植物中的一氧化氮信号分子

２００５年第４０卷第１１期生物学通报１７

一氧化氮（ＮＯ）是大气污染中的一种重要成份，如汽车尾气、化工生产排出的废气等等。近年来，ＮＯ作为信号分子的研究备受关注。现简要介绍ＮＯ在植物中的生物合成、主要生理功能以及信号转导的作用机制。

１ＮＯ的生物合成

在植物中，ＮＯ的产生主要有３种途径。一是通过类动物ＮＯＳ蛋白催化；二是由亚硝酸盐通过ＮＡＤＰＨ硝酸还原酶（ＮＲ）酶促反应合成；三是通过非酶促反应生成，包括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。在植物中合成的ＮＯ以气态方式通过植物器官的转运是很有限的，其他溶解转运形式如ＧＳＮＯ可以代替气态方式，作为ＮＯ的来源；参与ＧＳＮＯ分解代谢的酶，谷胱甘肽依赖的甲醛脱氢酶（ＧＳ－ＦＤＨ）及其编码基因最近已经从豌豆中克隆出来。

２ＮＯ的生理功能

ＮＯ已证明在植物生长、发育、衰老、乙烯释放、抗病和对环境胁迫等各种不同形式的响应中发挥重要作用。低浓度ＮＯ可以诱导叶片伸长，刺激根的生长，高浓度下则起抑制作用。ＮＯ刺激种子萌发；刺激去白化；抑制胚轴延长。实验表明，低浓度的ＮＯ（１００ｎＭ￣１!Ｍ）可以减少由于除草剂导致的叶绿素丧失的程度、离子渗漏、坏疽和落叶、脂质过氧化、Ｒｕｂｉｓｃｏ以及Ｄ１蛋白的损失、ｍＲＮＡ的破坏。Ｌａｘａｌｔ等［２］认为ＮＯ介导的叶绿素保护来源于对抗活性氧（ＲＯＳ）毒性，保护膜的完整性。ＮＯ调节叶绿体的光合磷酸化，抑制ＰＳ２电子传递活性，ＮＯ也抑制穿过类囊体膜的由光诱导的ｐＨ梯度形成；研究表明ＮＯ还是光合ＡＴＰ合成的可逆抑制剂。

ＮＯ和豆血红蛋白（Ｌｂ）紧密联结，形成ＮＯ－Ｌｂ复合物。ＮＯ与Ｌｂ的结合，抑制了后者的携氧能力，因为ＮＯ－Ｌｂ是很稳定的复合物。ＮＯ－Ｌｂ复合物可以和Ｏ２．－和（或）Ｈ

２

Ｏ２反应，从而可能避免ＲＯＳ对根瘤的损害。与此相反，ＮＯ似乎对固氮有毒害效应；ＮＯ和ＮＯ－Ｌｂ通过与Ｆｅ－Ｓ簇的反应抑制固氮酶的活性。

在衰老的豌豆叶片中，ＮＯ与乙烯同时释放，在成熟果实中ＮＯ浓度要低于在未成熟果实中浓度，而且ＮＯ浓度在衰老的花中要低于新鲜的花朵。研究表明在许多植物中ＮＯ和乙烯含量呈负相关，在植物开花和衰老期间的器官发育过程中，ＮＯ的产生率要远高于乙烯，因此可以认为，ＮＯ是植物的衰老延迟因子。

研究证实：在大麦糊粉层细胞，过氧化氢酶（ＣＡＴ）和超氧化物歧化酶（ＳＯＤ）含量在用赤霉素（ＧＡ）处理的糊粉层细胞是显著减少的。在ＮＯ供体存在情况下细胞程序性死亡（ＰＣＤ）得到延缓，与此同时，用ＧＡ处理糊粉层细胞可以延缓ＣＡＴ和ＳＯＤ的活性下降，推测ＮＯ是大麦糊粉层细胞内源性ＰＣＤ调节因子。

还有研究表明，ＮＯ可直接结合于铁调节蛋白（ＩＲＰ）的铁硫中心，使之解聚；也可螯合铁使细胞内铁降低而间接发挥作用。ＮＯ现已证明可以抑制番茄的顺乌头酸酶，ＮＯ供体可以诱导铁蛋白在ｍＲＮＡ和蛋白质水平上积累。在这一由ＮＯ介导的铁蛋白转录积累过程中，铁不是必需的，而ＮＯ对于铁诱导的铁蛋白的积累则是必需的。

３ＮＯ对生物和非生物胁迫响应

在植物与病原相互作用中，ＮＯ可以缓解一些发生在马铃薯中由ＲＯＳ引起的诸如ＤＮＡ断裂、离子渗漏和细胞死亡等损伤。ＮＯ可以刺激感染组织细胞壁的木质化。ＮＯ和过氧化氢相互作用诱导植物细胞死亡，二者的比例非常重要，比例相等时，导致细胞死亡，任何一种过量都可以清除另一种，并使细胞免于死亡。正常生理情况下，细胞质、线粒体和细胞外ＳＯＤ的催化活性可以快速歧化超氧阴离子Ｏ

２．

－为Ｈ２Ｏ２和分子氧。而高浓度的ＮＯ可以和这种歧化反应竞争，导致ＯＮＯＯ－的形成，从而损伤蛋白质、脂、ＲＮＡ和ＤＮＡ。ＮＯ在生物胁迫下的互相矛盾的效应依赖于其浓度的不同，在低浓度下ＮＯ可以终止自由基介导的脂质氧化从而扮演保护角色；在高浓度下，它与产生有毒产物的活性氧有协同效应。

在水分和短时热胁迫情况下都可以检测到ＮＯ产生的增加，用高浓度ＮＯ处理豌豆叶片可以诱发胁迫症状；ＮＯ供体ＳＮＡＰ可以增加叶绿素荧光，用浓度相当于１ｍＭＮＯ的ＳＮＡＰ处理豌豆叶片可以看到脂质

植物中的一氧化氮信号分子!

肖强郑海雷!!（厦门大学生命科学学院福建厦门３６１００５）

摘要综述了ＮＯ分子在植物中的生物合成、主要生理功能以及在耐受生物胁迫和非生物胁迫响应中的作用，以及植物对ＮＯ信号转导过程中ｃＧＭＰ途径和其他途径的关系。

关键词ＮＯ信号转导ＮＯＳ胁迫

＊国家自然科学基金（３０２７１０６５，３９９７０４３８，３９８７０６３０）和福建省自然科学基金（Ｄ０２１０００１）

＊＊通讯作者

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氧化酶（ＬＯＸ）活性显著降低；这些结果表明，高浓度的ＮＯ也可以是植物的胁迫诱导因子。

在缺水胁迫下，植物激素脱落酸（ＡＢＡ）被诱导合成，通过一系列复杂的信号级联机制诱导气孔关闭。ＮＯ是一个介导ＡＢＡ诱导的气孔关闭的关键性信号分子，外源性和内源性ＮＯ有助于ＡＢＡ依赖的气孔关闭。ＮＲ介导的ＮＯ的合成对于ＡＢＡ诱导的气孔关闭是必须的。通过对ＡＢＡ不敏感株ａｂｉ１－１和ａｂｉ２－１的研究表明：在ＡＢＡ信号转导级联反应中，ＡＢＩ１和ＡＢＩ２的蛋白磷酸酶是ＮＯ的下游事件。

此外，Ｈｅｌｅｎａ等报道，机械胁迫增强类ＮＯＳ活性在拟南芥中的表达。用臭氧处理拟南芥可以诱导ＮＯＳ活性，并引起水杨酸（ＳＡ）的积累和细胞死亡；ＮＯ处理也可以增加臭氧诱导的乙烯生成量并加重对叶片的损伤，这些都表明，ＮＯ广泛参与了植物对非生物胁迫的应答过程。

４ＮＯ介导的信号转导

研究证实，气孔对ＮＯ的某些应答反应可能通过ｃＧＭＰ介导的环核苷酸门控离子通道（ｃｙｃｌｉｃｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ－ｇａｔｅｄｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｓ，ＣＮＧＣｓ）的激活来发挥作用。同时，针对哺乳动物可溶性ＧＣα１亚单位的抗体也在云杉中检出，都提示ＮＯ／ｃＧＭＰ依赖信号途径同样可能存在于植物中。ＮＯ介导的在番茄中针对番茄花叶病毒（ｔｏｂａｃｃｏｍａｓａｉｃｖｉｒｕｓ，ＴＭＶ）的ＰＡＬ表达的激发可以为ＧＣ抑制剂部分阻断，这也提示存在ｃＧＭＰ依赖和非依赖途径。

在ＮＯ诱导的拟南芥ＰＣＤ中，也需要ｃＧＭＰ的合成，ＧＣ抑制剂可以阻止ＮＯ介导的ＰＣＤ，这种抑制可以通过外加具有细胞通透性的ｃＧＭＰ类似物８－溴－ｃＧＭＰ解除。然而８－溴－ｃＧＭＰ单独并不诱导ＰＣＤ，提示ｃＧＭＰ的合成对ＮＯ应答是必要条件，但不是充分条件。

在通常情况下，ＲＯＳ被认为是涉及到植物信号网络交叉耐受的最可能的介导因子，但ＮＯ的特殊性质（自由基、小分子、非极性、短效、对生物膜的高度透过性）使得它在同时触发不同信号的过程中成为一个很好的信号因子。

除了上述ｃＧＭＰ途径，ＮＯ也可以不通过ｃＧＭＰ发挥作用，如通过关键转录因子Ｓ－亚硝基化作用或者是直接调控离子通道。线粒体和细胞质的顺乌头酸酶是ＮＯ毒性的主要靶分子，其抑制作用是ＮＯ与Ｏ

２．

－反应形成的ＯＮＯＯ－引起，而不是由ＮＯ直接引起。ＮＯ把胞质顺乌头酸酶转化为一种ｍＲＮＡ结合蛋白，从而抑制了铁蛋白的积累，并引起自由铁的积累，然后通过Ｆｅｎｔｏｎ反应催化ＲＯＳ形成。

ＮＯ通过扩散作用进入细胞核激活或者抑制转录因子，从而调控基因表达；另一方面，也可能通过信号级联反应调控转录因子活性。一个ＮＯ的潜在靶分子是病原诱导的加氧酶（ＰＩＯＸ），这是一种涉及到植物防卫应答的酶；最近也有研究表明ＮＯ参与介导拟南芥由ＵＶ－Ｂ诱导的ＣＨＳ（ｃｈａｌｃｏｎｅｓｙｎｔｈａｓｅ）基因的表达。与此同时，用ＮＯ处理拟南芥培养细胞可以强烈诱导ＡＯＸ１ａ的转录，并可观察到细胞通过交替途径显著增强了呼吸作用，这一结果表明：ＮＯ诱导ＡＯＸ１ａ基因，通过提高ＡＯＸ活性拮抗ＮＯ的毒性。

５问题及展望

最近几年对ＮＯ在植物中生物效应和信号转导机制的研究大大增加了，然而对于它的生物合成途径的起源仍然不是很清楚。因此，对ＮＯＳ的鉴定和相关生化性质的研究，以及对其编码基因的进一步确认仍是当前需首要解决的问题。由于ＮＯ内源合成途径的多样性，对ＮＯ生物合成来源的分类鉴定也很有必要。现在已知胞内涉及ＮＯ应答包括ｃＧＭＰ的产生、ｃＡＤＰＲ以及胞质钙的上升，但对这些过程的精确生化和细胞性质的细节尚不清楚，同时ＮＯ应答细胞下游信号分子的定量分析，负责这些信号分子合成和降解的酶的鉴定和编码基因的克隆也是亟待解决的问题。对于这些问题可以应用分子生物学手段进行研究，此外模式植物拟南芥突变株的筛选应用也为这些效应的研究提供了很好的工具。相信随着研究手段的不断创新，一定会极大丰富对植物中ＮＯ信号分子的认识。

参考文献

１ＢｅｌｉｇｎｉＭ．Ｖ．，ＬａｍａｔｔｉｎａＬ．．Ｎｉｔｒｉｃｏｘｉｄｅｉｎｄｕｃｅｓｓｅｅｄｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄｄｅ－ｅｔｉｏｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｉｎｈｉｂｉｔｓｈｙｐｏｃｏｔｙｌｓｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ，ｔｈｒｅｅｌｉｇｈｔ－ｉｎ－

ｄｕｃｉｂｌｅｒｅｐｏｎｓｅｓｉｎｐｌａｎ．Ｐｌａｎｔａ，２０００，２１０：２１５—２２１．

２ＬａｘａｌｔＡ．，ＢｅｌｉｇｉｎｉＭ．Ｖ．，ＬａｍａｔｔｉｎａＬ．．ＮｉｔｒｉｃｏｘｉｄｅｐｒｅｓｅｒｖｅｓｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌｉｎｐｏｔａｔｏｌｅａｖｅｓｉｎｆｅｃｔｅｄｂｙＰｈｙｔｏｐｈｔｈｏｒａｉｎｆｅｓ－

ｔａｎｓ．ＥｕｒｏｐｅａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆｐｌａｎｔｐａｔｈｏｌｏｇｙ，１９９７，７３：６４３—６５１．

３ＮａｔｈａｎＣ．．Ｎｉｔｒｉｃｏｘｉｄｅａｓｓｅｃｒｅｔｏｒｙｐｒｏｄｕｃｔｏｆｍａｍｍａｌｉａｎｃｅｌｌｓ．ＦＡＳＥＢＪｏｕｒｎａｌ，１９９２，６：３０５１—３０６４．

４ＣｈａｎｄｒａＳ．，ＭａｒｔｉｎＧ．Ｂ．，ＬｏｗＰ．Ｓ．．ＴｈｅＰｔｏｋｉｎａｓｅｍｅｄｉａｔｅｓａｓｉｇ－ｎａｌｐａｔｈｗａｙｌｅａｄｉｎｇｔｏｔｈｅｏｘｉｄａｔｉｖｅｂｕｒｓｔｉｎｔｏｍａｔｏ．Ｐｒｏｃｅｄｉｎｇｓｏｆ

ｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅＵＳＡ，１９９６，９３：１３３９３—１３３９７．

５ＢｅｌｉｇｎｉＭ．Ｖ．，ＦａｔｈＡ．，ＢｅｔｈｋｅＰ．Ｃ．ｅｔａｌ．Ｎｉｔｒｉｃｏｘｉｄｅａｃｔｓａｓａｎａｎ－ｔｉｏｘｉｄａｎｔａｎｄｄｅｌａｙｓｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｃｅｌｌｄｅａｔｈｉｎｂａｒｌｅｙａｌｅｕｒｏｎｅｌａｙ－

ｅｒｓ．ＰｌａｎｔＰｈｙｓｉｏｌｏｇｙ，２００２，１２９（４）：１６４２—１６５０．

６ＲａｏＭ．Ｖ．，ＤａｖｉｓＫ．Ｒ．．Ｔｈｅｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙｏｆｏｚｏｎｅｉｎｄｕｃｅｄｃｅｌｌｄｅａｔｈ．Ｐｌａｎｔａ，２００１，２１３：６８２—６９０．

７ＬｅｖｉｎｅＡ．，ＴｅｎｈａｋｅｎＲ．，ＤｉｘｏｎＲ．ｅｔａｌ．Ｈ２Ｏ２ｆｒｏｍｔｈｅｏｘｉｄａｔｉｖｅｂｕｒｓｔｏｒｃｈｅｓｔｒａｔｅｓｔｈｅｐｌａｎｔｈｙｐｅｒｓｅｎｔｉｖｅｄｉｓｅａｓｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｒｅｓｐｏｎｓｅ．

ＣｅｌｌａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌＢｉｏｌｏｇｙ，１９９４，７９：５８３—５９３．

（ＢＦ）

更正

我刊２００５年从第２期至第１０期连载的“２００４年第１５届国际生物学奥林匹克竞赛试题”的作者之一赵晋东应为赵进东，特此更正。

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