NO的产生与信号途径

NO的产生与信号途径

摘要：一氧化氮（NO）是一种高度活性分子，能通过细胞膜快速扩散，在植物中NO可通过酶促途径和非酶促途径产生。已在多种受病原物诱导的植物中检测到NO的产生。本文综述了NO在植物-病原物互作中NO诱发的过敏性(HR)、细胞死亡和植物抗病性的建立中起非常重要的信号调节作用。

关键词：一氧化氮；信号转导；过敏性反应；抗病性

NO是一种气态自由基，能通过生物膜快速扩散，在生物组织中的半衰期大约为6 s，这种极短半衰期赋予了NO高度活性，NO能直接与金属复合物或其他自由基反应，也可以间接与DNA、蛋白质、脂质反应。NO在植物的许多新陈代谢和植物抗病性中起着重要作用。

1 NO的产生和清除

植物中NO的产生是通过两种途径：NO还原反应途径和氧化反应途径产生(图1所示)。

1.1 NO还原反应途径

NO还原反应途径主要是由依赖硝酸盐/亚硝酸盐产生NO和非酶类途径产生NO。

硝酸还原酶(nitrate reductase)主要功能是在依赖NAD(P)H途径中将硝酸盐还原成亚硝酸盐。包括细胞质硝酸还原酶(NR)和根部特有的细胞膜亚硝酸盐还原酶(Ni-NOR)。NR通过NAD(P)H还原亚硝酸盐一个电子而催化体内NO的产生，NR控制植物叶片和根部的NO水平，而这个过程又是受该酶的磷酸化水平(Nigel et al.,2006)。此外Ni-NOR参与了从亚硝基到NO的形成过程中，但是紧局限于根部。

体外试验表明NR也能将亚硝酸盐还原成NO，但是还原效率很低(Rockel et al.,2002)。有很多报告证明了NR在NO合成过程的作用。通过敲除NR基因突变体或沉默的遗传现象表明植物不能积累NO或调节NO在激发效应中的作用(Bright et al.,2006)。研究发现在依赖NR的缺陷突变体中，ABA不能诱导NO产生和气孔关闭，说明NO调节的NO合成在保卫细胞ABA信号传导中为主要步骤。更明确的是拟南芥的另一个NR亚型NIA1在ABA诱导气孔关闭的过程中也起着NO的合成酶的作用(Ribeiro et al.,2009)。除了硝酸还原酶外，还发现了

一种质膜结合亚硝酸盐的NO还原酶能在烟草中将亚硝酸转化成NO，这种酶与质膜NR不同(Stohr et al.,2006)。依赖线粒体电子转移的还原酶也能将亚硝还原成NO，然而这种途径只发生在高等植物含氧量很低的根部。

植物产生NO的非酶途径包括：在质外体的酸性环境中通过化学还原反应将亚硝酸还原为NO；在线粒体中通过电子传递链中的电子也可以将亚硝酸还原为NO；或以抗坏血酸作为还原剂与亚硝酸反应放出NO；以及由类胡萝卜素通过光介导的亚硝酸盐的转化非酶促反应产生NO(李早霞,2008)。

1.2NO氧化反应途径

NO氧化反应途径包括精氨酸来源的NO和其他胺类来源的NO合成。

尽管有很多的实验证明NR和亚硝酸盐在NO形成的重要性，但是最近也很多研究报道了类NOS酶的存在，这使得另一种NO合成途径成为可能(Angélique et al.,2008)。然而在植物中却没有发现类似哺乳动物NOSs基因的植物基因。最早用动物NOS的拟制剂处理植物，发现植物对病原的抵抗力、抗性基因的诱导、过敏性坏死反应等都有所下降，同时NO的合成也下降了(Corpas et al.,2006)。之后有几个研究用NOS抑制剂进一步证实了一种依赖精氨酸合成NO途径来应答植物非生物胁迫、病原或是激发子。然而，最近的一项证明拟南芥提取物中包含一种依赖精氨酸活性产生精氨琥珀酸表明如果丝氨酸的合成没有被直接证明的话，则基于丝氨酸NOS活性试验可能被误解(Tischner et al.,2007)。事实上，精氨酸和NO的直接联系是证明植物NOS存在的另一种证据。

在植物NO氧化反应中除了精氨酸来源的NO外，其他胺类物质比如精胺和亚精胺等多胺也能触发植物NO的产生(Tun et al.,2006)。近来也有人推测羟胺(R-NHOH)可以被过氧化物或过氧化氢生成体系氧化成NO，但是这种氧化效率低，而且植物中羟胺也未被证实。

图1 NO在植物中的合成途径

Fig1 The various routes of nitric oxide (NO) production in plants cells(引自Magali et al.,2010) 1.3NO的清除

如果NO的信号传导不需要无限限制的传导下去时，这时NO必须能有效的移除。植物细胞内NO 的清除有2 种方式：一是NO自由基与O2反应生成NO3-和NO2-，或与超氧阴离子反应生成过氧亚硝酸根(ONOO-)；二是NO被血红蛋白和谷胱甘肽等还原性分子还原。Hebelstrup 等(2008)发现，在体外血红蛋白能够清除NO，非共生血红蛋白编码基因GLB1 的缺失会造成延迟开花的表型，而超表达GLB1 和GLB2 则会造成开花时间的提前。NO 的清除并不代表它信号转导能力的终止，这些反应生成的产物有可能作为其它反应的底物，重新在体内生成NO。

2 NO在植物抗病中的信号传导

当植物受到病原物的侵染时，NO诱导植物早期或晚期抗性基因PAL和PR-1等表达。在NO信号传导中，关键酶为鸟苷酸环化酶、NOS和其他NO生成酶。重要的信号传导分子为NO、cGMP、cADPR、Ca2+和水杨酸(SA)。NO信号传导模式(如图2所示)：刺激物诱导NO产生的增加，当NO的产生超过NO的清除时，cGMP水平增加，并通过cADPR信号传导提高Ca2+水平，这条传导途径与MAP激酶信号途径导致植物生物化学和基因表达改变。NO也可能通过组蛋白巯基共同S-硝酸化和蛋白酪氨酸硝基化。RYR钙离子通道也被S-硝酸化改变了，巯基S-硝酸化有效性也依赖与其他竞争活性氧水平。

图2 NO的抗病信号传导

Fig.2 Nitric oxide signalling in plants

2.1 亚硝基化

半胱氨酸亚硝基化是翻译后修饰，包括蛋白半胱氨酸残基与NO可逆的共价结合，形成S-亚硝基半胱氨酸。在拟南芥中，已经报道了许多潜在的带有NO敏感的半胱氨酸残基的候选蛋白。

NPR1是病原相关基因1(PR1)SA应答的转录活剂。NPR1是细胞质中的低聚物。在SA诱导的抗病性中，NPR1游离成单体，并进入细胞核中(Mou et al.,2003)。NPR1的单体反应是硫氧还蛋白催化，而低聚化则是由S-亚硝基化促进。然而通过用NO供体S-亚硝基谷胱甘肽(GSNO)处理拟南芥叶片原生质体时发现NPR1在细胞核中积累增加。因此推测NPR1的S-亚硝基化可能是低聚物和单体间的媒介。S-亚硝基化的NPR1可逆的性质，使得NPR1在细胞质中对变化的还原环境和保持NPR1的平衡中的作用更有效，在细胞核中，NPR1与转录因子TGA1相互作用，在启动子结合，激发PR基因表达。在体内通过使用GSNO的研究表明NPR1和TGA1都倾向与S-亚硝基化，从而支持DNA结合和TGA1保持稳定(Lindermayr et al.,2010)。因此S-亚硝化在水杨酸介导的植物免疫中其中重要作用。

SA结合蛋白3(SABP3)是另一个SA信号传导中的关键因子，SABP3可以通