植物一氧化氮響應(yīng)鎘脅迫作用機(jī)制的研究進(jìn)展

李 娜 曾鍵堯 王婭婭 楊 琳

（天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院天津市動植物抗性重點實驗室 天津 300387）

引言

目前，很多重金屬元素隨著工業(yè)廢棄物排放、污水灌溉、長期施用化肥及農(nóng)藥等人類活動進(jìn)入環(huán)境，對生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重破壞。重金屬一旦進(jìn)入水和土壤，就很難去除，將導(dǎo)致疾病爆發(fā)，并給人們生活帶來極大的危害。由鎘污染導(dǎo)致的“鎘米”事件給人類健康造成巨大危害，鎘會積存于腎臟上，還可導(dǎo)致骨質(zhì)疏松和軟化。鎘是一種毒性很強(qiáng)的重金屬元素，難以降解。當(dāng)植物受到鎘脅迫時，其形態(tài)表現(xiàn)為生長遲緩、葉片發(fā)黃和卷曲[1]；生理上表現(xiàn)為酶失活、自由基和其他氧化劑等大量積累。同時植物也會產(chǎn)生相應(yīng)的防御機(jī)制來響應(yīng)鎘脅迫，一方面絡(luò)合鎘離子，另一方面區(qū)隔化入液泡。已有研究表明植物體內(nèi)信號分子會參與到鎘脅迫響應(yīng)中。一氧化氮是一種結(jié)構(gòu)簡單的氣體信號分子，通過酶促和非酶促途徑合成，廣泛分布于動物、植物和微生物細(xì)胞中，在植物生長發(fā)育、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和對生物和非生物脅迫的響應(yīng)中起著重要作用。因此，研究植物中一氧化氮的合成機(jī)理及其對鎘脅迫的響應(yīng)具有重要的理論意義。

1 植物信號分子一氧化氮的生成

植物中一氧化氮生成機(jī)制至今仍然沒有被徹底闡述清楚，目前普遍接受植物通過兩種酶促反應(yīng)途徑和非酶促途徑合成信號分子一氧化氮。

1.1 酶促反應(yīng)途徑

（1）一氧化氮合酶

動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 作為電子供體和O2的參與下，L-精氨酸被氧化成N-羥基精氨酸，然后被氧化成一氧化氮和瓜氨酸[2]。

動物體內(nèi)有三種類型的一氧化氮合酶(NOS)，神經(jīng)元型一氧化氮合酶(nNOS)、內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮合酶(eNOS)和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)。這三種酶具有不同的分子量、相似的結(jié)構(gòu)和相同的催化過程。

在高等植物中一氧化氮合酶基因尚未被發(fā)現(xiàn)，但類似的一氧化氮合成酶也存在于植物中。美國Crowford 實驗室發(fā)現(xiàn)一個可能的擬南芥NOS 基因AtNOS1，AtNOS1 缺失突變體中一氧化氮合成受到影響[3]。并且動物NOS 抑制劑L-硝基精氨酸甲酯(LNAME)能夠抑制擬南芥NOS 活性并減少一氧化氮的產(chǎn)生，在豆科植物中也發(fā)現(xiàn)了類似NOS 的活性存在[4]。

（2）硝酸還原酶

硝酸還原酶是催化一氧化氮合成的主要酶，NADPH/NADH作為電子供體催化硝酸鹽和亞硝酸鹽的單電子還原反應(yīng)生成一氧化氮。

1.2 非酶促合成途徑

植物中的一氧化氮也可以通過非酶促反應(yīng)合成。當(dāng)類胡蘿卜素和光參與時，可由NO2-合成一氧化氮[5]。Bethke 等[6]研究表明，在添加亞硝酸鹽后，大麥糊粉細(xì)胞的外胚層會發(fā)生非酶促反應(yīng)，由亞硝酸鹽還原為一氧化氮。

2 鎘脅迫對植物的毒害作用與植物耐受鎘脅迫的機(jī)理

2.1 鎘脅迫對植物的毒害作用

鎘是一種毒性高的重金屬元素，在較低濃度狀態(tài)下也會對動植物細(xì)胞造成危害。植物受到鎘脅迫后，會引發(fā)一系列的毒害效應(yīng)：抑制植物生長，葉片變黃；抑制水分吸收和呼吸作用；抑制抗氧化酶活性；誘導(dǎo)植物細(xì)胞程序性死亡。

2.2 植物耐受鎘脅迫的機(jī)理

為了盡量減少鎘毒害的影響，植物已經(jīng)進(jìn)化出一系列的解毒機(jī)制。一方面，鎘脅迫誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)中產(chǎn)生谷胱甘肽、植物螯合肽(PCs)和金屬硫蛋白(MTs)，絡(luò)合過多的Cd 離子，降低其生物毒性；另一方面，過多的Cd 離子或螯合物被轉(zhuǎn)運至液泡區(qū)隔化。

谷胱甘肽包括還原型(GSH)和氧化型(GSSG)兩種形式，其中GSH 能清除H2O2，是一種重要的抗氧化劑，也是PCs 合成的直接前體，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，廣泛存在于植物體中,可以與重金屬離子結(jié)合從而達(dá)到緩解重金屬對植物的危害作用[8]。MTs 最早是在動物中發(fā)現(xiàn)的，它是一種富含半胱氨酸殘基的低分子量金屬結(jié)合蛋白，巰基含量高，因此對重金屬有很高的親和力[9]。

過多的Cd 離子或螯合物被轉(zhuǎn)運至液泡區(qū)隔化，降低了Cd離子在細(xì)胞中的濃度，提高了植物對鎘的耐受性。研究表明液泡是包括鋅和鎘在內(nèi)的許多重金屬的聚集場所[10]。

3 一氧化氮參與植物對鎘脅迫的響應(yīng)

一氧化氮作為一種氣體信號分子，在植物中參與細(xì)胞增殖、生長發(fā)育、成熟衰老、細(xì)胞程序性凋亡、乙烯排放、對生物和非生物脅迫的響應(yīng)。在應(yīng)對重金屬脅迫的響應(yīng)中，NO 的功能是復(fù)雜的。

3.1 鎘脅迫下植物體內(nèi)源一氧化氮含量的變化

重金屬脅迫下，植物內(nèi)源一氧化氮含量會發(fā)生明顯變化。在重金屬污染的環(huán)境中，植物根系是與重金屬離子直接接觸的部位，因此經(jīng)常研究鎘脅迫下植物根系內(nèi)源一氧化氮含量的變化。但內(nèi)源一氧化氮含量的變化與植物種類、處理條件等多種因素有關(guān)，其在植物響應(yīng)鎘脅迫過程中發(fā)揮的功能尚不清楚。

一些研究表明，鎘脅迫促進(jìn)根系內(nèi)源一氧化氮的產(chǎn)生。用100μmol/L 鎘短時間處理24 小時后，豌豆根系內(nèi)源一氧化氮含量增加[3]，1μmol/L 鎘長期處理4 周，小麥根系中一氧化氮含量顯著增加[11]。

與以上研究結(jié)果相反，也有一些研究表明鎘脅迫抑制根系內(nèi)源一氧化氮的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)100 μmol/L 鎘處理24 小時可顯著降低7 天大小水稻幼苗冠根中一氧化氮含量[12]。有研究認(rèn)為，鎘脅迫引起一氧化氮減少可能是由于鎘脅迫誘導(dǎo)葉片缺鈣，從而導(dǎo)致NOS 活性喪失[13]。

內(nèi)源一氧化氮具有雙重性，一方面內(nèi)源一氧化氮是有益的，增加了植物的鎘脅迫抗性。微波預(yù)處理可以通過增加內(nèi)源一氧化氮濃度來提高小麥幼苗對鎘的耐受性[14]。另一方面，也有實驗證明內(nèi)源一氧化氮是有害的。在擬南芥中，一氧化氮通過促進(jìn)鎘在根中的積累和上調(diào)與鐵吸收有關(guān)的基因來促進(jìn)對鎘的毒性[15]。

3.2 外源一氧化氮增強(qiáng)植物鎘脅迫抗性

研究表明外源一氧化氮能在一定程度上減輕鎘脅迫對植物的毒性效應(yīng)。用一氧化氮供體硝普鈉提供外源一氧化氮能降低鎘脅迫對黃體根的的負(fù)面影響[13]，緩解鎘脅迫對番茄生物量[7]的抑制作用。

一氧化氮能夠增強(qiáng)植物鎘脅迫抗性，主要有以下幾個方面的原因。一方面，包括鎘脅迫在內(nèi)的大多非生物脅迫都會產(chǎn)生自由基和其他氧化劑，造成氧化損傷。因此，植物調(diào)控超氧陰離子O2-等氧化劑濃度是一種生存反應(yīng)[16]。一氧化氮可以與O2-反應(yīng)，從而緩解由鎘脅迫造成的氧化損傷。另一方面，一氧化氮通過影響植物對鎘的吸收以及鎘在植物細(xì)胞內(nèi)的分布來對鎘脅迫起保護(hù)作用。一氧化氮促使植株產(chǎn)生更多的MTs、GSH 和PCs 來絡(luò)合過多的鎘離子；促進(jìn)鎘離子轉(zhuǎn)運至液泡區(qū)隔化來緩解脅迫抑制[7]。此外，一氧化氮作為一種氣體信號分子，在植物體的信號級聯(lián)放大過程中發(fā)揮著重要作用，參與茉莉酸和H2O2合成[17]，調(diào)控耐受基因的表達(dá)，從而增強(qiáng)鎘脅迫抗性。

結(jié)語

（1）加強(qiáng)對植物體內(nèi)一氧化氮合成途徑的研究。雖然植物體內(nèi)一氧化氮合成途徑已被提出，但每種途徑的具體生化和分子細(xì)節(jié)尚不清楚，各種途徑之間的聯(lián)系機(jī)制也有待探索。

（2）加強(qiáng)一氧化氮與其他信號分子相互作用的研究。Ca2+、乙烯和激素等也被報道參與植物對鎘脅迫的響應(yīng)，一氧化氮與其他信號分子的相互作用機(jī)制仍有待研究。

（3）加強(qiáng)對植物內(nèi)源一氧化氮的研究。內(nèi)源一氧化氮的功能是復(fù)雜的，鎘脅迫下內(nèi)源一氧化氮的含量的變化趨勢不一，在植物響應(yīng)鎘脅迫的功能機(jī)制有待研究。