王晨
摘要:NO是一種重要的信號(hào)分子,在植物抗病反應(yīng)中起重要作用,可提高抗氧化酶活性,激發(fā)苯丙烷代謝途徑,刺激植物過敏反應(yīng)的發(fā)生。植物體內(nèi)NO產(chǎn)生途徑有NOS產(chǎn)生途徑、NR途徑、非酶促途徑3種。本文進(jìn)行了綜述。
關(guān)鍵詞:No;抗病反應(yīng);抗氧化酶;苯丙烷代謝;過敏反應(yīng)
NO是一種不帶電荷的氣態(tài)自由基,具有親脂性,能通過生物膜快速擴(kuò)散,它是廣泛存在于生物體內(nèi)的一種氣體分子。近年來研究表明,NO在植物生理活動(dòng)中也起著關(guān)鍵樞紐作用,參與植物種子萌發(fā)、葉片生長(zhǎng)發(fā)育、氣孔運(yùn)動(dòng)、呼吸作用、光形態(tài)建成以及抗病防御反應(yīng)等多種生理過程的調(diào)節(jié)。然而,最引人注目的是NO在植物體的抗病防御反應(yīng)中的作用。
1NO在植物抗病反應(yīng)中的作用
自1998年Dumer等發(fā)現(xiàn)NO是植物的一種防御信號(hào)以來,目前已在多個(gè)植物——病原物互作體系中發(fā)現(xiàn)感病植物體內(nèi)NO含量大量進(jìn)發(fā)。Nakatsubo等和Foissner等利用NO特異性熒光探針技術(shù),發(fā)現(xiàn)疫霉(Phytophtora parasitica var.nicotianae Tucker)的真菌激發(fā)子處理煙草表皮細(xì)胞后,幾分鐘內(nèi)NO誘發(fā)的熒光在胞內(nèi)多個(gè)部位即可檢測(cè)到,而用NO的清除劑或一氧化氮合成酶(NOS)的抑制劑同時(shí)處理可以抑制熒光產(chǎn)生。
研究表明,植物體內(nèi)NO具有雙重的生理效應(yīng):當(dāng)胞內(nèi)NO濃度過高時(shí),NO作為一種自由基,可作用于細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子,導(dǎo)致膜脂過氧化反應(yīng),還可與O2-相互作用生成大量的ONOO-,后者質(zhì)子化再形成具有強(qiáng)氧化性的過氧亞硝酸(HOONO),破壞生物大分子結(jié)構(gòu)與功能;而適當(dāng)濃度的NO可作為信號(hào)分子通過激活植物抗性基因和防衛(wèi)基因的表達(dá)、誘導(dǎo)寄主過敏反應(yīng)等途徑參與調(diào)控寄主對(duì)病原物的應(yīng)答反應(yīng)。
1.1提高抗氧化酶活性
為有效防止自由基對(duì)植物細(xì)胞的氧化傷害,植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中形成了一套防御機(jī)制,以維持體內(nèi)的自由基處于一定的濃度范圍,該機(jī)制包括酶促和非酶促抗氧化系統(tǒng)。非酶促系統(tǒng)包括抗壞血酸(ascorbic acid,AsA)、胡蘿卜素、谷胱甘肽(glutathione,GSH)等;酶系統(tǒng)包括超氧化物歧化酶(superoxide dis-mutase,SOD)、過氧化氫酶(catalase,CAT)、過氧化物酶(peroxidase,POD)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbateperoxidase,APX),以及谷胱甘肽還原酶(glutathione re-ductase,GR)、單脫氫抗壞血酸還原酶(mono-dehy-droascorbate reduetase,MDHAR)、脫氫抗壞血酸還原酶(dehydroascorbate reduetase,DHAR)等。一般認(rèn)為,植物體內(nèi)抗氧化能力越高,抵抗環(huán)境脅迫的能力越強(qiáng)。研究表明,NO可以誘導(dǎo)植物體內(nèi)抗氧化酶活性大量升高,提高植物抗性。Sunita等研究發(fā)現(xiàn),NO可以提高鹽脅迫下鷹嘴豆體內(nèi)CAT和APX活性從而緩解植物鹽害效應(yīng)。Hu等發(fā)現(xiàn),NO可通過調(diào)節(jié)小麥體內(nèi)抗氧化酶、SOD、CAT活性提高重金屬銅脅迫下小麥種子萌發(fā)率。Urszula和Sylwia等研究發(fā)現(xiàn),番茄——灰霉菌(Botytis cinerea)互作中,外源NO對(duì)番茄體內(nèi)CAT和APX酶活性具有調(diào)節(jié)作用。研究表明,NO還能提高感病大豆、煙草體內(nèi)抗氧化酶GST基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。
1.2激發(fā)苯丙烷代謝途徑
苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia lyase,PAL)是一種重要的植物防御酶,是苯丙烷衍生物代謝途徑中的第一個(gè)關(guān)鍵限速酶㈣。查爾酮合酶(chalconesynthase,CHS),是類黃酮和異黃酮衍生物抗生素合成途徑的第一個(gè)酶,在植物抗病反應(yīng)中也起重要作用。病程相關(guān)蛋白(Pathogenetisis-Related Proteins,PR-蛋白),是植物受病原菌侵染后產(chǎn)生的一類誘導(dǎo)性蛋白質(zhì),具有抗蛋白水解酶、幾丁質(zhì)酶或β-1,3葡聚糖酶特性,可抑制病原菌對(duì)寄主細(xì)胞壁的降解作用而有效抵御侵染。擬南芥基因表達(dá)分析顯示,NO能誘導(dǎo)抗性基因pal、chs轉(zhuǎn)錄水平提高,而抑制NOS活性能顯著降低PAL和CHS的積累。向大豆懸浮細(xì)胞中添加L-NAA(NOS合成酶抑制劑)可明顯減弱由丁香假單胞菌(Pseudomonas syringae)誘導(dǎo)的pal基因的表達(dá);相反,SNP可誘導(dǎo)pal基因的轉(zhuǎn)錄,而且這種誘導(dǎo)作用可以被NO專一性的抑制劑cPTIO所抑制。水稻——稻瘟病互作的研究中表明,NO供體可以誘導(dǎo)水稻懸浮細(xì)胞抗性基因pal、prl的轉(zhuǎn)錄水平,并且這2個(gè)抗性基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)度隨著NO供體處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加;而使用NO清除劑都可以抑制這2個(gè)抗性基因的轉(zhuǎn)錄。在馬鈴薯一疫霉互作體系的研究中表明,NO供體還可誘導(dǎo)馬鈴薯植保素的積累,而NO清除劑PBITU幾乎可完全抑制植保素的產(chǎn)生。
1.3誘發(fā)植物過敏反應(yīng)
植物過敏反應(yīng)(hypersensitive response,HR)是植物和病原物不親和互作中最常見的類型,也是一種常見的植物抗病性反應(yīng)。它是指植物細(xì)胞受到病原物侵染后,侵染點(diǎn)周圍及鄰近組織細(xì)胞主動(dòng)快速死亡,導(dǎo)致病原菌營(yíng)養(yǎng)匱乏,從而限制病原物在寄主體內(nèi)繁殖和擴(kuò)展的一種防衛(wèi)反應(yīng)。Levin等發(fā)現(xiàn),白粉病菌(Blumeria graminis Lsp.hordei)可誘導(dǎo)大麥表皮細(xì)胞短暫的NO暴發(fā),且發(fā)生在HR反應(yīng)之前嘲。用無毒丁香假單胞菌侵染擬南芥,可誘導(dǎo)擬南芥HR反應(yīng),若同時(shí)用哺乳動(dòng)物NOS的抑制劑處理葉片,則可以阻斷這種過敏性反應(yīng)。
2植物中N3產(chǎn)生途徑
研究表明,植物中NO合成主要有3種途徑:NO合成酶(nitric oxide synthase,NOS)途徑,硝酸還原酶(nitrite reductase,NR)途徑,非酶促途徑。
2.1 NOS酶途徑
哺乳動(dòng)物中,NO大多來源于NOS途徑,是一類細(xì)胞色素P450相關(guān)的二聚體酶。研究表明,NOS能在黃素單核苷酸(navin mononucleotide,F(xiàn)MN)、黃素腺嘌呤二核苷酸(navin adenine dinucleotide,F(xiàn)AD)、四氫葉酸(BH4)、鈣調(diào)蛋白(CaM)催化下,以NADPH和O2為底物,轉(zhuǎn)化L-精氨酸生成L-瓜氨酸和NO。多個(gè)試驗(yàn)表明,采用哺乳動(dòng)物NOS抑制劑可抑制植物體內(nèi)NO含量。如細(xì)菌很快誘導(dǎo)大豆懸浮細(xì)胞中NO產(chǎn)生,且L-NNA(哺乳動(dòng)物NOS抑制劑)可有效抑制NO合成;Foiisner等用激光共聚焦顯微鏡技術(shù),來自疫酶(Phytophtora parasitica var.nicotianae Tucker)的激發(fā)子可誘導(dǎo)煙草中NO釋放,且煙草中的NOS活性可被L-NMMA(哺乳動(dòng)物NOS抑制劑)抑制。
2.2 NR途徑
研究表明,NR可催化2個(gè)電子從NADPH/NADH上轉(zhuǎn)移到硝酸鹽中,還原生成亞硝酸鹽,亞硝酸鹽可進(jìn)一步還原最終生成NO。Rockel等發(fā)現(xiàn),菠菜葉片中的NR,在離體和連體的條件下均有催化亞硝酸鹽單電子還原合成NO的活性。Yamamoto等還發(fā)現(xiàn),受真菌侵染后馬鈴薯塊莖上NR轉(zhuǎn)錄出現(xiàn)瞬時(shí)增加,這說明植物與病原物互作中NO的大量積累也可能來自NRm。
2.3非酶促途徑
非酶促反應(yīng)主要是指氮的氧化和植物代謝之間的化學(xué)反應(yīng)。研究表明,NOd在酸性和還原性條件下,可直接生成NO,而抗壞血酸鹽、L一半胱氨酸、NADPH和其他硫醇類物質(zhì)可促進(jìn)該反應(yīng)的發(fā)生。Bethke等采用NO熒光探針技術(shù)發(fā)現(xiàn),NO能在大麥糊粉層培養(yǎng)細(xì)胞中迅速合成,并且伴隨著培養(yǎng)基中亞硝酸鹽含量的減少而減少,而在培養(yǎng)基中加入還原劑(如ABA及一些酚類物質(zhì))則能加快NO產(chǎn)生。另外,植物自身也可通過硝化和反硝化、固氮或呼吸作用氧化N02產(chǎn)生NO,如燈心草、銀杏的葉片可吸收N02,然后以NO的形式釋放出來。