no对植物生长发育的调控机制

NO 对植物生长发育的调控机制综述 1110514004 陈义勇 NO 作为一种温室效应气体对植物的生长发育具有广泛的影响 ,与其它活性氧一样,曾 被看做是生物体内的毒性分子。自从发现 NO 可以作为植物抗病反应的信号分子后 ,人们 对 NO 的生理学效应有了崭新的认识。植物内源 NO 主要通过 NO 合酶(NOS) 、硝酸还原 酶(NR) 催化、其它酶促反应 (包括亚硝酸盐 NO 还原酶和黄嘌呤氧化酶)和非酶促反应完 成的。植物体内 NO 以 NO、NO +和 NO-等 3 种形式存在,除了 NO具有生物活性外,NO + 和 NO-也具有生物学效应。 NO 在植物光形系生长、衰老等过程和对环境胁迫等的响应 中有重要作用。 1 NO 对植物生理过程的调控作用 NO 主要通过引起植物过敏反应(hypersensitive response,HR)、逆境生理、生理过程、 调节气孔运动和与激素的协同作用等五个方面对植物生理活动进行调节.与其它活性物质 如 H2O2 一样,NO 参与对植物生理活动调控的过程也是其对植物实现伤害的过程,但是这 种作用表现明确的剂量效应,即低浓度保护,高浓度伤害. 1.1 NO 对植物 HR 的调控 在动物体内,活性氧(reactive oxygen species,ROS)与 NO 协同作用诱导寄主细胞凋亡并 杀死入侵的病原体,其机理主要是通过超氧阴离子(O-2)和 NO 反应形成具有杀死病原体 活性的过氧化亚硝酸(ONOO-).在植物中,NO 通过直接或间接两种方式对植物的抗病反应 起作用,一方面 NO 主要通过阻止病原体从接种部位的传播来参与介导植物过敏性抗病反 应,植物细胞对病原体侵入的反应之一是氧爆,即产生大量的 ROS,伴随氧爆的发生 NO 也 会迅速产生,NO 可以直接杀灭病菌.一些研究表明 NO 在植物体内的杀菌作用可能也是通 过 NO 对植物生长发育的调控机制进行的,但是这种作用仍有待证实 .另一方面,NO 也可以 间接作用的方式诱导植物的 HR,这种作用主要是以信号转导的方式来诱导抗病基因的表 达.在烟草上的试验证实了 NO 作为信号分子和 ROS 协同作用激活植物防卫基因的表达 和过敏性反应,病毒感染烟草植株可诱导 NO 的增加,同时 cGMP 升高,延长抗性蛋白基因 (如 PR-l)的表达,利用外源 NO 供体(SNP)处理烟草植株亦观察到同样的结果。 NO 不仅同 ROS 有协同作用,而且还能通过依赖于水杨酸(SA)信号途径激活或增强植物防卫反应。 NO 也能激活如苯丙氨酸氨解酶(PAL)基因,PAL 是 phenylprpanoid 合成途径中的第一个酶,它 参与许多低分子量抗菌物质如植保素的合成,从而提高植物抗病力。 1.2 NO 对植物细胞生长的调控 NO 在诱导植物叶绿体的发育、促进需光种子的萌发和抑制下胚轴的生长等生理过 程中有明显作用。NO 在促进叶片生长过程中还表现出类似激素的剂量效应 ,即低浓度促 进,高浓度抑制。用 NO 供体硝谱钠(SNP)和 N-亚硝基-乙青霉胺(SNAP) 处理葛笋种子后, 发现这些需光才能够萌发的种子在黑暗中也能萌发,并且种子的萌发率与 SNP 和 SNAP 的剂量成正比,而 NO2-和 NO3-对种子萌发毫无影响.用自旋捕集和顺磁共振技术可以直 接检测到种子在萌发时释放 NO,而 NO 清除剂鸟苷酸环化酶以及抑制剂亚甲基蓝可以抑 制光刺激的种子萌发,证明在种子萌发过程中需要 NO 的参与 . NO 参与了对植物叶片生长 的调节。此外,NO 还影响植物根的生长,用释放 NO 的化学药品对玉米离体培养的根进行 处理时发现,根尖的生长与药品的浓度成正相关,而 NO 抑制剂亚甲基蓝能阻断这种作用。 NO 通过参与黄化苗的脱黄化和抑制下胚轴伸长对植物光形态建成有重要作用 ,它对于光 诱导的莴苣种子的萌发具有促进作用,刺激莴苣幼苗叶绿素的形成和抑制下胚轴和节间伸 长。 NO 对植物细胞凋亡有调控作用,它对植物叶片衰老的诱导作用与乙烯相关,发现在 细胞发生凋亡之前可以检测到 NO 爆发高峰,NOS 抑制剂可以抑制细胞衰老 ,可以通过调 控 NO 水平来调节细胞凋亡的进程,但是具体作用机理尚不明确 .以上结果表明,NO 对植物 种子萌发,形态建成和衰老有明显的调控作用,并且这种调控受其浓度的影响,深入研究 NO 对植物生理活动的调节机理,通过调节 NO 水平来改善植物生理状况以提高生活力 ,将具有 十分重要的理论和实践价值. 1.3 NO 对气孔运动的调控 气孔是植物体与外界进行物质、能量和信息交换的门户.干旱胁迫下气孔闭合可以减 少水分丢失而保持体内水分平衡,降低干旱对植物生长的胁迫伤害。NO 在调节植物气孔 运动的过程中,一方面可以作为 ABA 的下游信号分子诱导依赖于 ABA 的气孔关闭,用 NO 消除剂 2-苯-4,4,5,5- 四甲基咪哇 -1-氧-3-氧化物(PTIO)和 ABA 一起处理叶片,基本上不能 观测到气孔的关闭。另一方面,NO 可以和 H2O2 协同诱导气孔关闭,利用 NO 荧光指示剂 DAF-ZDA 测定 H2O2 对蚕豆和鸭跖草气孔保卫细胞 NO 影响的结果表明,H2O2 能够诱导 保卫细胞胞质 NO 的形成,其诱导作用可以被 PTIO 所清除和 NG-氮-L- 精氨酸-甲醋(L- NAME)所阻断 ,证明 NO 参与了 H2O2 诱导的气孔关闭,在 10 100mol/L 范围内,NO 的 供体硝普钠(SNP)和 H2O2 都可诱导气孔关闭 ,并具明显的浓度效应 36.H2O2 清除剂过氧 化氢酶(CAT)能够完全抵消 NO 诱导气孔关闭的作用,H2O2 合成抑制剂二苯基碘(DPI)可 部分减弱 NO 诱导的气孔关闭。NOS 抑制剂 L-NAME 和 NO 的清除剂 PTIO 与 H2O2 共 处理时,H2O2 诱导气孔关闭的作用被大大减弱。所以,在调控气孔运动中 H2O2 和 NO 具 有相互依赖性,共同参与了对气孔运动的调控. 2 NO 在植物逆境生理响应中的作用 生物胁迫及干旱、盐胁迫、极端温度、机械损伤、臭氧和紫外辐射等各种非生物胁 迫都能够对植物造成伤害。这些伤害作用在细胞水平上就表现为生物膜的脂质过氧化,最 终引起细胞死亡. NO 可保护逆境条件下植物细胞免受氧化胁迫伤害,用 NO 供体 SNP 处 理小麦叶片对氧化损伤有明显的缓解作用。不同浓度 NO 均能使干旱胁迫下小麦叶片的 相对含水量先降后升,而 MDA 含量先升后降,O2 释放速率下降 ,SOD 活性升高,POD 活性 降低并提高脯氨酸含量。 NO 还可以通过调节植物体内的 ROS 代谢来减轻氧化胁迫伤 害,缓解叶绿素降解、离子渗漏、膜脂过氧化以及 DNA 断裂等对植物造成的伤害;NO 还 可以在影响植物线粒体过氧化氢酶(catalase, CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(ascrobate peroxidase,APX)和细胞色素 c 氧化酶(cytochrome coxidase,COX)等含血红素铁的酶活性的 同时也增强抗氰呼吸,避免因线粒体电子传递链受阻而导致的 ROS 积累,提高植物对逆境 的适应能力。由于浓度和组织部位的不同,NO 在动物或植物中具有伤害或保护的双重作 用。总之,NO 通过对过氧化物的淬灭和诱导植物抗氧化酶系统的活性来减轻细胞的脂质 过氧化,增强植物对逆境胁迫的适应能力,而且这种作用存在剂量效应和部位差异. 3 NO 与植物信号转导机制 动物 NO 的信号转导机制已经有比较明确的认识.已证明动物的乌头酸酶是 NO 信号 的受体,其活性可被 NO 抑制,并转变成一种结合 mRNA 的铁调控蛋白(iron-regulatory protein,IRP),IRP 可以和铁蛋白 mRNA 及转铁蛋白受体 mRNA 上的铁响应单元(iron- responsive elements,IREs)结合,结果抑制铁蛋白 mRNA 的翻译,并抑制转铁蛋白受体 mRNA 的降解,使胞内游离态铁离子浓度明显升高。由于铁离子(Fe2+)可与 H2O2 反应 (即 Fenton 反应)产生高活性的羟基自由基 OH ,因此 NO 的抑制诱发细胞内过度的氧化反 应,启动细胞的防御反应。NO 对植物的调控作用表现为两个方面 :作为生理活性分子直接 参与植物的生命活动,以信号物质间接作用于植物生理反应.NO 是植物防御反应中的关键 信使。在逆境条件下,植物体内 NO 主要以依赖于 cGMP 和不依赖于 cGMP 两条途径来介 导其信号转导作用。前者 NO 通过与其受体鸟苷酸环化酶 (guanylatecyclase,GC)的铁离子 结合而提高其活性,结果导致细胞内第二信使 cGMP 生成的增加,激活依赖于 cGMP 的蛋 白激酶,最终诱导植物 PAL 和 PR-1 等与抗逆相关基因的表达;此外,NO 和 cGMP 行使功能 的另一种方式是诱导 cADPR 的合成,cADPR 负责调动钙离子流,是 NO 诱导反应的下游信 使分子.已有实验证明,cADPR 参与番茄和拟南芥植株体内 ABA 信号途径54. Durner(1998)等实验表明 ,cADPR 能诱导烟草植株内源 PAL 和 PR-1 基因和表达,而且这种 诱导作用可被 cADPR 调控、可被 Ca2+通道(cADPR-gated Ca2+channel)抑制剂所阻碍.可 见,cADPR 作为 NO 的下游信号分子与 cGMP 协同激活 PAL 和 PR-1 基因的表达.在不依 赖于 cGMP 途径中,NO 是通过抑制顺乌头酸酶等含非血红素铁类的酶活性来实施其信号 转导功能,植物胞质顺乌头酸酶同工酶被 NO 氧化失活后可能转变为铁调节蛋白 (iron- regulatory protein,IRP),进而调节体内铁稳态来参与对生物胁迫的应答。NO 可以通过对蛋 白激酶的活化来实现其信号转导功能。 4 研究展望 NO 是近年来生命科学研究的热点之一,它广泛存在于生物体中 ,不仅影响着生物的生 长发育等一系列生理过程,而且在信号转导过程中担任关键角色.目前,对动物 NO 的产生 机制及其生理功能已经有比较明确的认识,植物学 NO 研究方面也取得了重要进展并达成 了比较广泛的共识.烟草 NOS 的成功分离鉴定,证实了植物体内 NOS 催化产生 NO 机制的 假设,并且为植物 NO 生理功能和信号转导方面的研究提供了可靠的依据 .在 NO 对植物生 理调控研究领域,人们普遍认为 NO 直接参与调节种子萌发、根系发育、叶片生长、细胞 的程序性死亡等生理进程和植物对逆境胁迫的应答,其功能很可能是与植物激素协同实现 的,存在确切的剂量效应和部位差异. NO 和其它过氧化物可能协同作用完成植物过敏性反 应.对于 NO 在植物体内的信号转导机制,一般认为是通过依赖于 cGMP 和不依赖于 cGMP 的蛋白质磷酸化两条途径来完成其信号转导作用,并且 NO 的信号转导作用是通过与其它 过氧化物和植物激素协同完成的.结合前人研究成果和目前的研究进展,今后关于 NO 的研 究应该注重下面的三个方面:(1)利用蛋白质序列翻译和基因克隆等分子生物学技术,进一