程 龍張甬元何 燕劉碧云田 云吳振斌

(1. 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所, 淡水生態(tài)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

浮游植物中一氧化氮的生理作用研究進(jìn)展

程 龍1,2張甬元1何 燕1,2劉碧云1田 云1,2吳振斌1

(1. 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所, 淡水生態(tài)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

一氧化氮(NO)作為一種具有生物活性的氣體自由基分子, 它的功能代表了生物學(xué)系統(tǒng)中信號(hào)傳遞的新途徑。大量證據(jù)表明, NO在浮游植物細(xì)胞中的功能和在高等動(dòng)植物中類似, 具有調(diào)節(jié)生長(zhǎng)和參與抗逆性的作用, NO和ROS可能作為信號(hào)分子參與介導(dǎo)浮游植物程序性死亡(PCD)過程。文章較全面地介紹了NO在浮游植物中的產(chǎn)生途徑、測(cè)定方法、生理功能和PCD的關(guān)系及作為信號(hào)分子的作用, 并對(duì)該領(lǐng)域今后的研究進(jìn)行了展望。

一氧化氮; 浮游植物; 程序性死亡; 信號(hào)分子

20世紀(jì)80年代以前, 一氧化氮(NO)被單純的認(rèn)為是一種對(duì)環(huán)境和人體有害的氣態(tài)污染物, 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和研究的深入, 證明一些生物能內(nèi)源產(chǎn)生NO并將其作為信號(hào)分子在多種生理生化過程中扮演重要角色。隨著NO生物體內(nèi)源合成機(jī)制和生理特性的發(fā)現(xiàn)[1,2], 關(guān)于NO的研究呈現(xiàn)井噴式發(fā)展。1992年, NO被Science評(píng)為“年度分子”, 1998年, Furchgott、Murad和Ignarr三位科學(xué)家由于發(fā)現(xiàn)NO是心血管系統(tǒng)內(nèi)皮舒張相關(guān)的信號(hào)分子而獲得當(dāng)年的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。NO作為信號(hào)分子在生物生理生化方面的重要作用使其在動(dòng)物、高等植物、浮游植物中的作用受到越來越多的關(guān)注。浮游植物作為水生態(tài)系統(tǒng)中初級(jí)生產(chǎn)者和食物鏈的第一環(huán)節(jié), NO在其體內(nèi)的功能和合成機(jī)制引發(fā)研究者越來越多的興趣, 研究?jī)?nèi)容主要集中在(i)NO的產(chǎn)生途徑、(ii)NO的測(cè)定方法、(iii)NO的生理功能、(iv)NO與程序性死亡、(v)NO的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等幾個(gè)方面, 目前已有一些新發(fā)現(xiàn)和新觀點(diǎn)。

1 NO在浮游植物中的產(chǎn)生途徑

在浮游植物中, 一般認(rèn)為NO有3條合成路徑(圖 1)[3]: (1)硝酸還原酶(NR)或亞硝酸還原酶(NiR): NR催化還原為的同時(shí)產(chǎn)生NO; NiR催化

外源NO不僅在對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)上起著重要的作用, 其本身也能產(chǎn)生大量的內(nèi)源性NO來抵御外界環(huán)境壓力。有研究表明在一些浮游植物中NO是通過NR/NiR途徑產(chǎn)生。Tischner等[4]發(fā)現(xiàn), 只有在硝酸鹽或亞硝酸鹽的參與下, 綠藻Chlorella sorokiniana才能在細(xì)胞中通過NR/NiR途徑和線粒體的電子傳遞途徑合成NO, 而不存在其他NOS和NOS-like途徑。同樣, 在富含硝酸鹽的培養(yǎng)基中,藍(lán)藻Anabaena doliolum、綠藻Scenedesmus obliquus和Synechoccocus leopoliensis都能不同程度地產(chǎn)生NO; 萊茵河中分離的剛毛藻Cladophora在含硝酸鹽培養(yǎng)基中能在自然光照條件下會(huì)產(chǎn)生NO, 通過一段時(shí)間的黑暗脅迫其體內(nèi)還會(huì)出現(xiàn)一個(gè)NO的峰值,但是當(dāng)把培養(yǎng)基中硝酸鹽氮換成氨氮時(shí), Cladophora在光照和黑暗條件下都不會(huì)產(chǎn)生NO。為了進(jìn)一步驗(yàn)證NO的產(chǎn)生途徑, 有研究揭示藍(lán)藻A. doliolum產(chǎn)生NO的底物是亞硝酸鹽而不是精氨酸, 從而排除了NOS途徑的可能[5]。這和Tang等[6]得到的結(jié)果類似, 藍(lán)藻Microcystis aerugrinosa在正常生長(zhǎng)過程中會(huì)產(chǎn)生NO, 在30d的培養(yǎng)周期里, NO和的濃度逐漸增大, 而的濃度逐漸減小, 實(shí)驗(yàn)過程中通過外源添加硝酸鹽或L-精氨酸, 而只有在添加硝酸鹽的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致NO的大量產(chǎn)生, 這些結(jié)果都說明M. aerugrinosa細(xì)胞內(nèi)NO的產(chǎn)生可能是通過NR/NiR途徑。

圖 1 浮游植物中NO的產(chǎn)生途徑Fig. 1 The sources of nitric oxide production in phytoplankton

研究顯示哺乳動(dòng)物細(xì)胞中NO可以通過一氧化氮合成酶(NOS)途徑產(chǎn)生, 即NOS催化L-精氨酸分解產(chǎn)生L-瓜氨酸和NO[7]。在植物細(xì)胞中, 除了類似于動(dòng)物細(xì)胞中通過轉(zhuǎn)化L-精氨酸的NOS-like途徑, NR途徑被認(rèn)為是高等植物合成NO的主要途徑[8]。而NOS途徑是否存在于浮游植物中還存在爭(zhēng)議[9]。對(duì)三株硅藻Pseudonitzschia arenysensis、Pseudonitzschia delicatissima和Pseudonitzschia multistriata的轉(zhuǎn)錄組研究中發(fā)現(xiàn)只有P. multistriata存在NOS的同源序列[10]。Kim等[11]在對(duì)Chattonella marina的研究中發(fā)現(xiàn), C. marina能在自然生長(zhǎng)條件下產(chǎn)生NO, 通過分別添加NOS-like途徑的底物L(fēng)-精氨酸和抑制劑L-NAME, NO的量分別表現(xiàn)出增大和減小的現(xiàn)象, 當(dāng)外源添加NiR途徑底物亞硝酸鹽時(shí),對(duì)NO的產(chǎn)生量沒有影響, 因此證明NOS-like途徑才可能是C. marina細(xì)胞中積累NO的來源。但也有研究相反的指出, 為了驗(yàn)證綠藻Chlamydomonas reinhardtii中NO的產(chǎn)生是否涉及到NOS或NOS-like過程, 向藻液中加入NOS途徑的底物和抑制劑,發(fā)現(xiàn)對(duì)NO的產(chǎn)生并沒有影響, 因此認(rèn)為在C. reinhardtii中并不存在類似于動(dòng)物細(xì)胞中的NOS酶促機(jī)制[12]。

NO合成方式的差異性究竟是物種與物種之間的區(qū)別還是幾種合成方式協(xié)調(diào)起作用以及如何協(xié)調(diào)來調(diào)控內(nèi)源NO的產(chǎn)生機(jī)制尚不清楚, 揭示這些機(jī)制對(duì)認(rèn)識(shí)NO在浮游植物中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑有重要意義。目前對(duì)NO的產(chǎn)生機(jī)制的研究主要是根據(jù)NOS或NR/NiR途徑底物的差別來判斷, 如果采用生化分析和巧妙的篩選策略分離相關(guān)突變體研究浮游植物NO產(chǎn)生, 這對(duì)揭示NO產(chǎn)生途徑具有重要意義。

另外, 生物體內(nèi)NO也可以通過在酸性條件下亞硝酸鹽自發(fā)還原的非酶促途徑產(chǎn)生[13]。不過NO的這種產(chǎn)生途徑需要的條件嚴(yán)苛, 必須在酸性或強(qiáng)還原性環(huán)境中進(jìn)行, 浮游植物中這種適合非酶促途徑的條件很少, 所以浮游植物中NO在此方面的研究還未開展。

2 浮游植物中NO的測(cè)定

2.1 血紅蛋白法

此法是根據(jù)NO比O2對(duì)Hb有更強(qiáng)的親和力, NO可以與HbO2反應(yīng)生成高鐵血紅蛋白(MetHb), 其最大吸收波長(zhǎng)會(huì)從421 nm變?yōu)?01 nm, 兩者的區(qū)別可作為NO檢測(cè)的依據(jù)。

此方法的檢測(cè)限達(dá)到1.3—2.8 nmol/L[14]。但是有由于其存在的一些局限性而逐漸失去了研究者的興趣。第一, 新產(chǎn)生的HbO2有一些技術(shù)要求, 它需要用色譜法將其分離。第二, ROS也能氧化HbO2使得實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)誤差, 細(xì)胞內(nèi)一般存在著ROS和抗氧化系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)平衡, 所以Delledonne等[15]在用此方法測(cè)量NO時(shí)先加入CAT和SOD排除ROS的干擾, 盡管如此, 殘留的H2O2仍然有可能對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。第三, pH的改變也能影響測(cè)量, 然而在植物應(yīng)激反應(yīng)中, pH也經(jīng)常會(huì)改變。

2.2 Griess法

2.3 DAF熒光染料法

Kojima等[19]首次報(bào)道了DAF-2DA可以和NO氧化的副產(chǎn)物N2O3反應(yīng)而產(chǎn)生較強(qiáng)的熒光, DAF-2DA可以穿過細(xì)胞膜, 進(jìn)入細(xì)胞后可以被細(xì)胞內(nèi)的酯酶水解形成不能穿過細(xì)胞膜的DAF-2。DAF-2本身的熒光很弱, 但在和N2O3反應(yīng)后生成的DAF-2T, 可以發(fā)出強(qiáng)熒光[20]。環(huán)境中有、ONOO-等存在的情況下對(duì)其檢測(cè)也沒有影響, 其檢測(cè)限可以達(dá)到5 nmol/L, 因而得到廣泛應(yīng)用[21]。但是隨著研究的深入, 卻發(fā)現(xiàn)抗氧化劑如抗壞血酸可以降低N2O3的水平和DAF-2T的熒光強(qiáng)度[22], 在無氧條件下NO不能被氧化成N2O3, 另外, 它不能被NO抑制劑cPTIO抑制而限制了其使用[20]。

DAF-FM DA是在DAF-2 DA的基礎(chǔ)上改進(jìn)用于NO定量檢測(cè)的新型熒光探針, 與DAF-2 DA相比, DAF-FM和NO反應(yīng)形成的熒光產(chǎn)物受pH值的影響小, 在pH大于5.5時(shí)不受pH的影響。其次, DAF-FM DA和DAF-2 DA相比, 前者產(chǎn)生的熒光更加穩(wěn)定,不容易淬滅, 這樣更加便于檢測(cè)。另外, DAF-FM DA和DAF-2 DA相比, 前者對(duì)一氧化氮的檢測(cè)靈敏度更高, 相同條件下檢測(cè)靈敏度可以提高接近2倍,最低檢測(cè)濃度可以達(dá)到3 nmol/L[23]。因此DAF-FM DA在測(cè)定細(xì)胞內(nèi)的NO中有廣泛的應(yīng)用。

2.4 電子順磁共振法

電子順磁共振(Electron paramagnetic resonance, EPR)是由不配對(duì)電子的磁矩發(fā)源的一種磁共振技術(shù), 可用于從定性和定量方面檢測(cè)物質(zhì)原子或分子中所含的不配對(duì)電子。因?yàn)镹O特殊的分子結(jié)構(gòu), 它有未成對(duì)的電子, 帶有自由基, 具有順磁性,因此可以用EPR穩(wěn)定的測(cè)量。由于NO較短的半衰期, 所以需要特異性的捕獲劑捕獲使其穩(wěn)定, 最常見的捕獲NO的捕獲劑是二硫代氨基甲酸鹽(銅試劑)[24], 其檢測(cè)限一般在皮摩爾級(jí)別[25]。值得注意的是, Gao等[26]聯(lián)合兩種不同的捕獲劑同時(shí)測(cè)定了大豆細(xì)胞和老鼠細(xì)胞中同時(shí)產(chǎn)生的ROS和NO。但是由于EPR高昂的費(fèi)用限制了其使用。

2.5 NO電極法

在臨床醫(yī)學(xué)研究中, NO的電極法測(cè)量由于其相對(duì)低廉的價(jià)格和簡(jiǎn)單的操作而得到廣泛的應(yīng)用。同樣, 在植物科學(xué)研究中, 由于NO的電極法測(cè)量不需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理, 可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)細(xì)胞產(chǎn)生的NO, 同時(shí)可以定量NO的絕度濃度, 所以逐漸成為具有發(fā)展前景NO測(cè)量方法[27]。Zhang等[28]通過一個(gè)裝配有ISO-NO MarkⅡ電極的NO測(cè)量?jī)x的電化學(xué)法測(cè)定實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的海洋微藻和大亞灣的藻類海洋生態(tài)系統(tǒng)中的NO。其靈敏度高, 測(cè)定的濃度為1—10 nmol/L。在綠藻C. reinhardtii和藍(lán)藻M. aeruginosa中同樣用NO電極法測(cè)到由細(xì)胞內(nèi)自由擴(kuò)散到培養(yǎng)基中的NO[6,12]。

關(guān)于浮游植物中NO的各種測(cè)定方法比較見表 1。NO的測(cè)定是研究NO在有機(jī)體中功能的基礎(chǔ), 其發(fā)展推動(dòng)了NO的研究, 然而隨著對(duì)NO研究的深入, 還發(fā)現(xiàn)NO可以自由進(jìn)出浮游植物細(xì)胞, 單個(gè)細(xì)胞可以通過NO把環(huán)境因子的改變傳遞給周圍細(xì)胞, 從而可以引起浮游植物的群體對(duì)環(huán)境因子變化的響應(yīng)[29]。現(xiàn)有的測(cè)定技術(shù)也亟待改進(jìn), 例如,現(xiàn)在被大量使用的測(cè)定技術(shù)包括DAF-FM DA熒光探針法和NO電極法隨著研究?jī)?nèi)容的深入也需要改進(jìn), DAF-FM DA在測(cè)定細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的NO有明顯的優(yōu)勢(shì), 但是其對(duì)NO的測(cè)定并沒有得到NO的絕對(duì)濃度; 由于高等動(dòng)物或高等植物相對(duì)較大的細(xì)胞個(gè)體, 選擇不同的NO電極材料可以測(cè)定細(xì)胞內(nèi)或培養(yǎng)液中NO的絕對(duì)濃度, 對(duì)于一些單細(xì)胞的藻類由于其細(xì)胞很小, NO電極材料在技術(shù)上很難直接測(cè)定細(xì)胞內(nèi)的NO, 但是浮游植物細(xì)胞培養(yǎng)液中NO的測(cè)定結(jié)果也間接證明了NO可以在細(xì)胞內(nèi)自由進(jìn)出。因此, 高精度、絕對(duì)測(cè)定浮游植物細(xì)胞內(nèi)外NO的濃度的技術(shù)急需實(shí)現(xiàn), 并且很有希望在改進(jìn)NO電極技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。

3 浮游植物體內(nèi)NO的作用

3.1 調(diào)控浮游植物的生長(zhǎng)

NO對(duì)海洋微藻生長(zhǎng)的影響研究發(fā)現(xiàn)[28], 低濃度的NO促進(jìn)生長(zhǎng)而高濃度的NO抑制生長(zhǎng), 所以提出了“NO閾”的概念。這和在動(dòng)物和高等植物中得到的結(jié)果類似, 體現(xiàn)了NO在對(duì)細(xì)胞作用上的一些共性。

表 1 浮游植物中NO的各種測(cè)定方法Tab. 1 The methods of determining nitric oxide (NO) in phytoplankton

外源NO供體SNP對(duì)藍(lán)藻M. aerugrinosa的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用, 促進(jìn)其生長(zhǎng)的最適濃度為0.1 mg/L, 而M. aerugrinosa的過度生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致水華的爆發(fā), 因而NO對(duì)于藍(lán)藻水華爆發(fā)在一定程度上具有相關(guān)性[6]。在對(duì)3種海洋微藻Platymonas subcordiformis、Skeletonema costatum和Gymnodinium sp.生長(zhǎng)過程中NO的積累研究來看, 起始階段NO濃度隨著細(xì)胞密度的升高而升高, 隨后在細(xì)胞密度出現(xiàn)峰值的前2—3天NO出現(xiàn)一個(gè)峰值, 通過觀察海洋浮游植物中一些赤潮種C. marina、C. ovata、H. akashiwo與非赤潮種C. polykrikoides、A. taylori、A. tamarense、G. impudicum、N. oculata的差別, 發(fā)現(xiàn)赤潮藻種細(xì)胞內(nèi)有NO產(chǎn)生, 而非赤潮藻種細(xì)胞內(nèi)沒有NO的產(chǎn)生[30], 因此認(rèn)為對(duì)NO的監(jiān)測(cè)可作為赤潮的爆發(fā)的預(yù)警因子之一[31]?？偠灾? NO對(duì)于浮游植物的作用, 特別是對(duì)于湖泊水華優(yōu)勢(shì)種和海洋赤潮優(yōu)勢(shì)種的影響, 可能對(duì)水華和赤潮的監(jiān)測(cè)和消亡機(jī)理提供新的思路。

3.2 參與浮游植物抗逆性作用

浮游植物在受到重金屬、紫外線、有機(jī)污染物等環(huán)境脅迫時(shí), 會(huì)引起浮游植物細(xì)胞的損傷, 已有證據(jù)表明浮游植物細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生內(nèi)源性的NO作為信號(hào)分子調(diào)控和響應(yīng)環(huán)境脅迫, 而當(dāng)通過外源添加NO到受環(huán)境脅迫的浮游植物體系中時(shí), 能降低環(huán)境脅迫對(duì)浮游植物造成的損傷。Li等[32]發(fā)現(xiàn), NO能緩解十六烷基三甲基氯化銨(表面活性劑)和熒蒽(多環(huán)芳烴)對(duì)綠藻Chlorella vulgaris的氧化毒性作用, 在十六烷基三甲基氯化銨或熒蒽處理綠藻C. vulgaris體系中接入外源NO供體SNP后, 綠藻的生物量、葉綠素含量、可溶性蛋白的含量, SOD、POD、CAT的活性比不加NO供體對(duì)照組要高, 并且隨之ROS和MDA含量下降。對(duì)2種海洋浮游植物P. subcordiforms和S. costatum的研究發(fā)現(xiàn), 在受到非金屬、金屬、殺蟲劑、紫外線的脅迫時(shí)其生長(zhǎng)受到明顯抑制, 當(dāng)向藻的培養(yǎng)液中每天兩次添加不同低濃度的NO(0.1—10 nmol/L)時(shí), 兩種海洋藻的生長(zhǎng)明顯受到促進(jìn), 說明NO對(duì)于這兩種海洋藻在受到非生物脅迫時(shí)具有保護(hù)功能[33]。

NO的這種保護(hù)功能, 可能是NO與活性氧(ROS)之間的復(fù)雜關(guān)系有關(guān), 一種說法是NO作為抗氧化劑通過上調(diào)超氧化物歧化酶(SOD)、愈創(chuàng)木酚過氧化物酶(GPX)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽還原酶(GR)來猝滅由重金屬、鹽度、紫外線、除草劑等引起的ROS產(chǎn)生, 進(jìn)而減少由氧化脅迫帶來的細(xì)胞損傷。另外, NO在清除ROS起到的保護(hù)作用還跟在環(huán)境脅迫下NO和ROS的濃度比有關(guān), 在低濃度時(shí)通過清除和脂質(zhì)自由基來終止脂質(zhì)過氧化和引起抗氧化酶的表達(dá)。在高濃度時(shí)與形成毒性更強(qiáng)的過氧亞硝基(ONOO-), 而過氧亞硝基可以破壞生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能[34]。在除草劑莠去津、草銨膦引起的綠藻C. vulgaris細(xì)胞死亡中, 外源添加NO供體表現(xiàn)出雙重作用, 低濃度的SNP可以增強(qiáng)SOD、CAT、POD等抗氧化酶以降低由除草劑引來的ROS、MDA的升高, 上調(diào)光合作用基因(psbC、psaB、chlB和rbcL)的表達(dá)以維持正常的光合作用; 而高濃度的SNP(100 μmol/L)通過增強(qiáng)ROS、MDA和減少葉綠素含量、抗氧化性酶、光合作用基因轉(zhuǎn)錄加劇除草劑的毒性[35]。NO的這種雙重性, 可能是通過NO的信號(hào)分子功能來減少環(huán)境脅迫對(duì)浮游植物的毒性作用, 或者當(dāng)NO濃度過高時(shí), 從種群演替的意義來說是去清除受損或者破壞了的浮游植物, 從而讓資源能讓健康的細(xì)胞利用。

4 NO與程序性死亡

程序性死亡(PCD)是一種由遺傳決定的且受代謝指導(dǎo)的細(xì)胞自殺事件, 大量研究結(jié)果表明, 在浮游植物中也存在類似于細(xì)胞凋亡、類凋亡、自噬等途徑的PCD[36], 而PCD是有機(jī)體適應(yīng)外界環(huán)境條件, 主動(dòng)調(diào)整自身代謝的重要手段。NO參與了細(xì)胞的程序性死亡過程在很多研究中都得到驗(yàn)證, 目前有幾種觀點(diǎn), 一種是NO直接引起程序性死亡[37],另一種是和其他物質(zhì)作用引起程序性死亡, 例如ROS[15]、C2H4[38]等。研究發(fā)現(xiàn)蟲黃藻Symbiodiniummicroadriaticum的培養(yǎng)溫度從27℃升高到32℃時(shí)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡率增高、caspase-3酶活性增強(qiáng), NO濃度增大, 并且NO的產(chǎn)生與casepase-3活性具有緊密的相關(guān)性[39]。Lehner等[40]對(duì)單細(xì)胞綠藻Micrasterias denticulata的研究發(fā)現(xiàn), 用外源的NO供體SNP、SNAP處理藻細(xì)胞, 細(xì)胞的生長(zhǎng)受到抑制, 與對(duì)照相比, 處理組細(xì)胞出現(xiàn)如次生壁缺失、高爾基體的功能受到損傷等典型的PCD特征。海洋硅藻分泌的活性物質(zhì)反式-2, 4癸二烯醛對(duì)硅藻T. pseudona和Phaeodactylum tricornutum的研究發(fā)現(xiàn),兩種藻發(fā)生PCD的過程中, 沒有監(jiān)測(cè)到ROS的產(chǎn)生,但處理5min后NO的水平顯著增加[29]。

對(duì)于浮游植物來說, PCD的重要功能是從種群中移除受損或者破壞了的細(xì)胞, 讓資源可以被健康的細(xì)胞生長(zhǎng)所利用, 或在不利的環(huán)境條件下, 淘汰大部分群體, 保留少數(shù)強(qiáng)健個(gè)體, 以便在合適環(huán)境下繼續(xù)繁衍其種群, 從另一個(gè)角度講是實(shí)現(xiàn)種群利益的最大化, 浮游植物PCD的這種特點(diǎn), 為我們控制藻類異常增殖的工程應(yīng)用提供新的思路, 可以通過人為誘導(dǎo)水華藻類PCD發(fā)生的環(huán)境條件來降低水華藻類生物量, 因此研究浮游植物中NO和PCD關(guān)系對(duì)控制富營(yíng)養(yǎng)化水體藻類水華爆發(fā)具有重要意義。實(shí)驗(yàn)室沉水植物Myriophyllum spicatum和M. aeruginosa共培養(yǎng)的研究發(fā)現(xiàn), 水生植物能夠通過化感作用誘導(dǎo)藻類產(chǎn)生NO從而引起PCD[41], 更重要的一點(diǎn)是NO可以向水體中擴(kuò)散, 可以作為一種刺激引起臨近的細(xì)胞產(chǎn)生NO[29], 進(jìn)而誘導(dǎo)其PCD的產(chǎn)生, 其意義在于可能引起浮游植物細(xì)胞群落的PCD。

5 NO對(duì)浮游植物的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用

NO作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的氣體活性分子, 是自然界中繼乙烯之后的第二種氣體信號(hào)分子, 代表了生物學(xué)系統(tǒng)中信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的一種新途徑。在高等植物中NO參與種子萌發(fā)、側(cè)根和根毛發(fā)育、氣孔運(yùn)動(dòng)、開花和防御反應(yīng)等許多重要的生理過程[42]。在植物抗逆性反應(yīng)中, NO主要依賴環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)和不依賴cGMP這兩條途徑介導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),但作為初級(jí)生產(chǎn)者的浮游植物, NO的研究還處于初級(jí)階段, 其研究與在高等植物細(xì)胞中類似, 如NO可以與Ca2+相互交叉影響硅藻的多種生理功能,在浮游植物多種脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中, 細(xì)胞內(nèi)Ca2+的濃度變化總是伴隨著細(xì)胞內(nèi)NO濃度的變化,并且和高等植物中類似, NO信號(hào)位于Ca2+信號(hào)的上游[29]。

環(huán)境脅迫的刺激下能導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)NO和ROS的產(chǎn)生, 在多種生理過程中, NO和ROS作為信號(hào)分子表現(xiàn)出類似的生物學(xué)效應(yīng), 暗示它們可能存在著復(fù)雜的相互關(guān)系[42]。NO和ROS作為信號(hào)分子觸發(fā)浮游植物的死亡已經(jīng)被證實(shí), 對(duì)硅藻S. costatum的研究表明, NO可以作為二級(jí)信使, 調(diào)節(jié)死亡特異性蛋白ScDSP-1的表達(dá)[43], 鹽藻Dunaliella viridis在受到環(huán)境脅迫時(shí), 細(xì)胞死亡早期ROS可能起著開關(guān)的作用[44]。在高等植物細(xì)胞中, Delledonne等[15,45]的兩篇經(jīng)典文獻(xiàn)揭示了NO和ROS的相互作用關(guān)系, 證實(shí)NO和ROS之間的相互作用決定高等植物細(xì)胞PCD的發(fā)生, NO和ROS本身不能引起大豆細(xì)胞發(fā)生PCD, NO和H2O2的比例決定PCD的發(fā)生, 但是為什么只有NO和H2O2才能引起PCD, 以及高等植物中這種NO和ROS的相互作用關(guān)系決定PCD的發(fā)生在浮游植物中是否適用還鮮有研究, 是值得重點(diǎn)關(guān)注的方向之一。

6 展望

NO在有機(jī)體內(nèi)復(fù)雜的反應(yīng)和生理功能都值得研究, NO在浮游植物(低等植物)中的作用極有可能與在高等植物中類似, NO參與植物的許多生理過程已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí), 但是同NO在高等植物和動(dòng)物中的研究相比, NO在浮游植物中的研究還處于初級(jí)階段。

總結(jié)NO在高等植物、動(dòng)物和浮游植物中現(xiàn)有的研究進(jìn)展, NO的功能還未有定論, 還有許多工作需要展開: (1)NO在浮游植物中便捷、準(zhǔn)確、定量的監(jiān)測(cè)技術(shù), 目前主要通過熒光探針和電極的方法測(cè)定浮游植物細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的NO, 前者的結(jié)果檢測(cè)NO的產(chǎn)生部位, 但是NO的濃度只能用相對(duì)熒光值表示, 電極法能直接定量測(cè)定浮游植物培養(yǎng)液中NO的絕對(duì)濃度, 但是對(duì)于單細(xì)胞的藻類不能測(cè)定細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的NO, 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 一些定量、便捷測(cè)定浮游植物細(xì)胞內(nèi)外NO絕對(duì)濃度的方法亟待開發(fā), 這必將大大促進(jìn)NO在浮游植物中的研究; (2)NO在浮游植物中產(chǎn)生途徑有NR/NiR和NOS途徑已經(jīng)被確定, 但是由哪些因素造成這種差異還有待研究; (3)關(guān)于NO在浮游植物中的功能大都是通過NO供體、清除劑來驗(yàn)證, 但是細(xì)胞內(nèi)的生理功能和化學(xué)藥物處理還是存在差異, 因此實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)還有待改進(jìn); (4)NO引起的程序性死亡在浮游植物群演替及進(jìn)化中起著重要作用, 其可能為控制藻類水華的發(fā)生提供新的思路, 而NO作為信號(hào)分子通過細(xì)胞內(nèi)級(jí)聯(lián)反應(yīng)過程, 如何引起的細(xì)胞死亡值得思考, 這種死亡信號(hào)分子無疑為解決淡水和海洋藻類環(huán)境污染提供新的理論和技術(shù)指導(dǎo)。

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PROGRESS OF PHYSIOLOGICAL EFFECT OF NITRIC OXIDE ON PHYTOPLANKTON

CHENGLong1,2,ZHANGYong-Yuan1,HEYan1,2,LIUBi-Yun1,TIANYun1,2andWUZhen-Bin1

(1.State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology,Institute of Hydrobiology,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430072,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)

Nitricoxide(NO)isfreeradicalgaswithbiologicalactivityinsignaltransmission.NOmediatedvariousresponsestobioticorabioticstressandplayedanimportantroleinphytoplanktongrowthandstress-resistance,whichare similartohigheranimalsandplants.Additionally,NOandreactiveoxygenspecies(ROS)functionasasignaltoinitiateprogrammedcelldeath(PCD)inphytoplankton.ThereviewsummarizedtheNOpathway,themethodsmeasuring NOanditsapplication,theadvantagesanddisadvantagesofdifferentmeasurements,thephysiologicalfunctionofNO, therelationshipbetweenNOandPCD,andthefunctionofNOasasignalmoleculeinphytoplankton.Finally,some ideasconcerningnitricoxideresearchinorganismswereputforward.

Nitricoxide;Phytoplankton;Programmedcelldeath;Signalmolecule

Q178.1

A

1000-3207(2017)01-0257-08

10.7541/2017.32

2016-01-12;

2016-05-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(51178452); 國(guó)家“十二五”水專項(xiàng)(2012ZX07101007-005); 國(guó)家“十二五”科技支撐項(xiàng)目(2012BAJ21B03-04);湖北省環(huán)保廳科研項(xiàng)目(2015HB08)資助 [Supported by the National Natural Science Foundation of China (51178452); the Major

Science and Technology Program for Water Pollution Control and Treatment of China 12th Five-Year Plan (2012ZX07101007-005); National Key Technology R&D Program of China 12th Five-Year Plan (2012BAJ21B03-04); Environmental Science Research Project of Hubei Province (2015HB08)]

程龍(1992—), 男, 湖北孝感人; 碩士研究生; 主要從事藻類生理生態(tài)研究。E-mail: edgarmail@qq.com

劉碧云, 副研究員; 主要從事植物化感及水生態(tài)修復(fù)研究。E-mail: liuby@ihb.ac.cn