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(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)進(jìn)入環(huán)境，對(duì)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(huì)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(shí)，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(shí)植物也會(huì)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(hào)分子會(huì)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(hào)分子，通過酶促和非酶促途徑合成，廣泛分布于動(dòng)物、植物和微生物細(xì)胞中，在植物生長發(fā)育、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和對(duì)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(duì)鎘脅迫的響應(yīng)具有重要的理論意義。

1 植物信號(hào)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(hào)分子一氧化氮。

1.1 酶促反應(yīng)途徑

（1）一氧化氮合酶

動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(dòng)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(shí)，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(huì)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(duì)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(duì)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(huì)對(duì)動(dòng)植物細(xì)胞造成危害。植物受到鎘脅迫后，會(huì)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(yùn)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(duì)植物的危害作用[8]。MTs 最早是在動(dòng)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(duì)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(yùn)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(duì)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(duì)鎘脅迫的響應(yīng)

一氧化氮作為一種氣體信號(hào)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(duì)生物和非生物脅迫的響應(yīng)。在應(yīng)對(duì)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(huì)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?xiàng)l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(shí)間處理24 小時(shí)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(shí)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(duì)鎘的耐受性[14]。另一方面，也有實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(duì)黃體根的的負(fù)面影響[13]，緩解鎘脅迫對(duì)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(gè)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(huì)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(duì)鎘的吸收以及鎘在植物細(xì)胞內(nèi)的分布來對(duì)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(yùn)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(hào)分子，在植物體的信號(hào)級(jí)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(duì)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(hào)分子相互作用的研究。Ca2+、乙烯和激素等也被報(bào)道參與植物對(duì)鎘脅迫的響應(yīng)，一氧化氮與其他信號(hào)分子的相互作用機(jī)制仍有待研究。

（3）加強(qiáng)對(duì)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。