植物一氧化氮信号转导的研究进展

赵朝宇，王亚喆，刘慧，徐秋曼（天津师范大学生命科学学院天津市动植物抗性重点实验室，天津300387）

植物一氧化氮信号转导的研究进展

赵朝宇，王亚喆，刘慧，徐秋曼*
（天津师范大学生命科学学院天津市动植物抗性重点实验室，天津300387）

摘要：细胞信号转导是细胞感受环境的刺激并将信号传递到细胞内部从而使细胞发生生理生化等改变的分子途径。植物的信号转导近年来引起人们的广泛关注，在1992年NO被Science评为年度明星分子。而有关NO在植物中的作用，以及在植物细胞信号转导中的作用，到20世纪90年代才开始引起科学家的关注，现已成为植物生物学领域的一个研究热点。从NO的化学性质，植物体内NO的来源，NO在植物体中的生理效应这几方面来介绍植物细胞NO信号转导的一些研究进展。

关键词：NO；信号转导；分子途径；信号分子；研究进展

农作物是用于农业栽培的各种植物，包括粮食作物、经济作物两类。民以食为天，说明了食物对于人类的重要性，可食用的农作物是人类重要的食物来源[1]。科学家研究不同环境条件下植物NO信号水平的改变，以期通过调控NO信号水平来提高植物，尤其是农作物的产量和品质。植物NO信号转导研究了植物细胞在接受外界环境的刺激后所产生的应答过程，NO触发的信号转导在植物的生理发育过程中起重要作用，包括种子萌发、侧根的起始、开花、气孔关闭、以及应答非生物胁迫等[2]。人们试图通过调控NO信号水平来提高农作物的产量，从而解决粮食短缺的问题，为人类的可持续发展提供保证。

植物中NO的生成、清除和信号转导等方面的研究发展日益成为植物生物学研究的前沿领域。在植物中NO参与种子萌发、侧根和根毛发育、气孔运动、开花和防御反应等许多生理过程[3]。NO是一种在植物中普遍存在的关键信号分子，植物能释放NO，并影响自身的生长发育，但是NO信号转导对植物生长发育影响的研究远远的落后于动物NO信号转导。本文主要综述NO的生物合成，NO对植物生长发育的作用以及NO在环境胁迫中的作用。

1　NO在植物细胞信号转导中的作用

1.1NO的化学性质

NO是一种自由基性质的气体，是脂溶性的信号分子，能够直接穿过细胞膜扩散到细胞内，到达邻近的靶细胞，与之作用，使细胞产生生理生化变化[4]。NO在胞外不稳定，只能在组织中局部扩散，被氧化后以硝酸根或亚硝酸根的形式存在于细胞内外液中。NO还能与过氧化氢、超氧阴离子等信号分子发生反应并在植物的抗病过程中起重要作用。

1.2植物体内NO的来源

NO作为气体性信号分子，能够直接进入细胞激活效应酶，参与体内的生理或病理过程。在了解到NO是气体信号分子前，在20世纪80年代科学家们发现培养条件下的巨噬细胞的杀菌活性依赖于培养基中的精氨酸，精氨酸是NO合酶（NOS）的底物，从而证明了NO是一种生物活性因子。NO的生成细胞为血管内皮细胞和神经细胞，其生成需要NOS的催化并以精氨酸为底物，生成NO。NO没有专门的储存以及释放机制，作为局部介质在组织中发挥作用[5]。

在植物细胞中NO主要有两种不同的酶途径：精氨酸依赖性的NOS途径；亚硝酸依赖性的NR途径。除此之外，也有不需酶的途径来促进NO的合成[2]。虽然先前的发现指示出NOS存在于植物细胞中，例如大豆细胞提取物中的位于细胞质的NOS活性对Ca2+有依赖性，同时植物中的NOS抑制剂能抑制NO的产生。但是没有发现和哺乳类的NOS同源的基因或蛋白质序列。虽然NR在植物中最初始的功能是将硝酸盐转化为亚硝酸盐，但同时NR也能在体内或体外将硝酸盐转化为NO[6]。NO的增多可以被生长素、生物诱导子、ABA或者H2O2诱导的过程需要依赖于NR的活性。在拟南芥中NR由两种基因编码NIA1和NIA2。这二者的缺失都会造成NO合成量的减少。而且根据研究NIA1和NIA2在不同的组织中对NO的合成的贡献不同，例如：通过ABA诱导的气孔关闭过程NIA1 在NO的合成中其主要作用，尽管NIA1在种子中的含量和活性都低于NIA2[7]。

NO的清除机制：植物细胞内NO有两种清除方式：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化亚硝酸；二是NO被血红蛋白和谷胱甘肽等还原性分子还原。NO的清除不代表信号转导能力的终止，以上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[8]。

1.3NO在植物体中的生理效应

1.3.1NO参与调节植物生长发育

近来NO作为一种重要的信号分子在植物中介导许多生理和发育过程，包括种子的萌发、侧根的起始、开花、气孔关闭、以及应答非生物胁迫等。植物在正常生长条件下会释放NO，NO对植物生长的影响与其浓度有关。高浓度的NO抑制植物的生长，低浓度时促进生长[3]。在叶绿体内NO能够可逆地抑制电子传递和ATP的合成。生长素诱导的根的生长和侧根的形成能够被NO的清除剂cPTIO阻断。在低pH条件下，亚硝酸转变为NO[9]。气孔关闭需要ABA诱导的保卫细胞NO的合成，当用清除剂PTIO去除NO时，ABA诱导的气孔关闭则被显著地抑制。常用NO供体是硝普钠（SNP），在进入细胞后产生NO。外源SNP处理拟南芥植株，能促进其营养生长，延期植物的开花效应与SNP处理剂量有关[10]。

1.3.2NO参与植物的胁迫应答

NO通过增强H2O2诱导的细胞死亡效应阻止病原菌从侵染位点扩散。植物NOS介导的NO合成参与脂多糖引发的植物防御反应。在植物抵御病原菌的过程中，NOS活性增强产生的NO能够提高植物的抗病能力[11]。NR参与植物胁迫应答过程，在NIA1、NIA2双突变体中精氨酸和亚硝酸盐含量很低，合成的NO减少，突变体缺失了抵抗病害的能力，证实了NO参与植物的免疫应答反应。NO可以通过Ca2+途径调控植物对病原体的防御反应[12]。外源NO处理还能够诱导抗病和防御相关基因的转录，在植物体内NO能够诱导水杨酸的积累，放大防御信号，增强植物抵御病原体等生物胁迫的能力。NO还参与植物对多种非生物胁迫的应答过程。NO可以激活液泡膜上的质子泵活性来增强植物抗盐胁迫能力。一些信号分子通过NO信号传递给受体，激活不同的调节机制从而调控植物对逆境胁迫的反应[13]。

1.4植物NO信号转导

MAPK级联反应是许多器官中一种转导环境刺激到细胞内反应的途径。每一个NMAPK级联反应都是由三种激酶组成。MAPKs通过磷酸化被上游的MAPKKs激活，而MAKKs是由MAPKKKs激活。经过研究MAPK级联反应在免疫和环境胁迫中起重要作用[14]。同时也调节植物生长和发育上起重要作用。例如拟南芥中的MAPK的代表MPK6，能够被许多生物或非生物的胁迫所激活，例如：低温、低湿、高渗透压、触摸、伤害、微生物诱导子、氧化胁迫。最新的进展表明NO能够激活MAPK级联反应，而且MAPKs在调节NO的生成量上起着重要的作用。例如在烟草中，诱导子INF-1，能够诱导MAP或者MEK1和MEK2的活化以及提高NO的产量。MEK2的持续活化能显著提高NO的合成量。作为NR的抑制剂钨酸盐能够抑制NO的生成，证明了NR参与了NO的合成。虽然调节NO的合成可能涉及到NR的转录后修饰，但是具体的机制仍不清楚[15]。

在拟南芥中MPK6参与调节H2O2诱导的NO的合成，MPK6与NIA2在体内或体外都相互作用，而且证实了MPK6能够磷酸化NIA2，磷酸化的位点为Ser-627。被MPK6磷酸化的NIA2不仅能够活化NIA2以及显著地增加NO的产量，而且还能导致拟南芥的根系统的形态学改变[2]。最近的研究显示在烟草中MAPK信号反应调节NO的产量的增多。在拟南芥中MPK6与烟草中的SIPK蛋白功能同源，而且MPK6能被氧化的胁迫所激活。当在实验中加入外源的c-PTIO（NO的清除剂）时，NO的量减少，植物根系中的NO浓度降低[16]。一些最近的研究结果表明NO影响侧根的发育是一种剂量依赖性的行为。在野生型的拟南芥的植物中，使用外来的SNP处理能增强侧根的起始和生长是一种浓度依赖型的行为。

在植物体内，NO主要依赖于cGMP和不依赖于cGMP两条途径介导信号传导。依赖于cGMP的信号途径中，NO与受体鸟苷酸环化酶（GC）结合并激活其活性，导致cGMP生成量增加，从而激活依赖于cGMP的蛋白激酶，最终诱导植物中抗病基因的表达。NO还可能通过cGMP诱导cADPR的合成，cADPR量的增多来调节植物体内Ca2+浓度，通过Ca2+途径调控植物对病原体的防御反应。不依赖于cGMP的信号转导途径中，NO通过抑制顺乌头酸酶等含非血红素铁类酶活性来参与植物抗逆反应[17]。

外界的刺激以及内源信号能够激活NOS和NR依赖的NO合成途径，诱导细胞内NO的产生和积累，这一过程部分地依赖于胞内活性氧的产生和MAPK级联反应。NO通过对靶蛋白的转录后修饰直接调控效应蛋白的活性，或者通过诱导细胞内cGMP和Ca2+等第二信使的增加，间接地激活下游信号转导途径，介导植物的许多生理和发育过程[18]。

2　问题与展望

近年来人们更加关注对NO在植物的生物效应和信号转导机制中的研究，现在已知细胞内应答NO信号分子的有细胞内cGMP的产生、cADPR浓度上升以及Ca2+浓度的上升，但是比较精心的信号转导通路和怎样使这几种物质发生变化的具体机制研究结果并不完整，而且NO的含量的多少对不同植物的不同部位的作用以及影响尚不清楚。NO浓度的高低对拟南芥的研究已经得出是剂量依赖型怎样影响已知的信号转导途径尚不清楚，现今模式植物拟南芥突变株的筛选的应用使科学家们能更好的研究NO对植物细胞信号转导的影响和在信号转导中的作用，随着研究手段的不断创新，NO的相关研究会更进一步。

NO为内源代谢物，但其NO的生物合成还不是完全清楚。NO两种合成方式：通过NR从亚硝酸盐合成、通过NOS途径合成，这两个属于酶促合成途径；另外还有非酶促途径合成途径，但是类似于哺乳动物的NOS至今还没有在植物中得到证实，也就是说没有发现与哺乳类同源的NOS基因和蛋白质。不同的NO合成途径对植物的不同NO应答的一一对应尚不清楚以及对不同逆境因子的响应也不清楚。NO生物合成酶和编码基因的鉴定和随后的转基因操作也是今后的研究重点。随着现代科学技术的发展以及NO检测的新技术的出现将会大大促进植物NO信号转导机制的研究。

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.22.046

收稿日期：2014-04-01

基金项目：天津市自然科学基金资助项目（13JCYBJC25500）

作者简介：赵朝宇（1991—），女（汉），硕士，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