NO调节植物低温胁迫抗性的机制与展望,植物学论文

NO调节植物低温胁迫抗性的机制与展望,植物学论文一氧化氮〔nitricoxide,NO〕是生物体内广泛存在的一种气体小分子信号物质，介入包括种子萌发、叶片和根尖生长发育、果实成熟和衰老，以及植物的光合作用、呼吸作用、气孔运动等很多重要的生理生化经过[1~3].NO还能够介入调节植物对生物和非生物胁迫的抗性[4],在生物胁迫抗性方面，NO能通过增加水杨酸〔SA〕和35-环-磷酸鸟苷〔cGMP〕的水平来提高植物的抗病性[5];在非生物胁迫抗性方面，NO能够加强植物抗旱性、抗涝性、耐盐性、抗极端温度、抗紫外线辐射及抗重金属胁迫等[6~8].近年来，NO在缓解植物低温胁迫中的作用越来越遭到人们的重视。已有大量文献表示清楚，NO能够调节植物对低温胁迫的抗性，但对NO提高植物低温胁迫抗性方面的作用机理进行系统总结和概括的报道鲜见。笔者结合当前国内外的最新研究进展，综述了植物体NO的来源与合成途径、低温胁迫对植物的伤害及NO调节植物低温胁迫抗性的相关机制，以期为研究植物低温胁迫抗性机制提供参考。1植物体NO的来源1.1外源供体提供外源供体提供是当前实验室内获得NO的主要途径。在对小麦、玉米、番茄等植物研究中最常采用的外源供体是硝普钠〔Sodiumnitroprusside,SNP〕[9],在对动物和人体医学方面的研究中常用的外源供体是S-亚硝基-N-乙酰清霉胺〔S-nitroso-N-acetyl-1,1-penicil-lamine,SNAP〕[10].NO可以在溶液中通过各种化学反响产生，如亚硝酸和抗坏血酸〔ASA〕在酸性条件下反响可生成NO;KNO2、KI和H2SO4等试剂发生化学反响可以制备NO[11].1.2植物体内合成当前的研究以为NO在植物体内的合成途径主要有3个：①一氧化氮合成酶〔NOS〕催化NO产生[6].很多植物中已证实有NOS存在，并且用NOS抑制剂能够有效抑制植物细胞质中NO的构成，但至今尚未在高等植物体内发现类似动物的NOS基因或蛋白。②硝酸复原酶〔NR〕[12]和亚硝酸复原酶〔Ni-NOR〕合成途径[13].NR和Ni-NOR能够以NAD〔P〕H作为电子供体进行氧化复原反响，将亚硝酸盐复原生成NO.③其他酶促途径。植物体内也有其他的酶介入NO的产生，如黄嘌呤氧化酶〔XOR〕、黄嘌呤脱氢酶〔XDH〕[14]、辣根过氧化物酶[15]和细胞色素P450[16]等。植物多途径构成NO的事实表示清楚，植物体中产生NO的调控机制非常复杂，总的来讲，依靠NR的途径是植物在有氧条件下产生NO的主要方式[17].2低温胁迫对植物的伤害2.1低温抑制植株生长发育低温胁迫是自然界中最常见的非生物胁迫之一，植物遭受低温胁迫包括冷害和冻害，且二者都会使植物的各项生理活动减缓或停止[18].低温对植物体的伤害程度取决于低温和低温维持的时间长短。植物遭受低温胁迫后，其组织细胞被毁坏，出芽和分枝受阻，生长延迟缓慢。如受害时间过长，则停止生长、局部出现死亡，甚至整株死亡[19].刘兴隆[20]研究表示清楚低温会减慢番茄株高、叶长和叶宽的生长速度，推延开花期，降低坐果率。和红云[21]研究表示清楚低温会减慢甜瓜幼苗株高和株叶面积的生长速度，抑制甜瓜幼苗的生长和干物质积累。2.2低温造成植物氧化伤害低温对植物的伤害不仅仅表如今形态上。植物遭受低温胁迫后，细胞的正常功能和构造被毁坏，细胞质膜和细胞器膜系遭到毁坏后，细胞的正常活动受限，导致代谢紊乱，使得体内抗氧化系统去除活性氧〔ROS〕能力下降。ROS主要包括超氧阴离子〔O-2〕、羟基自由基〔OH〕、过氧化氢〔H2O2〕、甲基自由基〔CH3〕、脂质过氧化自由基〔LOO、ROO〕等。植物体内这些活性氧积累太多，会导致膜脂过氧化，产生较多的膜脂过氧化产物，进而对细胞造成伤害[22].近年来，人们对于植物在低温环境下ROS的氧化伤害做了大量的研究，获得了一些研究成果。郁万文等[23]对银杏和刘玉凤等[24]对番茄的研究结果均表示清楚，植物在低温胁迫下，体内H2O2的含量和O-2的产生速率显着上升，ROS的代谢严重失衡，致使机体遭到伤害；胡豪杰等[25]对菜用大豆的低温胁迫研究表示清楚，低温胁迫使菜用大豆的O-2生成速率、H2O2和丙二醛〔MDA〕含量均显着升高，组织遭受氧化损伤，生长明显遭到抑制。2.3低温影响植物的光合作用光合作用是植物利用光能、同化水和二氧化碳制造有机物质并释放氧气的经过，它是植物体内最重要的生命活动之一。植物光合作用的所有主要环节包括气孔导度、类囊体膜上的光合电子传递以及碳同化经过都会遭到低温条件的影响，最终导致植物光合作用下降。吴雪霞等[26]研究结果表示清楚，茄子在15℃、10℃处理10d后的净光合速率较对照组分别降低了18.56%和52.97%;Matsuba等[27]对低温胁迫下结缕草的光合作用研究结果表示清楚，在10℃/7℃〔昼/夜〕处理17d后，其光合速率下降至原来的25%;杨猛等[28]对低温胁迫下玉米幼苗的研究和周建等[29]对广玉兰幼苗的研究结果也表示清楚，低温胁迫会使植物光合器官的构造毁坏，光合作用的气孔被抑制，叶片光合系统Ⅱ〔PSⅡ〕活性中心受损。3NO调节植物低温胁迫抗性的机制3.1作为响应低温的信号传导物质当植物遭受外界低温胁迫的时候，体内NO浓度会有所提高，且抗寒性更强的植物累积的NO高于一般耐寒性的植物[30,31].Klessig等[32]通过烟草试验，以为植物具有与动物高度类似的一套NO介导的信号防御机制，在植物细胞中NO能够作为一种重要的第二信使来调节植物响应环境变化经过，提高植物抗逆性。在植物的抗逆反响中，NO主要通过依靠于环磷酸鸟苷〔cGMP〕和不依靠于cGMP2条途径介导信号传导。①依靠于cGMP的信号途径：逆境〔如低温等〕激活NO合酶，提高植株体内的NO水平，NO与鸟苷酸环化酶结合激活依靠于cGMP的蛋白激酶，增加苯丙氨酸解氨酶和抗病毒蛋白-1〔PR-1〕等与抗逆相关基因的表示出。②不依靠cGMP的信号途径：NO通过抑制顺乌头酸酶来介入植物的抗逆反响。线粒体中顺乌头酸酶被NO氧化失活，降低线粒体电子传递链电子流，细胞内柠檬酸浓度升高，导致ROS生成减少，并诱导与抗逆有关的交替氧化酶〔AOX〕活性上升，而后者可以以减少ROS的产生[33].35第12卷第21期牟雪姣等：NO调节植物低温胁迫抗性机制研究进展3.2缓解低温胁迫对植株生长发育的抑制。近年来，外源NO缓解低温对植物生长发育伤害的研究日益遭到研究者的关注。于秀针等[34]研究表示清楚，0.05mmol/L的SNP处理能够显着缓解低温对番茄幼苗的株高、叶片数、鲜重、干重及根系活力等的抑制，促进低温胁迫下番茄幼苗的生长；陈银萍等[35]研究表示清楚，外源NO可缓解低温胁迫对玉米种子萌发及幼苗生长的抑制作用，以100mol/L的SNP对低温胁迫的缓解效果最佳；Lamattina等[36]研究表示清楚，施用NO能提高玉米、小麦、番茄植株和种子抵抗低温的能力，并能够使植株在低温环境下的存活率提高，低温伤害后植株的康复能力也提高；Li等[18]的研究表示清楚，外源NO处理能够显着缓解低温对小麦种子萌发和幼苗生长的抑制作用，且作用效果优于赤霉素。3.3介入低温胁迫下植物的浸透调节脯氨酸〔Pro〕是植物细胞中最重要的浸透调节物质。低温、高温、高盐、病害、干旱等几乎所有的逆境都会造成植物体内Pro的累积[37].脯氨酸是一种亲水性氨基酸，在逆境胁迫下，它作为浸透保卫剂能缓解逆境胁迫的伤害。除Pro外，可溶性糖和可溶性蛋白也是细胞内重要的浸透调节物质，植物在低温逆境下体内经常会积累大量的可溶性糖和可溶性蛋白以适应严寒，保卫植物体内组织免受损伤[38].莫亿伟等[39]在对柱花草抗寒性的研究中发现，采用40mol/L的SNP溶液喷施植株，随着低温胁迫时间的延长，叶片脯氨酸含量和可溶性总糖含量均比对照组提高，讲明NO能促进可溶性总糖的合成和脯氨酸含量的提高，加强低温胁迫下叶片的保水能力，进而提高植物对低温胁迫的抗性；杨美森等[40]在对棉花抗冷害能力的研究中发现，与单独低温胁迫处理组相比，100mol/L的SNP+低温胁迫处理组可显着提高低温胁迫下棉花叶片的Pro含量和可溶性蛋白含量，讲明NO能够介入细胞的浸透调解，维持细胞的正常代谢，缓解低温胁迫导致的伤害。3.4促进低温胁迫条件下植物的光合作用低温胁迫条件下，植物组织中叶绿素含量下降，PSⅡ转运能力降低，光合效率下降，植物光合作用遭到抑制[41].外源NO处理能够阻止低温胁迫条件下组织中叶绿素含量的下降，提高叶片的净光合速率，缓解低温胁迫对植物光合作用的抑制作用。樊怀福等[42]研究了外源NO对低温胁迫下黄瓜幼苗光合作用的影响，结果表示清楚，叶面喷施100mol/LNO供体SNP能够显着提高低温胁迫条件下黄瓜幼苗的叶绿素含量和光合速率；肖春燕等[43]研究表示清楚，外源NO处理能显着提高低温胁迫经过中黄瓜幼苗光能利用率，促进光合电子传递，进而提高光化学效率，缓解低温胁迫下光能分配不平衡；马向丽[44]在对黑麦草的研究中发现，外源NO处理能维持黑麦草叶片较高的叶绿素水平及净光合速率；Li等[45]在对生姜的研究中发现，外源NO处理能够阻止低温胁迫条件下生姜叶绿素水平的降低，并能够通过调整PSII减轻冷诱导的光抑制作用。上述研究表示清楚，NO介入了胁迫下植物光合作用的调节，抑制了光系统损伤，进而缓解了低温胁迫对植物光合作用的毁坏。3.5保卫细胞膜的完好性当前普遍以为低温可引起植物细胞膜透性发生变化，质膜透性的不断增大是细胞损坏的重要标志；MDA是植物膜脂过氧化产物，其含量的高低反映逆境下植物细胞膜受伤害的程度；两者可同时作为评价细胞膜透性和膜脂过氧化程度的重要指标。汤红玲等[46]研究了外源NO对香蕉幼苗抗冷性的影响，结果表示清楚，喷施15mol/L的SNP溶液处理组能够显着降低冷胁迫下香蕉幼苗叶片的质膜相对透性，抑制过氧化产物MDA的积累，进而缓解香蕉幼苗细胞膜所受的低温伤害；肖春燕等[43]研究了低温胁迫下NO对黄瓜抗寒性的影响，结果表示清楚，低温胁迫下SNP处理组电导率较对照降低了13.33%和15.54%,MDA含量下降为对照组的12.82%和16.69%;Wu等[47]在对外源NO影响香蕉耐寒性的研究中发现，60L/L的NO处理能够减轻香蕉的冷害异常感觉和状态，显着抑制电解质渗漏率和MDA含量的上升；Zhao等[48]研究了外源NO对番茄抗寒性的影响，结果表示清楚，与对照组相比，NO处理组的MDA含量和电解质渗漏率更低。上述研究表示清楚，NO能够抑制低温胁迫导致的细胞膜损伤，保卫细胞膜的完好性。3.6提高抗氧化酶活性，缓解低温胁迫对植物细胞造成的氧化损伤植物体通太多种途径产生ROS,它们具有很强的氧化能力，能够使植物体功能分子被毁坏，引起膜的过氧化。正常条件下，ROS的产生和去除维持平衡状态，植物遭受低温胁迫时，ROS的产生就会明显增加，而去除量下降，导致ROS大量积累，造成膜脂过氧化损伤[49].NO对低温胁迫下植物细胞氧化损伤的保卫作用建立在对ROS水平和毒性的调节上，这种保卫能够通过激活抗氧化保卫酶活性进而缓解低温引起的氧化胁迫。除此之外，NO本身也具有抗氧化的性质，其复杂的氧化复原性质也能够调节细胞氧化复原稳态，避免胁迫条件下过量ROS产生的氧化损伤[50].吴锦程等[51]研究了外源NO对低温胁迫下枇杷幼果抗氧化能力的影响，结果表示清楚，NO供体SNP处理使胁迫后枇杷幼果中H2O2的含量显着降低，CAT、POD、SOD和APX的活性均不同程度地有所提高。华而不实SNP浓度以0.5mmol/L的效果最为理想；蒙钟文等[52]研究了低温胁迫条件下外源NO对小麦的防护效应，结果表示清楚，与单独低温胁迫相比，预施NO处理显着降低了低温胁迫条件下小麦幼苗中H2O2和O-2的浓度，提高了SOD、CAT、POD和APX等抗氧化酶的活性，促进了小麦幼苗生长发育，提高了小麦对低温胁迫的抗性；Bai等[53]研究了外源NO对木奶果种子萌发阶段抗寒性的影响，结果表示清楚，外源NO处理能够激活萌发期种子的抗坏血酸〔ASA〕-谷胱甘肽〔GSH〕循环，提高与该循环相关的抗氧化酶的活性，减少H2O2的积累，提高木奶果种子的抗寒性；Yang等[54]在对黄瓜的研究中发现，外源NO处理能延缓O-2产生的速率和H2O2含量的上升，外源NO处理的黄瓜具有更高层次的SOD、CAT、APX、POD活性和更高层次的DPPH自由基去除活性。上述研究表示清楚，NO介入了低温胁迫下植物细胞氧化损伤的调节，能够激活抗氧化系统，进而提高植物的抗寒性。4瞻望当前，对于植物低温胁迫抗性的研究越来越遭到研究者的关注，NO介入植物对低温胁迫的应答反响已被大