Lsp.hordei）可誘導(dǎo)大麥表皮細(xì)胞短暫的NO暴發(fā)，且發(fā)生在HR反應(yīng)之前嘲。用無毒丁香假單胞菌侵染擬南芥，可誘導(dǎo)擬南芥HR反應(yīng)，若同時(shí)用哺乳動(dòng)物NOS的抑制劑處理葉片，則可以阻斷這種過敏性反應(yīng)。

2植物中N3產(chǎn)生途徑

研究表明，植物中NO合成主要有3種途徑：NO合成酶（nitric oxide synthase，NOS）途徑，硝酸還原酶（nitrite reductase，NR）途徑，非酶促途徑。

2.1 NOS酶途徑

哺乳動(dòng)物中，NO大多來源于NOS途徑，是一類細(xì)胞色素P450相關(guān)的二聚體酶。研究表明，NOS能在黃素單核苷酸（navin mononucleotide，F(xiàn)MN）、黃素腺嘌呤二核苷酸（navin adenine dinucleotide，F(xiàn)AD）、四氫葉酸（BH4）、鈣調(diào)蛋白（CaM）催化下，以NADPH和O2為底物，轉(zhuǎn)化L-精氨酸生成L-瓜氨酸和NO。多個(gè)試驗(yàn)表明，采用哺乳動(dòng)物NOS抑制劑可抑制植物體內(nèi)NO含量。如細(xì)菌很快誘導(dǎo)大豆懸浮細(xì)胞中NO產(chǎn)生，且L-NNA（哺乳動(dòng)物NOS抑制劑）可有效抑制NO合成;Foiisner等用激光共聚焦顯微鏡技術(shù)，來自疫酶（Phytophtora parasitica var.nicotianae Tucker）的激發(fā)子可誘導(dǎo)煙草中NO釋放，且煙草中的NOS活性可被L-NMMA（哺乳動(dòng)物NOS抑制劑）抑制。

2.2 NR途徑

研究表明，NR可催化2個(gè)電子從NADPH/NADH上轉(zhuǎn)移到硝酸鹽中，還原生成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽可進(jìn)一步還原最終生成NO。Rockel等發(fā)現(xiàn)，菠菜葉片中的NR，在離體和連體的條件下均有催化亞硝酸鹽單電子還原合成NO的活性。Yamamoto等還發(fā)現(xiàn)，受真菌侵染后馬鈴薯塊莖上NR轉(zhuǎn)錄出現(xiàn)瞬時(shí)增加，這說明植物與病原物互作中NO的大量積累也可能來自NRm。

2.3非酶促途徑

非酶促反應(yīng)主要是指氮的氧化和植物代謝之間的化學(xué)反應(yīng)。研究表明，NOd在酸性和還原性條件下，可直接生成NO，而抗壞血酸鹽、L一半胱氨酸、NADPH和其他硫醇類物質(zhì)可促進(jìn)該反應(yīng)的發(fā)生。Bethke等采用NO熒光探針技術(shù)發(fā)現(xiàn)，NO能在大麥糊粉層培養(yǎng)細(xì)胞中迅速合成，并且伴隨著培養(yǎng)基中亞硝酸鹽含量的減少而減少，而在培養(yǎng)基中加入還原劑（如ABA及一些酚類物質(zhì)）則能加快NO產(chǎn)生。另外，植物自身也可通過硝化和反硝化、固氮或呼吸作用氧化N02產(chǎn)生NO，如燈心草、銀杏的葉片可吸收N02，然后以NO的形式釋放出來。