植物一氧化氮响应镉胁迫作用机制的研究进展

2019-01-21曾键尧王娅娅

资源节约与环保 2019年9期

李娜曾键尧王娅娅杨琳

（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）

引言

目前，很多重金属元素随着工业废弃物排放、污水灌溉、长期施用化肥及农药等人类活动进入环境，对生态系统造成了严重破坏。重金属一旦进入水和土壤，就很难去除，将导致疾病爆发，并给人们生活带来极大的危害。由镉污染导致的“镉米”事件给人类健康造成巨大危害，镉会积存于肾脏上，还可导致骨质疏松和软化。镉是一种毒性很强的重金属元素，难以降解。当植物受到镉胁迫时，其形态表现为生长迟缓、叶片发黄和卷曲[1]；生理上表现为酶失活、自由基和其他氧化剂等大量积累。同时植物也会产生相应的防御机制来响应镉胁迫，一方面络合镉离子，另一方面区隔化入液泡。已有研究表明植物体内信号分子会参与到镉胁迫响应中。一氧化氮是一种结构简单的气体信号分子，通过酶促和非酶促途径合成，广泛分布于动物、植物和微生物细胞中，在植物生长发育、信号转导和对生物和非生物胁迫的响应中起着重要作用。因此，研究植物中一氧化氮的合成机理及其对镉胁迫的响应具有重要的理论意义。

1 植物信号分子一氧化氮的生成

植物中一氧化氮生成机制至今仍然没有被彻底阐述清楚，目前普遍接受植物通过两种酶促反应途径和非酶促途径合成信号分子一氧化氮。

1.1 酶促反应途径

（1）一氧化氮合酶

动物中一氧化氮主要由精氨酸在一氧化氮合酶的作用下合成。在NADPH 作为电子供体和O2的参与下，L-精氨酸被氧化成N-羟基精氨酸，然后被氧化成一氧化氮和瓜氨酸[2]。

动物体内有三种类型的一氧化氮合酶(NOS)，神经元型一氧化氮合酶(nNOS)、内皮细胞一氧化氮合酶(eNOS)和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)。这三种酶具有不同的分子量、相似的结构和相同的催化过程。

在高等植物中一氧化氮合酶基因尚未被发现，但类似的一氧化氮合成酶也存在于植物中。美国Crowford 实验室发现一个可能的拟南芥NOS 基因AtNOS1，AtNOS1 缺失突变体中一氧化氮合成受到影响[3]。并且动物NOS 抑制剂L-硝基精氨酸甲酯(LNAME)能够抑制拟南芥NOS 活性并减少一氧化氮的产生，在豆科植物中也发现了类似NOS 的活性存在[4]。

（2）硝酸还原酶

硝酸还原酶是催化一氧化氮合成的主要酶，NADPH/NADH作为电子供体催化硝酸盐和亚硝酸盐的单电子还原反应生成一氧化氮。

1.2 非酶促合成途径

植物中的一氧化氮也可以通过非酶促反应合成。当类胡萝卜素和光参与时，可由NO2-合成一氧化氮[5]。Bethke 等[6]研究表明，在添加亚硝酸盐后，大麦糊粉细胞的外胚层会发生非酶促反应，由亚硝酸盐还原为一氧化氮。

2 镉胁迫对植物的毒害作用与植物耐受镉胁迫的机理

2.1 镉胁迫对植物的毒害作用

镉是一种毒性高的重金属元素，在较低浓度状态下也会对动植物细胞造成危害。植物受到镉胁迫后，会引发一系列的毒害效应：抑制植物生长，叶片变黄；抑制水分吸收和呼吸作用；抑制抗氧化酶活性；诱导植物细胞程序性死亡。

2.2 植物耐受镉胁迫的机理

为了尽量减少镉毒害的影响，植物已经进化出一系列的解毒机制。一方面，镉胁迫诱导细胞质中产生谷胱甘肽、植物螯合肽(PCs)和金属硫蛋白(MTs)，络合过多的Cd 离子，降低其生物毒性；另一方面，过多的Cd 离子或螯合物被转运至液泡区隔化。

谷胱甘肽包括还原型(GSH)和氧化型(GSSG)两种形式，其中GSH 能清除H2O2，是一种重要的抗氧化剂，也是PCs 合成的直接前体，而PCs 清除H2O2的能力是GSH 的5～6 倍[7]。PCs 是富含半胱氨酸的小分子化合物，广泛存在于植物体中,可以与重金属离子结合从而达到缓解重金属对植物的危害作用[8]。MTs 最早是在动物中发现的，它是一种富含半胱氨酸残基的低分子量金属结合蛋白，巯基含量高，因此对重金属有很高的亲和力[9]。

过多的Cd 离子或螯合物被转运至液泡区隔化，降低了Cd离子在细胞中的浓度，提高了植物对镉的耐受性。研究表明液泡是包括锌和镉在内的许多重金属的聚集场所[10]。

3 一氧化氮参与植物对镉胁迫的响应

一氧化氮作为一种气体信号分子，在植物中参与细胞增殖、生长发育、成熟衰老、细胞程序性凋亡、乙烯排放、对生物和非生物胁迫的响应。在应对重金属胁迫的响应中，NO 的功能是复杂的。

3.1 镉胁迫下植物体内源一氧化氮含量的变化

重金属胁迫下，植物内源一氧化氮含量会发生明显变化。在重金属污染的环境中，植物根系是与重金属离子直接接触的部位，因此经常研究镉胁迫下植物根系内源一氧化氮含量的变化。但内源一氧化氮含量的变化与植物种类、处理条件等多种因素有关，其在植物响应镉胁迫过程中发挥的功能尚不清楚。

一些研究表明，镉胁迫促进根系内源一氧化氮的产生。用100μmol/L 镉短时间处理24 小时后，豌豆根系内源一氧化氮含量增加[3]，1μmol/L 镉长期处理4 周，小麦根系中一氧化氮含量显著增加[11]。

与以上研究结果相反，也有一些研究表明镉胁迫抑制根系内源一氧化氮的产生。研究发现100 μmol/L 镉处理24 小时可显著降低7 天大小水稻幼苗冠根中一氧化氮含量[12]。有研究认为，镉胁迫引起一氧化氮减少可能是由于镉胁迫诱导叶片缺钙，从而导致NOS 活性丧失[13]。

内源一氧化氮具有双重性，一方面内源一氧化氮是有益的，增加了植物的镉胁迫抗性。微波预处理可以通过增加内源一氧化氮浓度来提高小麦幼苗对镉的耐受性[14]。另一方面，也有实验证明内源一氧化氮是有害的。在拟南芥中，一氧化氮通过促进镉在根中的积累和上调与铁吸收有关的基因来促进对镉的毒性[15]。

3.2 外源一氧化氮增强植物镉胁迫抗性

研究表明外源一氧化氮能在一定程度上减轻镉胁迫对植物的毒性效应。用一氧化氮供体硝普钠提供外源一氧化氮能降低镉胁迫对黄体根的的负面影响[13]，缓解镉胁迫对番茄生物量[7]的抑制作用。

一氧化氮能够增强植物镉胁迫抗性，主要有以下几个方面的原因。一方面，包括镉胁迫在内的大多非生物胁迫都会产生自由基和其他氧化剂，造成氧化损伤。因此，植物调控超氧阴离子O2-等氧化剂浓度是一种生存反应[16]。一氧化氮可以与O2-反应，从而缓解由镉胁迫造成的氧化损伤。另一方面，一氧化氮通过影响植物对镉的吸收以及镉在植物细胞内的分布来对镉胁迫起保护作用。一氧化氮促使植株产生更多的MTs、GSH 和PCs 来络合过多的镉离子；促进镉离子转运至液泡区隔化来缓解胁迫抑制[7]。此外，一氧化氮作为一种气体信号分子，在植物体的信号级联放大过程中发挥着重要作用，参与茉莉酸和H2O2合成[17]，调控耐受基因的表达，从而增强镉胁迫抗性。