NO信号分子及其在植物抗病反应中的作用研究综述

王 晨

（上海东郁园林科技有限公司，上海杨浦 200090）

NO是一种不带电荷的气态自由基，具有亲脂性，能通过生物膜快速扩散，它是广泛存在于生物体内的一种气体分子[1]。近年来研究表明，NO在植物生理活动中也起着关键枢纽作用，参与植物种子萌发、叶片生长发育、气孔运动、呼吸作用、光形态建成以及抗病防御反应等多种生理过程的调节。然而，最引人注目的是NO在植物体的抗病防御反应中的作用[2]。

1 NO在植物抗病反应中的作用

自1998年Durner等发现NO是植物的一种防御信号以来，目前已在多个植物——病原物互作体系中发现感病植物体内NO含量大量迸发[3]。Nakatsubo等和Foissner等利用NO特异性荧光探针技术，发现疫霉（Phytophtora parasitica var.nicotianae Tucker）的真菌激发子处理烟草表皮细胞后，几分钟内NO诱发的荧光在胞内多个部位即可检测到，而用NO的清除剂或一氧化氮合成酶（NOS）的抑制剂同时处理可以抑制荧光产生[4]。

研究表明，植物体内NO具有双重的生理效应：当胞内NO浓度过高时，NO作为一种自由基，可作用于细胞膜、蛋白质、核酸等生物大分子，导致膜脂过氧化反应，还可与O2-相互作用生成大量的ONOO-，后者质子化再形成具有强氧化性的过氧亚硝酸（HOONO），破坏生物大分子结构与功能；而适当浓度的NO可作为信号分子通过激活植物抗性基因和防卫基因的表达、诱导寄主过敏反应等途径参与调控寄主对病原物的应答反应。[5-7]

1.1 提高抗氧化酶活性

为有效防止自由基对植物细胞的氧化伤害，植物在长期的进化过程中形成了一套防御机制，以维持体内的自由基处于一定的浓度范围，该机制包括酶促和非酶促抗氧化系统[8]。非酶促系统包括抗坏血酸（ascorbic acid，AsA）、胡萝卜素、谷胱甘肽（glutathione，GSH）等；酶系统包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）、过氧化物酶（peroxidase，POD）、抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX），以及谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase，GR）、单脱氢抗坏血酸还原酶（mono-dehydroascorbate reduetase，MDHAR）、脱氢抗坏血酸还原酶（dehydroascorbate reduetase，DHAR）等[9]。一般认为，植物体内抗氧化能力越高，抵抗环境胁迫的能力越强[10]。研究表明，NO可以诱导植物体内抗氧化酶活性大量升高，提高植物抗性[11]。Sunita等研究发现，NO可以提高盐胁迫下鹰嘴豆体内CAT和APX活性从而缓解植物盐害效应。Hu等发现，NO可通过调节小麦体内抗氧化酶、SOD、CAT活性提高重金属铜胁迫下小麦种子萌发率[12]。Urszula和Sylwia等研究发现，番茄——灰霉菌（Botytis cinerea）互作中，外源NO对番茄体内CAT和APX酶活性具有调节作用[13]。研究表明，NO还能提高感病大豆、烟草体内抗氧化酶GST基因的转录表达[11]。

1.2 激发苯丙烷代谢途径

苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia lyase，PAL）是一种重要的植物防御酶，是苯丙烷衍生物代谢途径中的第一个关键限速酶[14]。查尔酮合酶（chalcone synthase，CHS），是类黄酮和异黄酮衍生物抗生素合成途径的第一个酶，在植物抗病反应中也起重要作用[15]。病程相关蛋白（Pathogenetisis-Related Proteins，PR-蛋白），是植物受病原菌侵染后产生的一类诱导性蛋白质，具有抗蛋白水解酶、几丁质酶或β-1,3葡聚糖酶特性，可抑制病原菌对寄主细胞壁的降解作用而有效抵御侵染[16]。拟南芥基因表达分析显示，NO能诱导抗性基因pal、chs转录水平提高，而抑制NOS活性能显著降低PAL和CHS的积累[17,18]。向大豆悬浮细胞中添加L-NAA（NOS合成酶抑制剂）可明显减弱由丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）诱导的pal基因的表达；相反，SNP可诱导pal基因的转录，而且这种诱导作用可以被NO专一性的抑制剂cPTIO所抑制[19]。水稻——稻瘟病互作的研究中表明，NO供体可以诱导水稻悬浮细胞抗性基因pal、pr1的转录水平，并且这2个抗性基因转录的强度随着NO供体处理时间的延长而增加；而使用NO清除剂都可以抑制这2个抗性基因的转录[20]。在马铃薯—疫霉互作体系的研究中表明，NO供体还可诱导马铃薯植保素的积累，而NO清除剂PBITU几乎可完全抑制植保素的产生[21]。

1.3 诱发植物过敏反应

植物过敏反应（hypersensitive response，HR）是植物和病原物不亲和互作中最常见的类型，也是一种常见的植物抗病性反应。它是指植物细胞受到病原物侵染后，侵染点周围及邻近组织细胞主动快速死亡，导致病原菌营养匮乏，从而限制病原物在寄主体内繁殖和扩展的一种防卫反应[22]。Levin等发现，白粉病菌（Blumeria graminis f.sp.hordei）可诱导大麦表皮细胞短暂的NO暴发，且发生在HR反应之前[23]。用无毒丁香假单胞菌侵染拟南芥，可诱导拟南芥HR反应，若同时用哺乳动物NOS的抑制剂处理叶片，则可以阻断这种过敏性反应[24]。

2 植物中NO产生途径

研究表明，植物中NO合成主要有3种途径：NO合成酶（nitric oxide synthase,NOS）途径，硝酸还原酶（nitrite reductase，NR）途径，非酶促途径。

2.1 NOS酶途径

哺乳动物中，NO大多来源于NOS途径，是一类细胞色素P450相关的二聚体酶[2]。研究表明，NOS能在黄素单核苷酸（flavin mononucleotide，FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD）、四氢叶酸（BH4）、钙调蛋白（CaM）催化下，以 NADPH 和 O2为底物，转化L-精氨酸生成L-瓜氨酸和NO[25]。多个试验表明，采用哺乳动物NOS抑制剂可抑制植物体内NO含量[2]。如细菌很快诱导大豆悬浮细胞中NO产生，且L-NNA（哺乳动物NOS抑制剂）可有效抑制NO合成；Foiisner等用激光共聚焦显微镜技术，来自疫酶（Phytophtora parasitica var.nicotianae Tucker）的激发子可诱导烟草中NO释放，且烟草中的NOS活性可被L-NMMA（哺乳动物NOS抑制剂）抑制[26]。

2.2 NR途径

研究表明，NR可催化2个电子从NADPH/NADH上转移到硝酸盐中，还原生成亚硝酸盐，亚硝酸盐可进一步还原最终生成NO。Rockel等发现，菠菜叶片中的NR，在离体和连体的条件下均有催化亚硝酸盐单电子还原合成NO的活性[2]。Yamamoto等还发现，受真菌侵染后马铃薯块茎上NR转录出现瞬时增加，这说明植物与病原物互作中NO的大量积累也可能来自NR[27]。

2.3 非酶促途径

非酶促反应主要是指氮的氧化和植物代谢之间的化学反应。研究表明，NO2-在酸性和还原性条件下，可直接生成NO，而抗坏血酸盐、L-半胱氨酸、NADPH和其他硫醇类物质可促进该反应的发生。Bethke等采用NO荧光探针技术发现，NO能在大麦糊粉层培养细胞中迅速合成，并且伴随着培养基中亚硝酸盐含量的减少而减少，而在培养基中加入还原剂（如ABA及一些酚类物质）则能加快NO产生[28]。另外，植物自身也可通过硝化和反硝化、固氮或呼吸作用氧化NO2产生NO，如灯心草、银杏的叶片可吸收NO2，然后以NO的形式释放出来[2,29]。