全 文 :植物生理学通讯 第 41卷 第 1期,2005年 2月116
一氧化氮(NO)在植物逆境响应中的作用
杨甲定* 云建英 赵哈林
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,兰州 730000
Role of Nitric Oxide in Plant Stress Responses
YANG Jia-Ding*, YUN Jian-Ying, ZHAO Ha-Lin
Cold & Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000
提要 简要介绍了有关一氧化氮(NO)在植物非生物胁迫响应中生理作用的研究现状,并对与这一问题相关的研究趋势作
了分析和讨论。
关键词 一氧化氮;植物;非生物胁迫;生理作用
收稿 2004-03-29 修定 2004-08-31
资助 国家重点基础研究规划发展项目(G2000048704)和国家
“十五”重点科技攻关重大项目(2 0 0 2 B A 5 1 7 A 0 6 )。
* E-mail: yangjiading@sina.com, Tel: 0931-4967178
一氧化氮(nitric oxide, NO)是一种广泛存在于
生物体内的气体分子[1,2]。3位美国科学家因对动
物 NO 的出色研究而共同获得 1998 年度诺贝尔生
理学与医学奖[3]。因此,确定 NO 参与调控动物
的生理过程,曾经成为当时国际生物学及医学界
的一项令人瞩目的发现。业已证明,N O 不仅有
松弛内皮的作用,还可以作为神经传导的逆信
使,对肿瘤细胞与入侵微生物进行杀伤和生理调
节[4],同时它还有某些病理生物学作用,如亚硝
酰化(nitrosylation)、硝基化(nitration)、DNA脱
氨、氧化损伤、神经损伤等,其中一些研究成
果已成功应用于临床治疗[5]。自 1996年后,有关
NO 在植物体内的功能研究,才越来越多地引起
全球植物学界的密切关注。初步研究表明,N O
可以作为植物抗病反应的信号分子[6],同时对植
物的呼吸作用[7]、光合磷酸化[8]、光形态建成[9]、
种子萌发[9]、根的生长发育[10]、果实组织的成熟
和衰老[11,12]等生理过程都有作用。但总体来说,
植物中 NO 的研究与动物中的研究相比差距很大,
大多数领域的研究仍处于起步阶段[2,13],很多问
题,诸如 N O 在植物生长发育中的作用、N O 与
植物抗逆性、NO 与植物内源激素的关系、NO 的
分子作用机制等,都有待进一步深入探讨。本文
就目前有关NO与植物抗逆性的研究进展作一些介
绍。
1 NO与干旱胁迫
干旱胁迫(水分亏缺)是限制植物生长和作物产
量的主要环境因子之一,并能迅速在植物根系、
叶片等部位诱发植物激素脱落酸(ABA)的合成[14]。
Zhao等[15]用离体小麦根尖为材料的研究表明,干
旱胁迫后 20 min,NO 合成酶活性明显增高;60
min 后 ABA 开始积累。这种积累能够被 NO 合成
酶抑制剂或 NO 清除剂所阻断,而且外源 NO 供体
硝普盐同样可在根尖中诱导 ABA 的积累。这些结
果说明 NO 参与水分胁迫下小麦根尖中植物激素
ABA 的合成。考虑到 ABA 不仅可以作为植物胞间
信号物质介导植株整体的抗逆反应,也能作为细
胞逆境信号物质直接介导许多抗逆基因的表达[16],
因此推测NO可能是通过诱导ABA的积累影响植物
的干旱响应的。同样,Leshem等[11,12]曾报道,在
干旱和短期热胁迫下植物中 NO 生成量增加,而
且这种增加与乙烯生成量呈负相关,由此认为
NO 可能是一种植物衰老延缓剂,并通过拮抗植物
内源激素乙烯而发挥作用。2001年,García-Mata
和 Lamattina[17]研究外源NO影响植物干旱胁迫响
应的结果表明,与用水预处理的相比,外源 N O
(150 mmol·L-1的硝普钠SNP)预处理的植物叶片在
干旱胁迫后保持的相对含水量(RWC)较高,蒸腾
速率和气孔开度下降,离子渗漏(作为细胞遭受胁
迫伤害的指标)减小;SNP 的这些作用均能被 NO
的特异清除剂 c-PTIO 所逆转。同时,SNP 处理
还能促进后期胚胎发育丰富蛋白(LEA 蛋白)的积
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累。这些结果说明 NO 能够提高植物耐受干旱胁
迫的能力。Zhang等[18]在研究外源NO影响渗透胁
迫下小麦种子萌发及活性氧代谢时,发现0.1和0.5
m m o l ·L - 1 的 S N P 明显促进渗透胁迫( 2 5 % 的
PEG6000处理)下小麦种子萌发、胚根和胚芽的伸
长,提高萌发过程中淀粉酶和内肽酶的活力,加
速贮藏物质的降解;同时还能促进渗透胁迫下过
氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性
的上升和脯氨酸含量的积累,抑制脂氧合酶
(LOX)的活性,从而提高渗透胁迫下小麦种子萌
发过程中的抗氧化能力。
2 NO 与高温(热激)、低温胁迫
短期热胁迫下,植物中 NO 生成量增加,而
且这种增加与乙烯生成量呈负相关[11]。Uchida等[19]
报道,水稻水培营养液中加入 N O 供体( < 1 0
mmol·L-1 的硝普钠 SNP),2 d 后,在热激胁迫下
水稻叶片不仅能保持更多的绿色组织、更高的光
系统Ⅱ量子效率和较高的抗氧化酶活性,而且某
些胁迫相关基因(如蔗糖磷酸合酶基因SPS、二氢
吡咯羧酸合酶基因P5CS)和热激蛋白基因(HSP26)
大量表达。由于蔗糖磷酸合酶(SPS)是植物适应渗
透胁迫的重要酶类,二氢吡咯羧酸合酶(P5CS)的
过量表达有利于抗盐性提高,而热激蛋白 HSP26
则可保护叶绿体免遭氧化胁迫和热胁迫引起的伤
害,说明外源 NO 在提高水稻幼苗抗热胁迫能力
的同时,还影响其抗旱和抗盐能力,暗示交叉抗
性(cross-resistance)的存在。我们以绿豆叶圆片为
材料的研究结果也表明,与蒸馏水预浸的热激叶
圆片相比,SNP(150 mmol·L-1)预浸的叶圆片经
45℃下90 min的热激后,可保持较高的最大量子
效率(Fv/Fm); 离子渗漏降低约48%,而膜脂过氧
化水平、O2-·和H2O2 的含量等均与未受热激胁迫的
蒸馏水预浸叶圆片相同。说明施用外源 NO 能够
提高植物组织的热耐受能力,而且 NO 的这种作
用很可能是通过影响活性氧代谢实现的(未发表资
料) 。
另外,Lamattina等[20]曾提到,施用NO能提
高玉米、小麦和番茄植株和种子抵抗低温的能
力,特别是对那些低温敏感型的幼苗,效果更明
显。例如用 N O 供体喷洒小麦和玉米幼苗叶片
后,二者在低温环境下的植株存活率提高,低温
伤害后植株的康复能力也提高。
3 NO与盐胁迫
阮海华等[21]用0.1和1 mmol·L-1的硝普盐SNP
处理,结果根系受150和300 mmol·L-1 NaCl 盐胁
迫8 d后的小麦叶片中的叶绿素含量分别提高56%
和 98%,丙二醛的积累量下降,离子渗漏减少;
同时,SNP 还促进盐胁迫下叶片中 SOD 和 CAT 活
性的上升,延缓 O2-·和 H2O2 的积累,脯氨酸积累
量增加,从而减轻了盐胁迫下小麦叶片的氧化伤
害。Uchida 等[19]的实验结果也表明外源 NO 能够
提高水稻幼苗的抗盐能力。最近,Zhao 等[22]报
道,抗盐性不同的两种芦苇(沙丘芦苇和沼泽芦
苇)愈伤组织在200 mmol·L-1 NaCl 胁迫下,耐盐
的沙丘芦苇愈伤中 Na+ 百分含量降低,Ca2+ 和 K+
对 Na+ 的比率提高;在沼泽芦苇愈伤组织中则相
反。外源的 NO 供体可提高两种材料中 Ca2+ 和 K+
对 Na+ 的比率,这种作用大小则取决于NO 供体的
浓度,且可为 NO 合成酶抑制剂 L-NNA 和 NO 清
除剂 PTIO所逆转;另外,200 mmol·L-1 NaCl 所
引起的沙丘芦苇愈伤组织中质膜(PM) H+-ATPase 活
性增加也能被 NO 合成酶抑制剂 L-NNA 和 NO 清除
剂 PTIO 所逆转;Western 杂交表明,外源 NO 能
刺激两种愈伤中质膜 H+-ATPase 的表达。这些结
果暗示:NO 是通过提高质膜H+-ATPase 的表达和
活性,进而提高植物组织中K+/Na+ 比而提高植物
抗盐性的。
4 NO 与除草剂、臭氧和 UV-B 伤害
除草剂Diquat 和Paraquat可以在叶绿体内产
生O2-·。Beligni和Lamattina的实验表明[23~25],低
浓度的NO(100 nmol·L-1 ~1 mmol·L-1)可以减轻由这
些除草剂诱发的马铃薯叶片中叶绿素的降解、离
子渗漏、叶片坏死和脱落等症状;这些除草剂所
引起的膜脂过氧化、RuBP羧化/加氧酶(Rubisco)
和 D1 蛋白的降解、mRNA 的断裂等都可以被 NO
明显减轻,而且NO还能使离体叶绿体中被Diquat
所提高的光合电子传递速率恢复正常。这些都暗
示NO对植物的保护作用可能是其能降低植物组织
中活性氧含量的缘故。
大气对流层的臭氧是主要的大气污染物。许
多植物在浓度为0.1 mg·L-1 的臭氧中持续2~3 h,
即出现伤害症状[26]。Rao和Davis[27]用一种对臭氧
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敏感的拟南芥生态型为材料的研究表明,臭氧可
促进 NO 合成酶的活性,这一效应发生在水杨酸
积累和细胞死亡之前。据此,他们认为 NO 的产
生使该拟南芥生态型对臭氧的敏感性提高,并可
能 作 为 一 种 信 号 分 子 引 发 超 敏 细 胞 死 亡
(hypersensitive response cell death)。早期有研究
表明,植物经 NO 或 NO 2 气体处理后,其在臭氧
诱导下的乙烯生成量和叶片受伤害的水平均提
高[28]; 在烟草中,NO可诱导水杨酸的合成[29],因
此有可能NO参与介导或协同加强臭氧胁迫下的水
杨酸积累。
由于大气同温层中臭氧层的消耗减薄,所以
达到地球表面的UV-B辐射有增强的趋势[30],有关
UV-B与植物生长发育的关系正受到许多研究者的
关注。Mackerness等[31]在以拟南芥植株为材料的
实验中,发现 U V - B 所诱导的查尔酮合酶基因
(CH S )表达可以为预处理的 NO 合成酶抑制剂
L-NAME 和 NO 清除剂 PTIO 所阻抑,说明 UV-B
对 CHS 的正调控需要 NO 和 NO 合成酶的参与;外
源的NO 供体可以在无 UV-B 的情况下提高 CHS 的
转录水平,暗示 NO 有可能在植物对 UV-B 响应中
发挥调控基因表达的作用。Zhang 等[32]的研究也
表明,U V - B 辐射能显著提高玉米中胚轴
(mesocotyl)的 NO合成酶的活性,诱发NO明显释
放;同时 NO 供体在根际处理时也能模拟中胚轴
对 UV-B 的响应,如抑制胚轴伸长、降低葡聚糖
酶的活性、提高胚轴细胞壁中的蛋白含量等,而
用 NO 合成酶抑制剂 L-NNA 处理的幼苗中,这些
表现可被完全逆转;有趣的是,在 UV-B 下,外
源 NO 供体的生理作用与活性氧清除剂 NAC 的作
用相似。这些结果暗示在UV-B辐射下的玉米中胚
轴生长过程中,NO 可能是既作为第二信使又作
为一种抗氧化剂起作用的。另外,Lamattina等[20]
提到,用 NO 供体预处理马铃薯叶片后,UV-B 辐
射的伤害作用可得到减轻,而且NO 还能提高UV-
B辐射后叶片中类黄酮和花青素含量,经NO 预处
理的类黄酮含量比不处理的高 80%,而类黄酮能
吸收UV-B辐射,因而有效保护了植物组织免受伤
害。
综上所述可以看出,有关 NO 与植物抗逆性
的研究主要是通过外源 NO 供体、NO 合成酶抑制
剂、N O 清除剂等在环境胁迫下对植物生理指标
的影响,分析 NO 在胁迫响应中的作用,并逐渐
涉及到基因转录、酶(蛋白)表达等分子水平的作
用机制。NO 在几乎所有的环境胁迫因子下均能
发挥其生理作用(表 1)。适当浓度的外源NO 提高
植物抗逆性的论断已基本上得到认同[20],但到底
外源 NO 经过哪些功能中介或信号传导元件,最
终影响植物对逆境因子的响应,是通过植物激
素[11,12,15]、活性氧代谢[15,18,19,21,23,24,32]、胁迫蛋白[17,19],
还是通过与胁迫相关的基因、功能蛋白(酶)[18,22,31,32],
仍然需要深入广泛的研究。就某单一胁迫因子来
说,N O 与已知植物胁迫保护物质之间的关系依
然不清楚。以高温胁迫为例,已经查明 Ca2+、脱
落酸、乙烯、水杨酸、与胁迫相关的基因、抗
氧化酶系统和热激蛋白(HSPs)等均与植物耐热性相
关,但胁迫信号在由外向内传导过程中,外源或
内源NO与这些功能中介的作用次序以及是否存在
相互间的连锁诱导等问题都值得阐明。另外,根
据Pastori 和Foyer的论述[33],植物通过启动一系
列的生理事件以适应生物和非生物胁迫,这些生
理事件始于对胁迫刺激的感知,终于靶基因的表
达。其中的信号元件主要是胁迫刺激、信号及其
转换分子、转录调控分子、靶基因,最后是胁
迫响应(包括形态的、生理生化的变化)。从进化
的角度来看,靠近胁迫响应终端的元件功能专
表1 NO在植物非生物胁迫中的作用
胁迫因子 NO的功能中介或作用位点 参考文献
干旱 乙烯、脱落酸、L E A 蛋白、活性氧代谢、淀粉酶和内肽酶活性等 11,12,15,17,18
高温、低温 乙烯、胁迫相关基因表达、热激蛋白、活性氧代谢 11,19,20
盐胁迫 活性氧代谢、脯氨酸含量、胁迫相关基因表达、H +- A T P a s e 活性 17,21,22
除草剂、臭氧 活性氧代谢、乙烯、水杨酸 23~25,27~29
UV-B C H S 基因表达、葡聚糖酶活性、活性氧代谢等 20,31,32
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一,而靠近始端的元件很可能是所有胁迫响应的
共有途径或因子,这种“交叉抗性”可使植物
在经历某一特定胁迫后能够适应一系列的其他胁
迫。由于 NO 能在如此多的植物胁迫响应中发挥
作用(表 1),因此推测NO 在其胁迫信号链或信号
网中应该靠近转导的始端。但究竟胁迫刺激如何
传到 N O,又如何进一步传递,并不清楚,很可
能 N O 本身就是植物“交叉抗性”的主要组分。
这也是值得深入探讨的。
5 结束语
现有的有关 NO 与植物胁迫响应的结论多数
是根据施用外源NO后植物对胁迫产生响应的变化
而作出的,不一定符合植物体内的实际情况,因
此今后将研究重心转到植物内源NO与植物胁迫响
应的关系上,这是很必要的。实际上,许多植
物自身能在其生存的自然环境下产生一定的NO[34],
而且很多环境胁迫因子能诱导植物内源 NO 的产
生。如Gould 等[35]曾以烟草悬浮细胞为材料,揭
示植物内源 NO 的产生可以为高温、渗透胁迫和
盐胁迫激发,而不为强光和机械伤害激发。这表
明植物内源NO在相应的非生物胁迫中是具有一定
的生理功能作用的。另外,N O 分子小、寿命
短、不带电荷、具有高扩散性[36],因此内源 NO
极有可能是植物逆境响应中理想的信号分子[36,37]。
业已证明,植物内源 NO 既可以通过硝酸还原酶
将电子从 NAD(P)H 转移到 NO-3/ NO-2 而最终产生
NO,也可以通过非酶促途径产生 NO,如类胡萝
卜素在光介导下可产生 NO;当 pH 小于 4.0 时,
亚硝酸盐与还原剂(如抗坏血酸等)可自动释放
NO[38~40]。Chandok 等[41]的研究表明,植物中由病
原物诱导的NO合成酶是甘氨酸脱羧酶类(glycine
decarboxylase)P蛋白的一变体形式,而且仅有少
数一些与动物中 NO 产生相关的关键结构域。同
时,植物 NO 合成酶基因(AtNOS1)在拟南芥中已
得到确定,其表达的酶蛋白与动物中的类似酶蛋
白在序列上没有相似性。该基因突变的拟南芥产
生失绿现象,根茎生长受阻,育性下降[42 ]。这
些研究工作为从基因水平和蛋白水平上研究植物内
源 NO 的生成机理和生理作用奠定了基础。
植物 NO 与抗逆性之间关系的研究可从以下
三方面展开:(1)外界胁迫对植物 NO 合成酶基因
表达的调控作用和机制;(2)内源 NO 在植物逆境
响应中的作用(重点应该是明确其生理作用的具体
位点或环节); (3)NO与已知的胁迫保护物质、植
物逆境蛋白以及植物激素之间的关系。这些研究
中,阐明内源 NO 作用的信号传导元件和途径是
一个难点。动物中的研究表明[43],细胞内 NO 生
成后,经过弥散、激活自身或邻近细胞中的可溶
性鸟苷酸环化酶(sGC),导致细胞内cGMP 含量明
显增高,然后由 cGMP 启动细胞内受体蛋白,如
cGMP 依赖性蛋白激酶(cGMP-dependent protein
kinase)、cGMP 调节的离子通道、cGMP 结合的
核苷酸磷酸二酯酶(PDE)以及ADP核糖基化环化酶
(ADP ribosyl cyclase)等。NO还有非 cGMP依赖
性作用途径,如激活 Ca2+ 依赖的 K+ 通道(KCa 通
道)、电压门控 K+ 通道以及 ATP 敏感性 K+ 通道;
激活或抑制环化酶 2(COX2)、核转录因子和铁调
节蛋白(IRP); NO还可与O2-·反应生成过氧亚硝基阴
离子(ONOO -),ONOO - 通过异裂反应衍生硝基化
因子,由此可能影响酪氨酸激酶(PTK)和酪氨酸
磷酸化酶(PTP)活性等。尽管植物中也有一些研究
表明 NO 发挥作用时可能需要 cGMP、cADP R 和
Ca2+ 等的参与[44,45],但与其相关的信号转导途径
并不完全清楚,许多环节均是根据动物中的研究
结果推测的[1],还需深入探讨确证。
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