NO与植物抗逆的关系

文献综述

题 目 NO与植物抗逆性研究 学 院 生命科学技术学院 学 号 107330902034 专 业 发育生物学 班 级 09级研究生 姓 名 安 梅 指导老师 赵兴绪

2011年 12月

甘肃农业大学生命科学技术学院 发育生物学课程论文

NO与植物抗逆性研究

安梅

甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070

弗奇戈特、伊格纳罗和穆拉德等因在动物NO信号途径的突出贡献而获得1998年诺贝尔生理学医学奖。NO不仅调节动物的生理过程如平滑肌的松弛、免疫调节和细胞凋亡等（Schmidt and Walter,1994），也参与调节植物的生理过程，早在1979年就已经发现植物可以释放NO及NO对植物生长的促进作用（Anderson and Mansfield,1979和Klepper,1979）。直到Delledonne等（1998）和Durner（1998）的2篇描述NO对植物防御反应作用的文章发表后，NO植物学的研究才引起国际植物学界的密切关注，一些有关NO在植物中作用的文章也相继出现。

1. NO的理化性质及其来源

NO是一种气体自由基，在π2轨道上具有未配对的电子，容易得到或失去一个电子，因而能以一氧化氮自由基（NO.）、亚硝酸正离子（nitrosonium cation,NO+）和硝酰自由基（nitroxyl radical,NO-）3种形式存在（Wojtaszek,2000）。NO微溶于水（0.047cm3/ cm3H2O,20℃,1 atm）,铁盐可以增强其水溶性，无论是在细胞的水溶性的原生质还是在脂溶性的膜系统，NO都能扩散移动（Anderson and Mansfield,1979）。因此，NO一旦产生，就很容易在细胞内和细胞间扩散。NO在植物中的半衰期为3-5s（Henry et al.,1997;Tuteja et al.,2004）,比其他的活性氧长的多。NO能与O2快速反应生产NO2，然后快速降解为硝酸根离子（NO3-）和亚硝酸根离子（NO2-）。NO广泛存在于生物体内（臧梦维等1996），是一种细胞间和细胞内信息传递的信使分子。近年来认为NO是一种在植物中普遍存在的关键信号分子（Durner et al.,1998;Wendehenne et al.,2004）,NO的作用范围主要是产生NO的细胞和邻近的细胞（Neill et al.,2003）。

在植物中有几条潜在的产生NO的途径，包括一氧化氮合成酶（nitric oxide synathase,NOS）、硝酸还原酶（nireate reductase,NR）、黄嘌呤氧化还原酶（xanthine oxidoreductase,XOR）和非酶促反应途径。NO非酶促反应则主要是一些硝基类化合物的硝化及反硝化过程（Wojtaszek 2000）。

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反硝化作用 L-Arg N O S NO NO3 内胡萝卜素 - NR or NiR .硝化作用 反硝化作用 NO XOR NO/ -NO +NO2- N2 固氮作用 .O2-/H2O2 硝化作用 NH4+ OONO- 氧化酶/POD N2O NO NO2 图1 植物体内NO的来源

Fig.1 the production of nitric oxide in plant

2. NO的生理作用

2.1 NO对植物生长发育的影响

高浓度的NO（400-800nL/L）抑制番茄（Lycopersicon esculentum）生长，低浓度（0-200nL/L）时促进生长（Anderson and Mansfield,1979）。Takahashi和Yamasaki(2002)证明在叶绿体内NO能够可逆地抑制电子传递和ATP的合成。NO通过参与植物的呼吸作用（Milar et al.,1996）、光形态建成（Beligni and Lamattina 2000）、种子萌发（Caro 1999；Beligni and Lamattina 2000）、根和叶片的生长发育（Leshem et al.,1996；Ribeiro et al.,1999）、衰老（Leshem et al.,1998；Tu Ji et al.,2003）等过程来实现对细胞的影响。NO会对细胞的增殖和凋亡产生影响。此外Gouvea等（1997）和Pagnussat等（2002）发现NO能促进植物根系的生长。 2.2 NO参与非生物因素的胁迫

NO除参与植物抗病防御反应外，也参与非生物因素造成的胁迫反应。通过调节植物体内活性氧（reactive oxygen species, ROS）代谢来减轻氧化胁迫伤害（Pedrose et al.,2000），包括叶绿体降解、离子渗漏、膜脂过氧化以及DNA断裂等（Veronica，1999）。NO能诱导烟草抗逆信号传导调控基因的表达；NO能提高温度胁迫下叶绿素含量及净光合速率（魏小红，2005），另外，NO抑制植物线粒体细胞色素氧化酶（COX）活性的同时增强抗氰呼吸，避免因线粒体电子传递链受阻而引起的ROS积累（Yamasaki 2000）。在植物中，NO功能具有二元性：在低浓度下，它有保护作用；而

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高浓度NO则对细胞带来严重伤害。各种非生物胁迫如水分和盐胁迫、机械损伤以及紫外线等都可以诱导ROS形成，而低浓度NO可通过各种方式与ROS作用，发挥抗氧化功能。在短时间的热胁迫下可以检测到豌豆叶片中NO产生的增加，NO也能增强番茄、小麦和玉米的抗寒性。另一方面，高浓度NO处理豌豆叶片可以诱发胁迫症状，NO供体SNAP(S-nitroso-N-acetylpenicillamine)增加叶绿素荧光；用浓度相当于1mmol/LNO的SNAP 处理豌豆叶片可以看到脂氧合酶(lipoxygenase,LOX) 活性显著降低。这些都表明，高浓度NO可以是胁迫诱导因子。

干旱是常见的制约农业生产的环境因素，因此了解干旱胁迫下细胞内保存水分的机制很重要。缺水胁迫条件下，植物合成ABA，通过一系列复杂的信号级联机制诱导气孔关闭，在此情况下可以检测到豌豆叶片中NO产生的增加。在拟南芥中，干旱通常首先影响根系，导致NO释放增加,外源和内源NO均可促进对ABA依赖的气孔关闭 。有研究表明，NO和ABA 可以各自独立诱导气孔关闭，但也存在正协同效应。Desikan等的研究表明，NO是一个介导ABA诱导气孔关闭的关键性信号分子，保卫细胞中NO的生物合成途径尚不清楚。药理学、生理学和基因证据都说明拟南芥细胞中NO的生物合成是NR介导的，NR介导的NO合成对于ABA诱导的气孔关闭是必需的。

盐害也是农业生产中的重要不利环境因素，盐胁迫主要表现为渗透胁迫和离子平衡的破坏。已有研究表明，NO参与盐胁迫以及渗透胁迫信号应答。Ruan等报道，0.1和1 mmol/LNO供体SNP可以显著减轻由150和300mmol/LNaCl分别处理所诱导小麦叶片的氧化性损伤。他们进一步研究证实，NO可以显著增强SOD、CAT活性，这两种酶可以清除盐胁迫下小麦叶片中O2-和H2O2 的积累。张华等的研究表明，在渗透胁迫下，用SNP处理小麦种子,可以显著促进种子的萌芽、胚根和胚芽的延长；在渗透胁迫解除后，小麦种子仍维持较高活力。此外，SNP能显著诱导渗透胁迫下CAT、抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase, APX)活性上升以及脯氨酸含量积累，但抑制LOX活性，这些对提高渗透胁迫下的小麦种子萌发期间抗氧化能力是有益的。说明NO和渗透胁迫信号应答有联系。

2.3 NO参与生物因素的胁迫

当用NO供体处理马铃薯叶片时，苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia lyase, PAL)、?-1,3葡聚糖酶以及3- 磷酸甘油醛脱氢酶基因的mRNA水平都增加，而这3种酶是涉及植物病原相互作用防卫机制的，说明NO对马铃薯的保护效应与植物的防卫机制有关。Delledonne等的实验表明，NO与豌豆悬浮细胞和拟南芥的抗病过程有联系。

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当外界病原物侵染植物后，引起植物过敏反应（Dowler, 1994; 何晨阳，1996），此时NO参与抗病过敏反应，即通过形成活性氧化突增（oxidative burst），参与启动快速防卫抗病反应和细胞编程死亡过程（Ninnemann, 1996；Jabs, 1996; 宋凤鸣, 1996）。NO 能诱导烟草抗花叶病毒(TMV)的能力（魏小红等，2005），外源活性氧处理和病原驱动的氧化突增，都需要NO的存在才能发挥最大的作用（Dangl, 1998）。

但同时NO又是一种氮自由基，可能与其他自由基一样有直接毒杀作用（Dangl, 1998）。可与O2- 作用，生成破坏作用极强的超氧亚硝酸根离子，引起核酸的亚硝酰化而导致DNA的断裂；并可与酶分子的Fe-S中心结合诱变这些酶的生化性质。因而它在动物病理条件下和巨噬细胞中可大量合成，直接起细胞毒杀作用，杀死细菌等病原。另外，NO可通过诱导植物植保素基因的表达达到抗病的目的（Noritake,1996）。 2.4 NO通过植物氮代谢的调节提高植物的蛋白含量

魏小红（2006）发现NO可调节烟草和小麦氮代谢及蛋白含量。NO能通过调节植物体内硝酸还原酶（nireate reductase,NR），调节植物体内含氮化合物，提高植物蛋白含量。

3. NO与植物激素的相互作用关系

有关NO与植物激素的最早报道是在植物衰老领域的研究，Leshem和Haramaty（1996）发现NO参与了乙烯的释放。在水分胁迫下，小麦根尖NOS活性迅速上升，产生的NO是诱导ABA积累的关键信号分子（Zhao et al.,2001）。水杨酸（SA）也是植物天然产生的生长调节物质之一。SA在植物抗病反应中的积累可以抑制过氧化氢酶而使细胞积累H2O2，它也是植物系统获得性抗性建立的关键信号分子（Chen et al.,1993）。NO与SA的关系较为复杂，不仅NO可以作为信号诱导SA合成，而且SA也可以激活植物NO合成途径（Klessing et al.,2000）。NO与SA复杂的关系还表现在它们的信号传递途径上，一些基因的表达仅需要NO或SA，而另一些基因则需要NO和SA的协同作用（Durner et al.,1998）。

细胞分裂素可以诱导烟草和拟南芥细胞培养物的NO合成（Tun et al.,2001）。一些细胞分裂素的效应能够被NO模拟，NO供体诱导苋幼苗中betalaine的积累，细胞分裂素诱导的betalaine的积累被NOS抑制剂抑制（Scherer and holk,2000）。这些结果表明NO可能具有调节细胞分裂素的作用。

在豌豆保卫细胞和其他表皮细胞中ABA诱导NO的迅速合成（Neill et al.,2002a）。在拟南芥（Desikan et al.,2002）和蚕豆（Garcia Mata and Lamattina,2002）中也发现了同

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样的现象。在拟南芥悬浮培养物中，ABA不能诱导NO的合成（Tun et al.,2001），说明ABA诱导的NO合成具有组织特异性。在豌豆中，ABA诱导的保卫细胞NO的合成是气孔关闭所需要的，当用清除剂PTIO去除NO时，ABA诱导的气孔关闭则被显著抑制。药理学证据表明NOS作为一种NO的来源，ABA诱导的气孔关闭和NO的合成都被L-NAME抑制，但不被钨酸盐抑制（Neill et al.,2002a）。

NO对植物的其他作用也可能与激素有某些关系，例如玉米根尖的生长既可被生长素促进，也可被多种释放NO的药品处理所刺激。Pagnussat等（2002）报道生长素能够诱导黄瓜根合成NO，虽然NO的合成途径还没有确定，但黄瓜根的生长和侧根的形成需要NO。NO的作用位点应处于生长素的上游，因为NO清除剂不能抑制生长素的作用（Gouvea et al.,1997），但目前仍然不知道NO是否参与生长素合成。现已证明植物的种子萌发、下胚轴生长、叶片生长及脱黄化等光敏色素调节的光控发育过程也涉及NO的作用（Beligni and Lamattin,2000; Giba et al.,1998;Leshem and Haramaty,1996），深入研究这些过程中的NO与各种植物激素的关系将有助于阐明NO在植物中的作用方式。

4. NO的信号转导

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SA的生物合成 MAPKs NO 与含有铁的蛋白质相互作用，调节其活性 磷酸蛋白激酶的活化 蛋白质巯基的 S-亚硝酸化 GCs的活化 cGMP 被(cGMP)-PDEs代谢 cGMP-门离子通道的活化 cADP 代谢？ 通过从胞内贮藏库释放，细胞质[Ca2+] 已确定的途径 可能的途径 图2 NO的信号转导

Fig.2 NO signaling transduction

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