植物体内一氧化氮的来源及其在非生物胁迫中的作用

李美兰，李德文，祖元刚

(东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室，哈尔滨 150040)

近年来，一氧化氮 (NO)作为一种信号分子，得到越来越多的瞩目。NO是一种具有水溶性和脂溶性的小分子物质，具有自由基性质，因其半衰期非常短，一般在几秒钟左右，所以其作用范围主要是产生NO的细胞和邻近的细胞［1］。植物体内NO来源主要有两种途径:在一氧化氮合酶 (NOS)、硝酸还原酶 (NR)及亚硝酸还原酶 (NiR)等酶类的作用下生成，即酶促反应;另一种是非酶促反应，即由底物直接降解生成［2］。许多研究表明:NO可以缓解在非生物胁迫下植物细胞所受的氧化伤害，对植物具有保护作用［3］。本文综述了植物体内NO的来源、NO在植物体内的信号转导途径及NO在非生物胁迫中的作用等。

1 植物体内NO的来源

1.1 酶促反应

1.1.1 一氧化氮合酶 (NOS)

哺乳动物主要由NOS催化L－精氨酸 (LArg)生成NO。植物体中已证实有NOS存在，用NOS抑制剂能够有效抑制植物细胞胞质等中NO的形成［4］。在玉米幼苗的叶和根尖及豌豆叶片的过氧化物酶体中均发现NOS类似蛋白［1］，但是至今仍未在高等植物体内发现类似动物NOS基因或蛋白。

1.1.2 硝酸还原酶 (NR)

NR是主要以为底物产生NO，且NR催化产生NO与植物组织中的积累水平有关，很多植物也可以通过诱导型NR产生NO［5］。

1.2 非酶促反应

多数情况下，在酸化的区域或组织中，多由非酶促途径形成NO［1］。例如由类胡萝卜素转化的光介导非酶反应生成NO，或在抗坏血酸或光参与时使生成NO［5］。

2 NO的信号转导途径

NO信号转导通过以下两条途径，一条是依赖于环磷酸鸟苷 (cGMP)途径，另一条是不依赖于cGMP途径。依赖于cGMP途径:NO通过与受体鸟苷酸环化酶 (GC)的铁离子结合，提高GC活性，增加cGMP生成并激活依赖于cGMP的蛋白激酶，诱导苯丙氨酸解氨酶和抗病毒蛋白－1(PR－1)等与抗逆相关基因的表达;在不依赖于cGMP途径中，NO通过抑制顺乌头酸酶活性来完成其信号转到功能［5］。由于线粒体中顺乌头酸酶被NO氧化失活，经线粒体的电子传递链电子流被降低，细胞内柠檬酸浓度的升高，诱导与抗病有关的交替氧化酶 (AOX)活性上升，从而减少ROS的产生［6］。

3 NO在非生物胁迫中的作用

NO作为信号分子参与抗逆信号转导、诱导抗逆基因表达，从而缓解非生物胁迫对植物的氧化伤害作用［4］。但是高浓度NO具有生理毒性，对植物具有伤害作用，低浓度NO对植物具有保护作用［3］。

3.1 NO在盐胁迫中的作用

用0.1 mmol/L NO供体SNP处理盐胁迫下的碱蓬种子，能显著增加种子的萌发率，增加种子的含水量和吸水速率，以缓解盐的渗透胁迫［7］。盐胁迫下，NO可有效增加黄瓜幼苗的下胚轴和胚根的长度，增加脯氨酸含量和增强过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶 (APX)、超氧化物歧化酶 (SOD)和谷胱甘肽还原酶 (GR)等抗氧酶活性，降低过氧化氢 (H2O2)含量，减缓根尖细胞的线粒体和细胞壁的伤害，从而对幼苗具有保护作用，并且这种保护作用可能取决于由NO引起的较高的抗氧化能力［8］。在50 mmol/L NaCl胁迫下，用0.05～2.0 mmol/L SNP处理长春花幼苗发现，0.1 mmol/L SNP可显著增加长春花幼苗的鲜重、干重、净光合速率 (Pn)、气孔导度 (Gs)、蒸腾速率 (Tr)和提高过氧化物酶 (POD)活性，提高光合作用，促进生长，增加生物量;而0.5 mmol/L SNP，显著提高色氨酸脱羧酶 (TDC)活性、增加吲哚总碱、长春碱、长春质碱、长春新碱和文多灵等生物碱的含量［9］。

3.2 NO在干旱胁迫中的作用

干旱胁迫下，NO可以提高抗氧化酶活性，降低活性氧的积累，增加渗透调解物质，增强植物的抗旱性。干旱胁迫下，低浓度外源NO可提高小麦幼苗叶片抗氧化酶活性，延缓小麦幼苗叶片水分丧失，缓解膜脂过氧化程度，但随着SNP浓度的提高，其缓解作用逐渐降低，甚至加剧膜透性增加，表明干旱胁迫下NO的调控作用具有二元性，并且在同一胁迫条件下，NO的适宜浓度存在品种差异，抗旱性强的适宜浓度低于抗旱性弱的小麦品种［10］。低浓度外源NO能有效促进叶片的光合效率，增加叶绿素含量和相对含水量，提高POD和CAT活性，降低MDA含量，减缓水分胁迫对翅果油树的伤害，增强其耐旱性［11］。干旱胁迫下，喷施低浓度的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，降低叶片细胞膜透性和MDA含量，提高石蒜的抗旱性，而高浓度的SNP(5和10 mmol/L)则与之相反，对石蒜有毒害作用［12］。干旱胁迫下，外源一氧化氮不仅能提高抗氧化酶类的活性，还可以提高三磷酸腺苷酶 (ATP酶)(H+－ATP酶、Ca2+－ATP酶)的活性［13］，从而缓解干旱胁迫对细胞膜的伤害，为植物提供所需能量。

3.3 NO在紫外辐射胁迫中的作用

NO可以有效防止UV－B辐射对植物的伤害，大多可能是通过增强抗氧化酶的活动介导的［3］。外源NO通过提高衣藻的SOD、CAT、POD等抗氧化酶类的活性，从而缓解UV－B辐射胁迫对衣藻的伤害，并且认为NO可能是既作为第二信使又作为一种抗氧化剂起作用［14］。UV－B诱导损伤蓝藻的实验表明:NO通过提高SOD，POD，CAT和谷胱甘肽的积累，可以降低和消除细胞内的活性氧，从而减轻由高强度UV－B胁迫对蓝藻的氧化损伤［15］。外源NO还能明显减缓UV－B胁迫对螺旋藻细胞造成的氧化损伤。在UV－B胁迫下，NO作为UV－B信号的下游信号分子 (第二信使)能够调节螺旋藻细胞内活性蛋白的合成，增加其含量，诱导POD、SOD、CAT活性的提高，降低活性氧、超氧阴离子、H2O2及羟基等自由基的产生与积累，从而保护细胞［16］。因此，在紫外辐射胁迫下，施加适当浓度的外源NO可以提高植物的抗氧化酶类的活性，及时清除细胞内活性氧，降低活性氧的积累，降低细胞膜脂过氧化程度，从而明显减缓UV－B辐射胁迫对植物的伤害。

3.4 NO在其他胁迫中的作用

外施60 μmol/L SNP能够显著提高100 mmol/L NaHCO3胁迫下黑麦草幼苗叶片提高SOD、POD、APX等抗氧化酶活性，促进可溶性糖、可溶性蛋白质和脯氨酸等渗透溶质积累，改善Na+与K+平衡，降低活性氧积累，从而缓解碱胁迫对幼苗生长抑制作用及伤害，提高黑麦草的耐碱性［17］;60 μmol/L SNP还可以提高100 mmol/L NaHCO3胁迫下黑麦草幼苗叶片叶绿素含量及 PSⅡ的天线转化效率和反应中心开放的比例，促进光合电子的传递，并将天线捕获的激发能更多地分配给光化学反应，减少天线热耗散的份额，使两光系统间激发能分配失衡得到改善，缓解了碱胁迫引起的光抑制对光合机构的破坏，从而提高黑麦草的光合效率［18］。添加20μmol/L SNP能显著缓解镉胁迫对玉米幼苗根生长抑制及根尖内源镉的积累，减少电解质的渗漏，降低超氧化物自由基和H2O2含量，显著增加了GR的活性，因此外源NO通过降低植株体内内源镉积累和减轻镉诱发的氧化伤害来缓解镉胁迫对玉米幼苗生长造成的伤害［19］。在 Pb2+胁迫下，25μmol/L SNP可以提高小麦种子的叶绿素和可溶性蛋白含量，提高CAT活性，缓解Pb2+胁迫对小麦种子萌发及幼苗生长的抑制作用［20］。在镉胁迫下，施加外源SNP可保护镉对水稻幼苗的毒害作用［21］。

综上所述，在非生物胁迫中，NO可以通过提高抗氧化酶活性，调节植物体内渗透势的平衡，减少活性氧积累，降低细胞膜质过氧化程度，从而在不同程度上缓缓非生物胁迫对植物造成的伤害。

4 展望

NO是近年植物学研究的热点之一，由于NO广泛参与植物的生长、发育和抗逆等生理过程，未来将对NO对植物抗性的影响机制和NO作为信号分子作用机制进行进一步探讨，进一步对植物的NOS基因进行分离和鉴定也将会是今后研究的一个热点。由于大多数实验主要是通过施加外源NO供体硝普钠进行研究，因此对植物内源NO的生理调节功能和信号转导机制应进行进一步深入研究。

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