综述了NO分子在植物中的生物合成、主要生理功能以及在耐受生物胁迫和非生物胁迫响应中的作用,以及植物对NO信号转导过程中cGMP途径和其他途径的关系。国家自然科学基金(30271065,39970438,39870630);; 福建省自然科学基金(D0210001

肖强

郑海雷

Xiamen University Institutional Repository

2005年 第 40 卷 第 11 期 生 物 学 通 报 17一氧化氮 ( NO) 是大气污染中的一种重要成份 , 如汽车尾气、化工生产排出的废气等等。 近 年 来 , NO 作为信号分子的研究备受关注。现简要介绍 NO 在植物中的生物合成、主要生 理 功 能 以 及 信 号 转 导 的 作 用 机制。1 NO 的生物合成在植物中,NO 的产生主要有 3 种途径。一是通过类 动 物 NOS 蛋 白 催 化 ; 二 是 由 亚 硝 酸 盐 通 过 NADPH硝酸还原酶 ( NR) 酶促反应合成;三是通过非 酶 促 反 应生成, 包括以抗坏血酸作为还原剂与亚硝酸反应放出NO 以及由类胡萝卜素通过光 介 导 的 亚 硝 酸 盐 的 转 化非酶促反应产生 NO。在植物中合成的 NO 以气态方式通过植物器官的转运是很有限的, 其他溶解转运形式如 GSNO 可 以 代 替 气 态 方 式 , 作 为 NO 的 来 源 ; 参 与GSNO 分解代谢的酶,谷胱甘肽依赖的甲醛脱氢酶(GS-FDH) 及其编码基因最近已经从豌豆中克隆出来。2 NO 的生理功能NO 已证明在植物生长、发育 、衰 老 、乙 烯 释 放 、抗病 和 对 环 境 胁 迫 等 各 种 不 同 形 式 的 响 应 中 发 挥 重 要作用。低浓度 NO 可以诱导叶片伸长 , 刺激根的生长 ,高浓度下则起抑制作用。NO 刺激种子萌发 ; 刺激去白化;抑制胚轴延长。实验表 明 , 低 浓 度 的 NO( 100 nM~1 !M) 可 以 减 少 由 于 除 草 剂 导 致 的 叶 绿 素 丧 失 的 程度 、离 子 渗 漏 、坏 疽 和 落 叶 、脂 质 过 氧 化 、Rubisco 以 及D1 蛋白的损失、mRNA 的破坏。Laxalt 等 [2]认为 NO 介导 的 叶 绿 素 保 护 来 源 于 对 抗 活 性 氧 ( ROS) 毒 性 , 保 护膜的完整性。NO 调节叶绿体的光合磷酸化 , 抑制 PS2电 子 传 递 活 性 , NO 也 抑 制 穿 过 类 囊 体 膜 的 由 光 诱 导的 pH 梯度形成 ; 研究表明 NO 还是光合 ATP 合成的可逆抑制剂。NO和 豆 血 红 蛋 白 ( Lb) 紧 密 联 结 , 形 成 NO- Lb 复合物。NO 与 Lb 的结合 , 抑制了后者的携氧能力 , 因为NO- Lb 是很稳定的复合物。NO- Lb 复合物可以和 O2.-和 ( 或 ) H2O2 反 应 , 从 而 可 能 避 免 ROS 对 根 瘤 的 损 害 。与 此 相 反 , NO 似 乎 对 固 氮 有 毒 害 效 应 ; NO 和 NO- Lb通过与 Fe- S 簇的反应抑制固氮酶的活性。在衰老的豌豆叶片中 , NO 与乙烯同时释放 , 在成熟果实中 NO 浓度要低于在未成熟果实中浓度 , 而且NO浓度在衰老的花中要低于新鲜的花朵。研究表明在许多植物中 NO 和乙烯含量 呈 负 相 关 , 在 植 物 开 花 和衰老期间的器官发育过程中,NO 的产生率要远高于乙烯,因此可以认为,NO 是植物的衰老延迟因子。研究证实 : 在大麦糊粉层细胞 , 过氧化氢酶 ( CAT)和 超 氧 化 物 歧 化 酶 ( SOD) 含 量 在 用 赤 霉 素 ( GA) 处 理的糊粉层细胞是显著减少的。在 NO 供体存在情况下细胞程序性死亡 ( PCD) 得到延缓 , 与此同时 , 用 GA 处理 糊 粉 层 细 胞 可 以 延 缓 CAT 和 SOD 的 活 性 下 降 , 推测 NO 是大麦糊粉层细胞内源性 PCD 调节因子。还 有 研 究 表 明 , NO 可 直 接 结 合 于 铁 调 节 蛋 白( IRP) 的铁硫中心 , 使之解聚 ; 也可螯合铁 使 细 胞 内 铁降低而间接发挥作用。NO 现 已 证 明 可 以 抑 制 番 茄 的顺 乌 头 酸 酶 , NO 供 体 可 以 诱 导 铁 蛋 白 在 mRNA 和 蛋白质水平上积累。在这一由 NO 介导的铁蛋白转录积累过程中 , 铁不是必需的 , 而 NO 对于铁诱导的铁蛋白的积累则是必需的。3 NO 对生物和非生物胁迫响应在 植 物 与 病 原 相 互 作 用 中 , NO 可 以 缓 解 一 些 发生在马铃薯中由 ROS 引起的诸如 DNA 断裂、离子渗漏和细胞死亡等损伤。NO 可 以 刺 激 感 染 组 织 细 胞 壁的木质化。NO 和过氧化氢 相 互 作 用 诱 导 植 物 细 胞 死亡 , 二 者 的 比 例 非 常 重 要 , 比 例 相 等 时 , 导 致 细 胞 死亡 , 任 何 一 种 过 量 都 可 以 清 除 另 一 种 , 并 使 细 胞 免 于死亡。正常生理情况下 , 细胞质、线粒体和细胞外 SOD的 催 化 活 性 可 以 快 速 歧 化 超 氧 阴 离 子 O2. - 为 H2O2 和分子氧。而高浓度的 NO 可以和这种歧化反应竞争 , 导致 ONOO- 的形成 , 从而损伤 蛋 白 质 、脂 、RNA 和 DNA。NO 在生物胁迫下的互相矛 盾 的 效 应 依 赖 于 其 浓 度 的不同 , 在低浓度下 NO 可以终止自由基介导的脂质氧化 从 而 扮 演 保 护 角 色 ; 在 高 浓 度 下 , 它 与 产 生 有 毒 产物的活性氧有协同效应。在水分和短时热胁迫情况下都可以检测到 NO 产生的增加 , 用高浓度 NO 处理豌豆叶片可以诱发胁迫症 状 ; NO 供 体 SNAP 可 以 增 加 叶 绿 素 荧 光 , 用 浓 度 相当 于 1mM NO 的 SNAP 处 理 豌 豆 叶 片 可 以 看 到 脂 质植物中的一氧化氮信号分子!肖 强 郑海雷!! ( 厦 门 大 学 生 命 科 学 学 院 福 建 厦 门 361005)摘要 综述了 NO 分子在植物中的生物合成、主要生理功能以及在耐受生物胁迫和非生物胁迫响应中的作用 , 以及植物对 NO 信号转导过程中 cGMP 途径和其他途径的关系。关键词 NO 信号转导 NOS 胁迫* 国 家 自 然 科 学 基 金 ( 30271065, 39970438, 39870630) 和 福 建 省 自 然 科 学 基 金 ( D0210001)** 通 讯 作 者18 生 物 学 通 报 2005 年 第 40 卷 第 11 期氧 化 酶 ( LOX) 活 性 显 著 降 低 ; 这 些 结 果 表 明 , 高 浓 度的 NO 也可以是植物的胁迫诱导因子。在 缺 水 胁 迫 下 , 植 物 激 素 脱 落 酸 ( ABA) 被 诱 导 合成 , 通过一系列复杂的 信 号 级 联 机 制 诱 导 气 孔 关 闭 。NO 是 一 个 介 导 ABA 诱 导 的 气 孔 关 闭 的 关 键 性 信 号分子 , 外源性和内源性 NO 有助于 ABA 依赖的气孔关闭。NR 介导的 NO 的合成对于 ABA 诱导的气孔关闭是必须的。通过对 ABA 不敏感株 abi1- 1 和 abi2- 1 的研究表明:在 ABA 信 号 转 导 级 联 反 应 中 ,ABI1 和 ABI2的蛋白磷酸酶是 NO 的下游事件。此外 , Helena 等报道 , 机械胁迫增强类 NOS 活性在拟南芥中的表达。用臭氧处理拟南芥可以诱导 NOS活性 , 并引起水杨酸 ( SA) 的积累和细胞死亡 ; NO 处理也 可 以 增 加 臭 氧 诱 导 的 乙 烯 生 成 量 并 加 重 对 叶 片 的损伤 , 这些都表明 , NO 广泛参与了植物对 非 生 物 胁 迫的应答过程。4 NO 介导的信号转导研究证实 , 气孔对 NO 的某些应答反应可能通过cGMP 介导的环核苷酸门控离子通道( cyclic nucleotide-gated ion channels, CNGCs) 的激活来发挥作用。同时, 针对哺乳动物可溶性 GCα1 亚单位的抗体也在云杉中检出, 都提示 NO/cGMP 依赖信号途径同样可能存在于植物中。NO 介导的在番茄中针对番茄花叶病毒 ( tobaccomasaic virus, TMV) 的 PAL 表达的激发可以为 GC 抑制剂部分阻断, 这也提示存在 cGMP 依赖和非依赖途径。在 NO 诱导的拟南芥 PCD 中 , 也需要 cGMP 的合成 , GC 抑 制 剂 可 以 阻 止 NO 介 导 的 PCD, 这 种 抑 制 可以 通 过 外 加 具 有 细 胞 通 透 性 的 cGMP 类 似 物 8- 溴 -cGMP 解除。然而 8- 溴- cGMP 单独并不诱导 PCD, 提示 cGMP 的合成对 NO 应答是必要条件 , 但不是 充 分条件。在 通 常 情 况 下 , ROS 被 认 为 是 涉 及 到 植 物 信 号 网络交叉耐受的最可能的介导因子 , 但 NO 的特殊性质( 自由基、小分子、非极性、短效、对生物膜的高度 透 过性 ) 使得它在同时触发 不 同 信 号 的 过 程 中 成 为 一 个 很好的信号因子。除了上述 cGMP 途径 , NO 也可以不通过 cGMP 发挥 作 用 , 如 通 过 关 键 转 录 因 子 S- 亚 硝 基 化 作 用 或 者是直接调控离子通道。线粒体和细胞质的顺乌头酸酶是 NO 毒性的主要靶分子 , 其抑制作用是 NO 与 O2.- 反应形成的 ONOO- 引起 , 而不是由 NO 直接引起。NO 把胞 质 顺 乌 头 酸 酶 转 化 为 一 种 mRNA 结 合 蛋 白 ,从 而 抑制 了 铁 蛋 白 的 积 累 , 并 引 起 自 由 铁 的 积 累 , 然 后 通 过Fenton 反应催化 ROS 形成。NO 通 过 扩 散 作 用 进 入 细 胞 核 激 活 或 者 抑 制 转 录因子 , 从而调控基因表达 ; 另一方面 , 也 可 能 通 过 信 号级联反应调控转录因子活性。一个 NO 的潜在靶分子是病原诱导的加氧酶 ( PIOX) , 这是一种涉及到植物防卫应答的酶 ; 最近也有研究表明 NO 参与介导拟南芥由 UV- B 诱 导 的 CHS( chalcone synthase) 基 因 的 表 达 。与此同时 , 用 NO 处理拟南芥培养细胞可以强烈诱导AOX1a 的转录 , 并可观察到细胞通过交替 途 径 显 著 增强 了 呼 吸 作 用 , 这 一 结 果 表 明 : NO 诱 导 AOX1a 基 因 ,通过提高 AOX 活性拮抗 NO 的毒性。5 问题及展望最近几年对 NO 在植物中生物效应和信号转导机制的研究大大增加了 , 然 而 对 于 它 的 生 物 合 成 途 径 的起源仍然不是很清楚。因此 , 对 NOS 的鉴定和相关生化性质的研究 , 以及 对 其 编 码 基 因 的 进 一 步 确 认 仍 是当前需首要解决的问题。由于 NO 内源合成途径的多样性 , 对 NO 生物合成来源的分类鉴定也很有必要。现在 已 知 胞 内 涉 及 NO 应 答 包 括 cGMP 的 产 生 、cADPR以及胞质钙的上升 , 但 对 这 些 过 程 的 精 确 生 化 和 细 胞性质的细节尚不清楚 , 同时 NO 应答细胞下游信号分子的定量分析 , 负责 这 些 信 号 分 子 合 成 和 降 解 的 酶 的鉴定和编码基因的克隆也是亟待解决的问题。对于这些问题可以应用分子 生 物 学 手 段 进 行 研 究 , 此 外 模 式植 物 拟 南 芥 突 变 株 的 筛 选 应 用 也 为 这 些 效 应 的 研 究提供了很好的工具。 相 信 随 着 研 究 手 段 的 不 断 创 新 ,一定会极大丰富对植物中 NO 信号分子的认识。参考文献1 Beligni M. V., Lamattina L..Nitric oxide induces seed germinationand de- etiolation , and inhibits hypocotyls elongation , three light- in-ducible reponses in plan.Planta , 2000, 210: 215—221.2 Laxalt A. , Beligini M.V., Lamattina L.. Nitric oxide preserves thelevel of chlorophyll in potato leaves infected by Phytophthora infes-tans.European Journal of plant pathology, 1997, 73: 643—651.3 Nathan C.. Nitric oxide as secretory product of mammalian cells.FASEB Journal , 1992, 6: 3051—3064.4 Chandra S., Martin G. B. , Low P.S..The Pto kinase mediates a sig-nal pathway leading to the oxidative burst in tomato.Procedings ofthe National Academy of Science USA, 1996, 93: 13393—13397.5 Beligni M.V., Fath A., Bethke P.C.et al.Nitric oxide acts as an an-tioxidant and delays programmed cell death in barley aleurone lay-ers.Plant Physiology, 2002, 129 (4): 1642—1650.6 Rao M.V., Davis K.R..The physiology of ozone induced cell death.Planta , 2001, 213: 682—690.7 Levine A., Tenhaken R., Dixon R. et al. H2O2 from the oxidativeburst orchestrates the plant hypersentive disease resistance response.Cell and Developmental Biology, 1994, 79: 583—593.( BF)更 正我 刊 2005 年 从 第 2 期 至 第 10 期 连 载 的“2004 年第 15 届 国 际 生 物 学 奥 林 匹 克 竞 赛 试 题 ” 的 作 者 之 一赵晋东应为赵进东 , 特此更正。!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

植物中的一氧化氮信号分子

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/6039/%e6%a4%8d%e7%89%a9%e4%b8%ad%e7%9a%84%e4%b8%80%e6%b0%a7%e5%8c%96%e6%b0%ae%e4%bf%a1%e5%8f%b7%e5%88%86%e5%ad%90.pdf?sequence=1&isAllowed=y

植物中的一氧化氮信号分子

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Xiamen University Institutional Repository