一氧化氮在植物体内的生理作用研究进展_综述

河北科技师范学院学报　第22卷第3期,2008年9月

Journal of Hebei Nor mal University of Science&Technol ogy Vol.22No.3Sep te mber2008

一氧化氮在植物体内的生理作用研究进展(综述)

齐　秀　东

(河北科技师范学院继续教育学院,河北秦皇岛,066004)

摘要:从一氧化氮在植物体内的生物合成,在植物体中的分布,对植物生长发育的作用以及与植物激素的关

系等方面综述了一氧化氮在植物体内的生理作用研究进展,并对今后的研究方向进行了展望。

关键词:一氧化氮;植物;生理作用;研究进展

中图分类号:Q945.3 文献标志码:A 文章编号:167227983(2008)0320017206

一氧化氮(nitric oxide,NO)是一种广泛存在于生物体内的活性分子。20世纪90年代,NO被确认参与调控动物的生理过程,曾经成为当时国际生物学和医学界的一项令人瞩目的发现。此后,NO在植物体内生理作用的研究,越来越多地引起植物学界的重视。但NO在植物上的研究与在动物上的研究相比差距很大,大多数领域的研究还处于起步阶段,很多问题诸如NO在植物生长发育中的作用,NO与植物的抗逆性以及NO与植物激素的关系等,都有待于进一步研究。

1　植物体内NO的生物合成

植物体内的NO是一种具有水溶性和脂溶性的小分子,具有自由基性质,容易得到或失去一个电子,能以一氧化氮自由基(NO.)、亚硝基阳离子(NO+)和硝酰阴离子(NO-)三种形式存在。不仅NO.具有生活活性,NO+和NO-也具有生物学效应[1]。无论是在细胞的水溶性原生质还是在脂溶性的膜系统,NO都能扩散移动。因此,NO一旦合成,就容易在细胞内和细胞间扩散,其作用范围主要是产生NO的细胞和邻近的细胞[2]。有资料表明,在甘蔗、玉米、向日葵、油菜、云杉和烟草等许多植物中都检测到NO的存在[3]。植物体内至少有三条途径产生NO,即硝酸还原酶(nitrate reductase, NR)途径、一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)途径和非酶促途径。还有研究认为,在植物体内还存在黄嘌呤氧化还原酶(xanthine oxidoreductase,XOR)途径和亚硝酸2NO还原酶途径[4]。

1.1　酶促反应途径

1.1.1　由硝酸还原酶(NR)介导产生　在高等植物中,NR是氮代谢的关键酶。NR介导产生NO是最重要的途径之一。早在1981年,Har per[5]在分析大豆叶片组织NR活性时就检测到NO

X

的产生。Dean和Har per[6]进一步将组成型硝酸还

原酶(c NR)纯化并证实NO

X

是NR所释放的,c NR的活性可以被其专一抑制剂叠氮化钠完全抑制。后来,Garcia2M ata

等[7]证实NO

X 主要成分是NO,少量N

2

O和NO2。研究发现,太阳花、甘蔗、玉米、葡萄、菠菜和烟草等植物在一定条件也

可以产生NO[8]。

1.1.2　由一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)催化合成　在哺乳动物中,内源性NO由NOS催化生成。它是以黄素腺嘌呤二核苷酸酸(F AD)、黄素单核苷酸(F MN)、血红素、四氢叶酸、Ca2+/Ca M、Z N2+为辅基,以L2精氨酸、O

2

及NAD2 PH为底物合成。其反应过程如下:

L2精氨酸+NADPH+O2NOS

NO+L2肌氨酸+NADP+

首先,NOS中的F AD/F MN接受由NADPH提供的电子,使NOS呈还原型,还原型的NOS在Ca2+/Ca M和O

2

的协助下,使L2精氨酸末端胍氨基的氮原子羟化生成中间产物N W2烃基2L2精氨酸而结合在NOS上。羟化的L2精氨酸在NADP 作用下进一步生成NO和胍氨酸[9]。

最早证明植物中可能存在类似于哺乳动物中的NOS的实验,是N inne mann和Marer在豆科植物M ucuna kassj oo中检测到NOS活性。同时,Cuet o等在Lup inus ablus的根和茎节中也发现了NOS的活性。后来,Delledonne和Du mer等分别在烟草和大豆中检测到NOS活性。同样,在小麦、玉米和大豆等植物中也发现了类似的NOS活性[10]。

尽管在多种植物中检测到NOS的活性,也己从植物中鉴定了两组类NOS,一类是从拟南芥和烟草由病原菌诱导的NOS(i N OS),另一组是从拟南芥由激素活化的NOS(A t N OS1)[11,12],但至今在植物体内还没有发现与已知哺乳动物NOS 序列相似的基因或蛋白质[13]。

1.1.3　其它酶促反应途径　St ohr等[14]发现烟草根具有亚硝酸2NO还原酶活性,能产生NO。植物体中发现XOR的活收稿日期:2008205213;修改稿收到日期:2008208229

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性后[15],H rris onr[16]研究发现XOR具有产生NO的能力,在厌氧条件下,发现植物组织中该酶的活性。但到目前为止,还没有XOR在植物体内产生NO的报道。

1.2　非酶促产生途径　

业已证明,植物内源NO可以通过非酶促途径产生,如亚硝酸盐与还原剂抗坏血酸在pH小于4.0时可产生NO。此

产生NO。其它的还原性物质如:NADPH,L2半胱氨酸,还原性的谷胱外,植物可以通过光介导,由类胡萝卜素转化NO

2

甘肽和其它硫醇类物质也可促进亚硝酸根转化成NO[17]。研究证明,NO的产生需要酸性的质外体环境,介质中的酚类化合物能够提高NO的产生速率[18]。此外,赤霉素和脱落酸处理后可观察到质外体的非酶促NO产生,这两种激素能迅速酸化质外体介质[19]。目前,这种非酶促NO产生的生理意义还不清楚。一般来说,有氧条件下依赖NR的途径是形成NO的主要方式,酸化的区域或组织则多是经非酶途径形成NO[20]。

2　植物体中NO的分布

NO在植物体内的分布受多因素的影响,与植物种类、组织和细胞类型及外界刺激等因子相关。Pedr os o等[21]用NO 供体硝普钠(S NP)处理伽蓝菜和红豆杉后,发现NO主要存在表皮细胞的胞质中。真菌激发子隐地蛋白(crypeogein)诱导形成的NO主要分布在细胞质、质膜、叶绿体和过氧化物酶体中[22]。刘新等[23]用NO特异性荧光探针DAF22DA结合激光共聚焦显微技术证明蚕豆气孔保卫细胞中存在NO。目前,有关植物体内NO分布的研究成果很少,植物体内不同区域NO形成和调控的机制和生理意义尚不清楚。

3　NO对植物生长发育的作用

NO作为植物体中胞内和胞间的信使分子,能够调节植物的生长、发育,而且在植物体对各种生物和非生物胁迫反应的信息传递中发挥着重要作用。

3.1　NO与植物种子萌发

NO能够促进许多种植物种子的萌发,特别是光敏感种子的萌发[24]。有些植物如莴笋、泡桐等种子的萌发需要一定的光照。Beligni等[25]使用NO供体S NP和N2亚硝基2乙酸青霉胺(S NAP)能使莴笋种子在黑暗条件下萌发,且种子的萌发率与S NP和S NAP的剂量成正比。外源NO供体能够打破莴笋种子的暗休眠作用能被NO的清除剂PTI O逆转。研究表明,0.01～0.1mmol/L S NP能促进山红树种子的萌发[26]。另有研究报道,NO对既不需要光也不存在休眠的羽扇豆种子的萌发也有促进作用,在这些过程中NO可能发挥了类似赤霉素的功能[27]。

3.2　NO与植物生长

NO对植物生长发育的影响较为广泛,最早发现的是植物叶片的生长受到NO调节。另外,NO还影响植物根的生长[28]。研究证明,1μmol/L的外源NO可明显促进豌豆叶片的生长,并抑制乙烯的产生,这些效应可以被NOS的抑制剂(NG2monanethyl2L2arginine)抑制[29]。Natalia等[30]发现,NO能够诱导番茄侧根的发生。李想[31]实验表明,外源NO在低浓度下(S NP≤10μmol/L)能够促进水稻根的生长,高浓度(S NP≥100μmol/L)会抑制根的生长。曹冰[32]在研究NO对绿豆侧根发生作用时,发现NO可有效促进绿豆侧根的发生,其最适浓度为50μmol/L,在此浓度下处理24h生根效果最好,但浓度过大时表现出毒害效应。

3.3　NO与植物成熟和衰老

在香蕉、鳄梨和小麦等许多植物中,用外源NO熏蒸或NO供体(Sin21,P BN)处理发现,外源NO可以提高果蔬等组织中NO的水平,抑制乙烯的产生,从而延缓果实和作物等组织的成熟和衰老[33]。Leshe m等[34]研究园艺植物组织成熟和衰老过程中NO的变化时发现,果实可以产生NO,且未成熟果实中的NO含量比成熟果实中NO的含量高,如鳄梨和香蕉未成熟组织中NO的含量分别约是成熟组织中的10倍和4倍,且随着果实的成熟和衰老,其内源NO的水平逐渐降低,乙烯的水平逐渐升高。屠洁等[35]用不同浓度的外源NO供体S NP处理小麦叶片的实验表明,低浓度的S NP可明显降低叶片H

O2和MDA的水平,而较高浓度的S NP作用相反。而且,对不同叶龄的研究也表明,低浓度的NO对不同老

2

化阶段中叶片的H

O2,O2和MDA的积累都有缓解作用,并明显减缓叶绿素可溶性蛋白质的降解,从而有效延缓叶片的

2

老化进程。

3.4　NO与植物的抗逆性

植物的抗逆性包括抵抗生物胁迫和非生物胁迫,其中生物胁迫主要是指病虫害作用,非生物胁迫主要是指干旱、盐胁迫和低温等。

3.4.1　NO与植物抗病性　1998年,Durner等[36]首先发现NO可以作为植物抗病反应的信号分子。研究发现,NO可以通过三种途径参与植物的抗病反应[37]。①直接杀伤病原物:W u等[38]在对真菌培养液中所含物质的分离筛选中,发现