植物一氧化氮信號轉(zhuǎn)導的研究進展

趙朝宇，王亞喆，劉慧，徐秋曼（天津師范大學生命科學學院天津市動植物抗性重點實驗室，天津300387）

植物一氧化氮信號轉(zhuǎn)導的研究進展

趙朝宇，王亞喆，劉慧，徐秋曼*
（天津師范大學生命科學學院天津市動植物抗性重點實驗室，天津300387）

摘要：細胞信號轉(zhuǎn)導是細胞感受環(huán)境的刺激并將信號傳遞到細胞內(nèi)部從而使細胞發(fā)生生理生化等改變的分子途徑。植物的信號轉(zhuǎn)導近年來引起人們的廣泛關(guān)注，在1992年NO被Science評為年度明星分子。而有關(guān)NO在植物中的作用，以及在植物細胞信號轉(zhuǎn)導中的作用，到20世紀90年代才開始引起科學家的關(guān)注，現(xiàn)已成為植物生物學領(lǐng)域的一個研究熱點。從NO的化學性質(zhì)，植物體內(nèi)NO的來源，NO在植物體中的生理效應這幾方面來介紹植物細胞NO信號轉(zhuǎn)導的一些研究進展。

關(guān)鍵詞：NO；信號轉(zhuǎn)導；分子途徑；信號分子；研究進展

農(nóng)作物是用于農(nóng)業(yè)栽培的各種植物，包括糧食作物、經(jīng)濟作物兩類。民以食為天，說明了食物對于人類的重要性，可食用的農(nóng)作物是人類重要的食物來源[1]?？茖W家研究不同環(huán)境條件下植物NO信號水平的改變，以期通過調(diào)控NO信號水平來提高植物，尤其是農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。植物NO信號轉(zhuǎn)導研究了植物細胞在接受外界環(huán)境的刺激后所產(chǎn)生的應答過程，NO觸發(fā)的信號轉(zhuǎn)導在植物的生理發(fā)育過程中起重要作用，包括種子萌發(fā)、側(cè)根的起始、開花、氣孔關(guān)閉、以及應答非生物脅迫等[2]。人們試圖通過調(diào)控NO信號水平來提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，從而解決糧食短缺的問題，為人類的可持續(xù)發(fā)展提供保證。

植物中NO的生成、清除和信號轉(zhuǎn)導等方面的研究發(fā)展日益成為植物生物學研究的前沿領(lǐng)域。在植物中NO參與種子萌發(fā)、側(cè)根和根毛發(fā)育、氣孔運動、開花和防御反應等許多生理過程[3]。NO是一種在植物中普遍存在的關(guān)鍵信號分子，植物能釋放NO，并影響自身的生長發(fā)育，但是NO信號轉(zhuǎn)導對植物生長發(fā)育影響的研究遠遠的落后于動物NO信號轉(zhuǎn)導。本文主要綜述NO的生物合成，NO對植物生長發(fā)育的作用以及NO在環(huán)境脅迫中的作用。

1　NO在植物細胞信號轉(zhuǎn)導中的作用

1.1NO的化學性質(zhì)

NO是一種自由基性質(zhì)的氣體，是脂溶性的信號分子，能夠直接穿過細胞膜擴散到細胞內(nèi)，到達鄰近的靶細胞，與之作用，使細胞產(chǎn)生生理生化變化[4]。NO在胞外不穩(wěn)定，只能在組織中局部擴散，被氧化后以硝酸根或亞硝酸根的形式存在于細胞內(nèi)外液中。NO還能與過氧化氫、超氧陰離子等信號分子發(fā)生反應并在植物的抗病過程中起重要作用。

1.2植物體內(nèi)NO的來源

NO作為氣體性信號分子，能夠直接進入細胞激活效應酶，參與體內(nèi)的生理或病理過程。在了解到NO是氣體信號分子前，在20世紀80年代科學家們發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)條件下的巨噬細胞的殺菌活性依賴于培養(yǎng)基中的精氨酸，精氨酸是NO合酶（NOS）的底物，從而證明了NO是一種生物活性因子。NO的生成細胞為血管內(nèi)皮細胞和神經(jīng)細胞，其生成需要NOS的催化并以精氨酸為底物，生成NO。NO沒有專門的儲存以及釋放機制，作為局部介質(zhì)在組織中發(fā)揮作用[5]。

在植物細胞中NO主要有兩種不同的酶途徑：精氨酸依賴性的NOS途徑；亞硝酸依賴性的NR途徑。除此之外，也有不需酶的途徑來促進NO的合成[2]。雖然先前的發(fā)現(xiàn)指示出NOS存在于植物細胞中，例如大豆細胞提取物中的位于細胞質(zhì)的NOS活性對Ca2+有依賴性，同時植物中的NOS抑制劑能抑制NO的產(chǎn)生。但是沒有發(fā)現(xiàn)和哺乳類的NOS同源的基因或蛋白質(zhì)序列。雖然NR在植物中最初始的功能是將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，但同時NR也能在體內(nèi)或體外將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為NO[6]。NO的增多可以被生長素、生物誘導子、ABA或者H2O2誘導的過程需要依賴于NR的活性。在擬南芥中NR由兩種基因編碼NIA1和NIA2。這二者的缺失都會造成NO合成量的減少。而且根據(jù)研究NIA1和NIA2在不同的組織中對NO的合成的貢獻不同，例如：通過ABA誘導的氣孔關(guān)閉過程NIA1 在NO的合成中其主要作用，盡管NIA1在種子中的含量和活性都低于NIA2[7]。

NO的清除機制：植物細胞內(nèi)NO有兩種清除方式：一是NO自由基與O2反應生成NO3-和NO2-，或與超氧陰離子反應生成過氧化亞硝酸；二是NO被血紅蛋白和谷胱甘肽等還原性分子還原。NO的清除不代表信號轉(zhuǎn)導能力的終止，以上反應生成的產(chǎn)物有可能作為其它反應的底物，重新在體內(nèi)生成NO[8]。

1.3NO在植物體中的生理效應

1.3.1NO參與調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育

近來NO作為一種重要的信號分子在植物中介導許多生理和發(fā)育過程，包括種子的萌發(fā)、側(cè)根的起始、開花、氣孔關(guān)閉、以及應答非生物脅迫等。植物在正常生長條件下會釋放NO，NO對植物生長的影響與其濃度有關(guān)。高濃度的NO抑制植物的生長，低濃度時促進生長[3]。在葉綠體內(nèi)NO能夠可逆地抑制電子傳遞和ATP的合成。生長素誘導的根的生長和側(cè)根的形成能夠被NO的清除劑cPTIO阻斷。在低pH條件下，亞硝酸轉(zhuǎn)變?yōu)镹O[9]。氣孔關(guān)閉需要ABA誘導的保衛(wèi)細胞NO的合成，當用清除劑PTIO去除NO時，ABA誘導的氣孔關(guān)閉則被顯著地抑制。常用NO供體是硝普鈉（SNP），在進入細胞后產(chǎn)生NO。外源SNP處理擬南芥植株，能促進其營養(yǎng)生長，延期植物的開花效應與SNP處理劑量有關(guān)[10]。

1.3.2NO參與植物的脅迫應答

NO通過增強H2O2誘導的細胞死亡效應阻止病原菌從侵染位點擴散。植物NOS介導的NO合成參與脂多糖引發(fā)的植物防御反應。在植物抵御病原菌的過程中，NOS活性增強產(chǎn)生的NO能夠提高植物的抗病能力[11]。NR參與植物脅迫應答過程，在NIA1、NIA2雙突變體中精氨酸和亞硝酸鹽含量很低，合成的NO減少，突變體缺失了抵抗病害的能力，證實了NO參與植物的免疫應答反應。NO可以通過Ca2+途徑調(diào)控植物對病原體的防御反應[12]。外源NO處理還能夠誘導抗病和防御相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，在植物體內(nèi)NO能夠誘導水楊酸的積累，放大防御信號，增強植物抵御病原體等生物脅迫的能力。NO還參與植物對多種非生物脅迫的應答過程。NO可以激活液泡膜上的質(zhì)子泵活性來增強植物抗鹽脅迫能力。一些信號分子通過NO信號傳遞給受體，激活不同的調(diào)節(jié)機制從而調(diào)控植物對逆境脅迫的反應[13]。

1.4植物NO信號轉(zhuǎn)導

MAPK級聯(lián)反應是許多器官中一種轉(zhuǎn)導環(huán)境刺激到細胞內(nèi)反應的途徑。每一個NMAPK級聯(lián)反應都是由三種激酶組成。MAPKs通過磷酸化被上游的MAPKKs激活，而MAKKs是由MAPKKKs激活。經(jīng)過研究MAPK級聯(lián)反應在免疫和環(huán)境脅迫中起重要作用[14]。同時也調(diào)節(jié)植物生長和發(fā)育上起重要作用。例如擬南芥中的MAPK的代表MPK6，能夠被許多生物或非生物的脅迫所激活，例如：低溫、低濕、高滲透壓、觸摸、傷害、微生物誘導子、氧化脅迫。最新的進展表明NO能夠激活MAPK級聯(lián)反應，而且MAPKs在調(diào)節(jié)NO的生成量上起著重要的作用。例如在煙草中，誘導子INF-1，能夠誘導MAP或者MEK1和MEK2的活化以及提高NO的產(chǎn)量。MEK2的持續(xù)活化能顯著提高NO的合成量。作為NR的抑制劑鎢酸鹽能夠抑制NO的生成，證明了NR參與了NO的合成。雖然調(diào)節(jié)NO的合成可能涉及到NR的轉(zhuǎn)錄后修飾，但是具體的機制仍不清楚[15]。

在擬南芥中MPK6參與調(diào)節(jié)H2O2誘導的NO的合成，MPK6與NIA2在體內(nèi)或體外都相互作用，而且證實了MPK6能夠磷酸化NIA2，磷酸化的位點為Ser-627。被MPK6磷酸化的NIA2不僅能夠活化NIA2以及顯著地增加NO的產(chǎn)量，而且還能導致擬南芥的根系統(tǒng)的形態(tài)學改變[2]。最近的研究顯示在煙草中MAPK信號反應調(diào)節(jié)NO的產(chǎn)量的增多。在擬南芥中MPK6與煙草中的SIPK蛋白功能同源，而且MPK6能被氧化的脅迫所激活。當在實驗中加入外源的c-PTIO（NO的清除劑）時，NO的量減少，植物根系中的NO濃度降低[16]。一些最近的研究結(jié)果表明NO影響側(cè)根的發(fā)育是一種劑量依賴性的行為。在野生型的擬南芥的植物中，使用外來的SNP處理能增強側(cè)根的起始和生長是一種濃度依賴型的行為。

在植物體內(nèi)，NO主要依賴于cGMP和不依賴于cGMP兩條途徑介導信號傳導。依賴于cGMP的信號途徑中，NO與受體鳥苷酸環(huán)化酶（GC）結(jié)合并激活其活性，導致cGMP生成量增加，從而激活依賴于cGMP的蛋白激酶，最終誘導植物中抗病基因的表達。NO還可能通過cGMP誘導cADPR的合成，cADPR量的增多來調(diào)節(jié)植物體內(nèi)Ca2+濃度，通過Ca2+途徑調(diào)控植物對病原體的防御反應。不依賴于cGMP的信號轉(zhuǎn)導途徑中，NO通過抑制順烏頭酸酶等含非血紅素鐵類酶活性來參與植物抗逆反應[17]。

外界的刺激以及內(nèi)源信號能夠激活NOS和NR依賴的NO合成途徑，誘導細胞內(nèi)NO的產(chǎn)生和積累，這一過程部分地依賴于胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和MAPK級聯(lián)反應。NO通過對靶蛋白的轉(zhuǎn)錄后修飾直接調(diào)控效應蛋白的活性，或者通過誘導細胞內(nèi)cGMP和Ca2+等第二信使的增加，間接地激活下游信號轉(zhuǎn)導途徑，介導植物的許多生理和發(fā)育過程[18]。

2　問題與展望

近年來人們更加關(guān)注對NO在植物的生物效應和信號轉(zhuǎn)導機制中的研究，現(xiàn)在已知細胞內(nèi)應答NO信號分子的有細胞內(nèi)cGMP的產(chǎn)生、cADPR濃度上升以及Ca2+濃度的上升，但是比較精心的信號轉(zhuǎn)導通路和怎樣使這幾種物質(zhì)發(fā)生變化的具體機制研究結(jié)果并不完整，而且NO的含量的多少對不同植物的不同部位的作用以及影響尚不清楚。NO濃度的高低對擬南芥的研究已經(jīng)得出是劑量依賴型怎樣影響已知的信號轉(zhuǎn)導途徑尚不清楚，現(xiàn)今模式植物擬南芥突變株的篩選的應用使科學家們能更好的研究NO對植物細胞信號轉(zhuǎn)導的影響和在信號轉(zhuǎn)導中的作用，隨著研究手段的不斷創(chuàng)新，NO的相關(guān)研究會更進一步。

NO為內(nèi)源代謝物，但其NO的生物合成還不是完全清楚。NO兩種合成方式：通過NR從亞硝酸鹽合成、通過NOS途徑合成，這兩個屬于酶促合成途徑；另外還有非酶促途徑合成途徑，但是類似于哺乳動物的NOS至今還沒有在植物中得到證實，也就是說沒有發(fā)現(xiàn)與哺乳類同源的NOS基因和蛋白質(zhì)。不同的NO合成途徑對植物的不同NO應答的一一對應尚不清楚以及對不同逆境因子的響應也不清楚。NO生物合成酶和編碼基因的鑒定和隨后的轉(zhuǎn)基因操作也是今后的研究重點。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展以及NO檢測的新技術(shù)的出現(xiàn)將會大大促進植物NO信號轉(zhuǎn)導機制的研究。

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.22.046

收稿日期：2014-04-01

基金項目：天津市自然科學基金資助項目（13JCYBJC25500）

作者簡介：趙朝宇（1991—），女（漢），碩士，研究方向：植物生理生化。

*通信作者

Research Progressof Nitric Oxide Signal Transduction in Plant

ZHAOChao-yu，WANGYa-zhe，LIUHui，XUQiu-man*
（Tianjin Key Laboratoryof Animaland PlantResistance，Collegeof Life Science，Tianjin NormalUniversity，Tianjin 300387，China）

Abstract：Cell signal transduction is the molecular pathway from the environment to the inner parts，andchange thephysiology and biochemistry of the cell.Plantsignal transduction hasaroused people'swide attention in recentyears.Nitric oxide（NO）wasnamed thestarmolecule by Science in 1992.But the relevant function of NO in plants and the function of signal transduction in plant cells attracted the scientists'attention by the 1990's.Ithasbecome a hot spot in the field of plantbiology recently.Introduces some research progressof NO signal transduction，including chemical property，the sourcesofNO in plants，the physiologicaleffectsof NO in plants.

Key words：NO；signal transduction；molecular pathways；signalmolecule；research advances