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植物体中一氧化氮的检测方法及其应用



全 文 :植物生理学通讯 第 43卷 第 5期,2007年 10月 921
植物体中一氧化氮的检测方法及其应用
张丽丽 1, 2, 周杰1,*
山东农业大学 1化学与材料科学学院,2园艺科学与工程学院,山东泰安 271018
Methods for Determining Nitric Oxide in Plants and Their Applications
ZHANG Li-Li1, 2, ZHOU Jie 1,*
1College of Chemistry and Material Science, 2College of Horticulture Science and Engineering, Shandong Agricultural University,
Tai’an, Shandong 271018, China
提要: 文章介绍植物体中 NO的各种检测方法及其应用的研究进展。
关键词: 一氧化氮;检测;植物
收稿 2007-01-25 修定  2007-07-15
* 通讯作者 (E-mail:zhoujie@sdau.edu.cn;Tel:0538-
8 2 4 2 1 7 4 )。
一氧化氮(NO)是一种具有水溶性和脂溶性的
气体分子,自 1992年被《科学》杂志评为“年
度分子”后(Koshland 1992),关于NO的生物学
研究大量涌现,并成为生命科学领域研究的热点
之一。早在上世纪 70 年代,人们就发现植物能
释放 NO,并对其生长产生影响(Klepper 1979;
Anderson和Mansfield 1979)。直到 1998年人们发
现 N O 可以作为植物抗病反应的信号分子后
(Delledonne等 1998;Durner等 1998),NO的植
物生物学研究才引起人们的广泛关注。研究发
现,N O 是植物体中普遍存在的关键信号分子
(Durner和Klessig 1999),参与植物的多种生理过
程,例如能够促进根和叶片的生长发育(Gouvêa
等 1997;Corpas等 2006),促进种子休眠和需光
种子的萌发(Beligni和 Lamattina 2000;Sarath等
2006),延缓果实的成熟与衰老(朱树华等 2004;
Zhu等 2006;Zhu和 Zhou 2007),并在植物受到
生物胁迫和非生物胁迫时参与其抗逆反应 (Zhao等
2001;Shi等 2005;Wang等 2006)。由于NO在
植物体内有如此多的作用,因而如何快速、灵敏
和直接地对其进行检测显得非常重要。但NO的
半衰期短,仅为 3~5 s,极易被氧化,在植物体
内含量极低,因此给检测带来诸多困难。迄今直
接检测植物体中NO的方法并不多,一些比较成
熟的检测动物体内NO的方法还难以直接应用于植
物组织内NO的检测,为了促进植物体内NO检测
方法研究的深入,本文就检测植物体内NO的方
法及其研究进展作一介绍。
1 化学发光法
NO能被臭氧(O3)氧化成激发态NO2*,NO2*
在返回基态时发射波长为 600~3 000 nm的光,因
此通过发射光的检测可以实现 NO 的定量测定。
此方法具有较高的灵敏度,目前在检测植物体内
NO时仍常采用。Rockel等(2002)将叶片总面积约
达500~1 000 cm2的整株向日葵(Helianthus annuus)
或菠菜(Spinacia oleracea)转移到实验装置中,植
物上部放在连续搅拌的釜式反应器内,其生成的
NO气体进入反应室中与O3作用,检测发光强度
就可测定出NO量。Planchet等(2005)也用此法成
功检测了烟叶(Nicotiana tabacum)及其细胞悬浮液
中释放的NO。此外,Planchet和Kaiser (2006)还
通过大量实验,将该法与荧光法测定NO进行了
比较,认为化学发光法测量气态NO比荧光法灵
敏,荧光法无法检测到的低浓度(≤ 1 nmol·L-1)
NO用化学发光法则可以测定。尽管臭氧化学发
光法有较高的灵敏度,但此法只能检测气相中
NO,对于溶液中的NO必须用惰性气体将其抽提
出来,但这易受样品中其他因素的干扰,因此其
所测定的NO含量并不能完全代表组织细胞内的实
际含量(Xu等 2004)。
NO能为过氧化氢(H2O2)氧化生成ONOO-,而
ONOO-作为一种强氧化剂能够氧化鲁米诺,使其
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呈激发态,当其返回基态时即发出强光,据此可
以定量测定NO。由于NO2-和NO3-均不能激发这
一反应,因此此法有较好的灵敏度和特异性而广
泛应用于动物样品溶液中 NO的测定(Kojima等
1997;Yao等 2002;Tsukada等 2003)。但由于
H2O2对植物体可能会产生伤害,因而NO的功能
分析受到限制(Xu等 2004)。目前,鲁米诺发光
法一般用于测定植物体中的H2O2,而用于NO的
检测还有待研究。
2 分光光度法
NO易被氧化生成NO2-,在酸性条件下溶液
中的NO2-可与Griess试剂发生重氮化反应,生成
橙红色产物,此产物在波长 550 nm处有最大吸收
峰,吸光度与NO2-或NO的含量成正比,以此可
以测定NO的量。如Abas等(2006)在研究马来西
亚一些传统蔬菜抑制NO产生时,将培育的细胞
悬浮液与等体积量的Griess试剂混合后,测其在
550 nm处的吸光度,以此确定 NO含量。Xu等
( 2 0 0 5 a )将 G r i e s s 试剂加入等量的贯叶连翘
(Hypericum perforatum)细胞悬浮液中,并在室温
下反应 30 min后,根据其吸光度可以计算出贯叶
连翘细胞释放的NO含量。此外,人们在研究马
铃薯(Solanum tuberosum,Beligni和 Lamattina
2002)和蚕豆(Vicia faba,Sokolovski等2005)中NO
的生理作用时,也用此种方法测定NO供体硝普
钠(sodium nitroprusside,SNP)和 S-亚硝基 -N-乙
酰青霉胺(S-nitroso-N-acetylpenicillamine,SNAP)
释放的NO量。但由于此法测定的是NO2-,所以
是一种间接测定 NO 的方法,其选择性较差。
此外,还可以根据 N O 与氧合血红蛋白
(HbO2)反应生成高铁血红蛋白(metHb)后,其最大
吸收波长会发生改变的原理检测波长401 nm和421
nm处吸光度的变化以确定NO含量变化。此法已
广泛用于检测植物体释放NO的研究。Clarke等
(2000)先用过氧化氢酶和超氧化物歧化酶处理拟南
芥(Arabidopsis thaliana)细胞悬浮液除去活性氧
(ROS)后,加入HbO2,反应后再测其吸收度,从
而确定NO的释放量。他们的实验表明,拟南芥
在受到病原体侵染后,细胞内NO的释放速率高
达 180 nmol·g-1 (FW) ·h-1。Orozco-Cárdenas和Ryan
(2002)将冷冻的番茄(Lycopersicon esculentum)叶片
捣碎、均化、离心后,采用此法测定其悬浮液
释放的NO量的结果表明,受伤的番茄叶中NO量
并未增加,但NO能抑制蛋白酶抑制剂基因的表
达。另外还有人在采用此法测定贯叶连翘细胞
(Xu等2005a)和大豆(Glycine max)初生根组织悬浮
液(Hu等 2005)的NO生成量中也获得成功。但血
红蛋白除与NO作用外,还能与活性氧等发生反
应,因此用此法难以准确检测 NO 的实际含量。
3 电化学法
电化学法是直接测定 NO 的一种常用方法,
主要包括还原法、氧化法及催化氧化法。是根据
NO易失去电子被氧化后在正极发生电化学反应的
原理,通过测定反应产生的氧化电流大小检测
NO的浓度(定天明等 2005)。此法能够实现溶液中
NO的实时在线检测,而且灵敏度高。Floryszak-
Wieczorek等(2006)用Nafion膜修饰的铂电极检测
了属于常春藤叶型的蔓性天竺葵(Pe largonium
peltatum)叶片中产生的NO,他们认为要实现对目
标植物组织或细胞产生的内源 NO 的在线检测,
电化学法似乎有一定的应用前景。此外,人们通
过电极的基础实验研究,迄今已开发出几种商品
化的NO微传感器,其中World Precision Instru-
ment (WPI)公司开发的一系列传感器应用较多,
以电化学法检测植物体内NO时多采用此传感器。
Yamasaki等(1999)及Yamasaki和Sakihama (2000,
2001)采用WPI公司生产的 ISO-NOP电极检测NO
量的结果表明,从玉米(Zea mays)种子中提纯到的
诱导型硝酸还原酶(iNR)和硝酸还原酶(NR)都能介
导NO的产生,而且NR介导NO产生时还受温度
影响。但此法只能用于溶液中NO的检测,且方
法选择性不强。
4 电子顺磁共振波谱法
电子顺磁共振 ( E P R )又称电子自旋共振
(ESR),常用来检测和研究含有未成对电子的顺磁
性物质。NO 分子含有一个未成对电子,因此用
ESR波谱测定比较适合。由于NO的寿命短,需
采用自旋捕获剂将其捕获形成稳定的自由基或配合
物,常采用的自旋捕获剂有血红蛋白(Hb)、有机
化合物和亚铁配合物等。NO被捕获后生成顺磁
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性物质,在磁场作用下,未成对电子能级发生分
裂,当外加的电磁波能量与电子分裂的能级差相
等时,未成对电子即会发生跃迁,电子顺磁共振
仪上即显示出信号,其信号强度与NO含量成正
比,据此可测定 N O 量。
Mathieu等(1998)在温度77 K下用EPR检测到
大豆根瘤中存在NO,实验表明NO与豆血红蛋白
(Lb)形成的复合物 Lb-NO在幼瘤中含量最高,但
在衰老根瘤中却几乎不存在。Dordas等(2003)用
N-甲基 -D-葡萄糖胺(MGD)和硫酸亚铁(FeSO4)制
备成NO自旋捕获剂 Fe2+-(MGD)2,于室温下测定
受缺氧胁迫的紫花苜蓿(Medicago sativa)根中NO
生成量,其检测限为 0.5 µmol·L-1。Xu等(2004,
2 0 0 5 b )建立了一种用二乙基二硫代氨基甲酸
(DETC)和FeSO4捕获NO形成(DETC)2-Fe2+-NO三
元配合物,再进行 ESR扫描,于室温下直接或间
接测定植物体内NO的方法。他们以培育 6 d的小
麦(Triticum aestivum)幼苗为试材,测定其组织萃
取液中产生的NO量,以及受小麦条锈菌种CY22-
2病原体感染后不同感染时间内NO变化的结果表
明,感染 24 h后 NO量明显增加,48 h后快速
减少,96 h后又再次增加,说明NO在小麦条锈
病防御中起作用。Vanin等(2007)也以 Fe2+-(DETC)2
为捕获剂测定菠菜叶中NO产生,结果表明,加
入还原剂连二亚硫酸钠可以明显提高NO的捕获产
率。Pagnussat等(2002)采用 EPR波谱法测定经生
长素处理的黄瓜(Cucumis sativus)根部产生NO的结
果表明,生长素处理 24 h后的NO释放量达到最
高值,NO 在黄瓜不定根形成过程中对生长素响
应有调控作用。此外,ESR波谱法还曾用于检测
拟南芥NO释放量的结果表明,受丁香假单胞菌
感染后的拟南芥能够产生 N O 以防止细菌扩散
(Modolo等 2005)。但此法存在线性范围窄和设备
昂贵等缺点。
5 荧光法
用荧光法测定NO有灵敏度高和操作简便的
特点,应用前景比较广阔。有效的荧光探针如 2,
3-二氨基萘(DAN)、4,5-二氨基荧光素(DAF-2)及
其衍生物等在测定植物 NO中经常使用。
DAN与NO2-在酸性条件下能反应生成荧光物
质 1-(H)-萘三唑,此物质在 pH>10、激发波长为
365 nm、发射波长为 450 nm条件下具有很强的
荧光效率,可用此物质间接测定NO含量。Wada
等(2002)将此法用于狭叶龙舌兰(Agave angustifolia)
的种子胚芽组织培养细胞中NO的检测,向组织
细胞液中放入 DAN,并在 25 ℃下反应 3 h后,
用高效液相色谱分析产生的荧光物,据此建立了
一种高效液相色谱——荧光测定NO的简便方法,
其检测限为 3.4 pmol·g-1 细胞。他们用此法还分
别检测了经不同培养时间和不同温度处理后的此种
植物产生的NO量,显示此种植物细胞对环境变
化是比较敏感的。
DAF-2不能直接和NO反应,而在有氧条件
下可与NO的氧化物N2O3反应后形成强荧光物质
三唑 -荧光素(DAF-2T),此物质激发波长约为492
nm,发射波长为 515 nm。DAF-2的醋酸盐衍生
物二氨基乙酰乙酸荧光素(DAF-2DA)能够渗透进入
细胞,在细胞中经过水解后释放出游离的 DAF-
2,再与NO的氧化物反应。据此认为,DAF-2DA
可用于检测细胞中 NO,而且不与活性氧作用,
因而已在检测植物体内 N O 中得到广泛应用。
Corpas等(2004)以DAF-2DA为探针,通过共聚焦
激光扫描显微镜分析发现内源NO主要存在于豌豆
(Pisum sativum)叶子的维管组织(木质部和韧皮部)
中。另外,用荧光光谱仪还检测到豌豆叶中的过
氧化物酶体内存在NO,而且NO参与豌豆叶片衰
老的生理过程。Baudouin等(2006)采用此种荧光
探针检测了受苜蓿根瘤菌感染的蒺藜苜蓿
(Medicago truncatula)产生的 NO量。Wang等
(2006)也用此探针测定到受紫外胁迫的云南红豆杉
(Taxus yunnanensis)细胞内产生的NO量,并且产
生的NO量随着时间进程而变化,在 1.5~2 h内出
现第1次高峰,7 h后达到最高峰。Garcês等(2001)
用此探针测定到拟南芥受机械胁迫后细胞内NO量
有所增加。此外,由于 4-氨基荧光素(4-AF)不能
与 NO反应形成三唑环,其荧光强度不受 NO影
响,因此常用其醋酸盐衍生物4-AF DA作为DAF-
2的负对照(Beligni等 2002;Hu等 2005)。尽管
DAF-2DA不与活性氧作用,但此法依然存在一些
问题:如植物信号物质钙能促进荧光增强,因此
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此种荧光探针可测出植物细胞内NO的变化,但
这种荧光变化并不能反映溶液中NO的实际浓度。
此外,在烟草表皮细胞和豌豆保卫细胞中,通常
在其叶绿体中发现荧光较强,但这仅能反映DAF-
2DA在这些细胞器中的积累而已(Neill等 2003)。
3-氨基-4-甲氨基-2’-7’二氟荧光素(DAF-FM)
本身仅有的荧光很弱,但在和NO反应后生成的
苯并三氮唑衍生物,却能产生强烈的荧光,其激
发波长约为 495 nm,发射波长为 515 nm。其衍
生物DAF-FM DA是新一代用于NO定量检测的荧
光探针,能够穿过细胞膜,进入细胞后可以在细
胞内酯酶催化形成不能穿过细胞膜的DAF-FM后
再与 NO作用。与 DAF-2DA相比,此探针反应
形成的荧光产物受 pH的影响较小,pH>5.5时不
受 pH 的影响,而且产生的荧光更加稳定,检测
灵敏度更高,在相同条件下其灵敏度可以提高近
2倍,最低的检测浓度可以达到 3 nmol·L-1。目前
此探针已广泛应用于细胞内的NO检测,Krause和
Durner (2004)以DAF-FM为荧光探针,通过荧光
显微镜检测到受细菌感染的拟南芥悬浮细胞能够产
生NO,8 h后NO浓度明显增大。Bethke等(2004a)
也用此探针成功测定了大麦(Hordeum vulgare)糊粉
层中产生的 NO,并证明在酸性条件下,大麦糊
粉层细胞的原生质体中亚硝酸盐能通过非酶促还原
途径直接产生内源 NO。
尽管荧光法能够测定细胞内NO的产生和空
间分布,并有一定的灵敏度,但此法仍有一些不
足,如有些探针不能与NO直接作用,而是与NO
的氧化产物反应,因此荧光强度不仅与NO产生
量有关,还与NO的氧化产率和浓度有关,且在
缺氧条件下是不适用的(Planchet和Kaiser 2006;
Lim等 2006)。
6 其他方法
除上述方法外,近年来质谱法和光声光谱法
也常用于NO的检测。Conrath等(2004)将质谱仪
膜进样口和限制性毛细管进样口相结合建立了一种
快速、特效、非侵入式的测定各种器官组织内或
整个植物释放NO的方法。此法能够区分氮同位
素,而且能从同一样品中同时测出NO、O2以及
其他气体。Conrath等(2004)曾用该法测定了许多
植物如烟叶、豌豆、拟南芥及皱叶欧芹
(Petroselinum crispum)等器官组织中释放的NO。
Bethke等(2004a、b)研究大麦糊粉层中NO产生以
及NO对拟南芥种子和大麦粒休眠的影响时也采用
了质谱法。
光声光谱法也是一种非侵入式检测NO的方
法,此法是以光声效应为基础的一种吸收光谱分
析技术。当用稳定的并能连续可调的单色光(常用
高压氙灯或激光器作光源)照射光声池中的样品
时,激发态分子便在 8~10 s或更短的时间内通过
非辐射跃迁,将所吸收的光能转变为热能,后者
为封闭于系统内的填充气体所吸收,并将其转变
为气体分子的动能,在系统内产生周期性压力波
动,这就是所谓的光声信号,它可为灵敏的微声
器检测到,经前置放大器放大后即可用数据系统
进行处理,从而获得光声信号随光波波长改变的
曲线,即为光声光谱。光声信号强度与样品的浓
度成正比,据此可进行样品的定量分析。此法在
检测植物体内NO中显示出较高的灵敏度和重现
性。Leshem和 Pinchasov (2000)用此法检测采后
草莓(Fragaria anannasa)和鳄梨(Persea americana)
中释放的NO和乙烯含量的结果表明,未成熟果
实中NO含量高,乙烯量低,而在成熟果实中恰
好相反,其检测装置如图 1 所示。
此外,Mur等(2003)也将此法成功用于烟叶
中NO测定。此后Mur等(2005)又将此法作了改
进,从各个样品室出来的载气能通过电子阀有选
择地进入测量系统,从而实现了多个样品的快速
测定。他们用此法测定烟叶中NO产生量的结果
表明,烟叶在受到细菌感染后体内可快速产生
NO,从而诱导细胞死亡,防止病菌扩散。光声
波谱法能否真正准确地测定出目标细胞中NO的浓
度尽管还不清楚,但用此法测定的NO释放速率
是可以反映 NO的合成和反应速率的。
总之,NO作为一种信号分子,在植物体内
有许多生理作用。近年来,关于NO在植物中的
作用和信号转导机制的研究迅速增加。要准确揭
示NO在植物体内的作用机制,建立一套能够定
量测定细胞内 NO 合成和释放的方法非常重要,
而且最好能够准确可靠地测定出细胞内NO作用位
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点上的 NO 量。这就意味着不论哪种检测方法,
都应该可以直接检测 NO,而非其他分子,同时
也不能受其他分子干扰。但事实上,由于植物体
内NO含量极低和反应性强等原因,NO的检测仍
然存在一些问题,因此在研究 N O 的生理作用
时,使用不同的NO供体处理试材,运用多种方
法对同一样品进行检测,并使用NO的清除剂 2-
(4-羧基苯基)-4,4,5,5-四甲基咪唑 -1-氧 -3-氧化物
(cPTIO)作负对照都是很有必要的。此外, 要准
确检测 NO,对特异性荧光探针的合成、电化学
传感器制备以及与光纤技术的结合应用等问题也应
进一步研究。
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