NO调节植物低温胁迫抗性机制研究进展

牟雪姣，张远兵 （安徽科技学院城建与环境学院，安徽 蚌埠234000）

一氧化氮（nitric oxide，NO）是生物体内广泛存在的一种气体小分子信号物质，参与包括种子萌发、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、气孔运动等许多重要的生理生化过程［1～3］。NO还能够参与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3’5’－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能够增强植物抗旱性、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受到人们的重视。已有大量文献表明，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。笔者结合目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

外源供体提供是目前实验室内获得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（Sodium nitro prusside，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 也可在溶液中通过各种化学反应产生，如亚硝酸和抗坏血酸（ASA）在酸性条件下反应可生成NO；KNO2、KI和H2SO4等试剂发生化学反应也可制备NO［11］。

1.2 植物体内合成

目前的研究认为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］。许多植物中已证实有NOS存在，并且用NOS抑制剂能够有效抑制植物细胞质中NO的形成，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硝酸还原酶（NR）［12］和亚硝酸还原酶（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还原反应，将亚硝酸盐还原生成NO。③其他酶促途径。植物体内也有其他的酶参与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。植物多途径形成NO的事实表明，植物体中产生NO的调控机制非常复杂，总的来说，依赖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，其组织细胞被破坏，出芽和分枝受阻，生长迟缓。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］。刘兴旺［20］研究表明低温会减慢番茄株高、叶长和叶宽的生长速度，推迟开花期，降低坐果率。和红云［21］研究表明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现在形态上。植物遭受低温胁迫后，细胞的正常功能和结构被破坏，细胞质膜和细胞器膜系遭到破坏后，细胞的正常活动受限，导致代谢紊乱，使得体内抗氧化系统清除活性氧（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过多，会导致膜脂过氧化，产生较多的膜脂过氧化产物，从而对细胞造成伤害［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，取得了一些研究成果。郁万文等［23］对银杏和刘玉凤等［24］对番茄的研究结果均表明，植物在低温胁迫下，体内H2O2的含量和O－2的产生速率显著上升，ROS的代谢严重失衡，致使机体受到伤害；胡俊杰等［25］对菜用大豆的低温胁迫研究表明，低温胁迫使菜用大豆的O－2生成速率、H2O2和丙二醛（MDA）含量均显著升高，组织遭受氧化损伤，生长明显受到抑制。

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过程，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过程都会受到低温条件的影响，最终导致植物光合作用下降。吴雪霞等［26］研究结果表明，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明，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明，低温胁迫会使植物光合器官的结构破坏，光合作用的气孔被抑制，叶片光合系统Ⅱ（PSⅡ）活性中心受损。

3 NO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，认为植物具有与动物高度相似的一套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过程，提高植物抗逆性。在植物的抗逆反应中，NO主要通过依赖于环磷酸鸟苷（cGMP）和不依赖于cGMP 2条途径介导信号传导。①依赖于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赖于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达。②不依赖cGMP的信号途径：NO通过抑制顺乌头酸酶来参与植物的抗逆反应。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，而后者也可以减少ROS的产生［33］。

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受到研究者的关注。于秀针等［34］研究表明，0.05mmol／L的SNP处理能够显著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］研究表明，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100μmol／L的SNP对低温胁迫的缓解效果最佳；Lamattina等［36］研究表明，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］的研究表明，外源NO处理能够显著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 参与低温胁迫下植物的渗透调节

脯氨酸（Pro）是植物细胞中最重要的渗透调节物质。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，它作为渗透保护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渗透调节物质，植物在低温逆境下体内常常会积累大量的可溶性糖和可溶性蛋白以适应寒冷，保护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40μmol／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，说明NO能促进可溶性总糖的合成和脯氨酸含量的提高，增强低温胁迫下叶片的保水能力，从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，100μmol／L的SNP＋低温胁迫处理组可显著提高低温胁迫下棉花叶片的Pro含量和可溶性蛋白含量，说明NO能够参与细胞的渗透调解，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，植物光合作用受到抑制［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，结果表明，叶面喷施100μmol／L NO供体SNP能够显著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］研究表明，外源NO处理能显著提高低温胁迫过程中黄瓜幼苗光能利用率，促进光合电子传递，从而提高光化学效率，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。上述研究表明，NO参与了胁迫下植物光合作用的调节，抑制了光系统损伤，从而缓解了低温胁迫对植物光合作用的破坏。

3.5 保护细胞膜的完整性

目前普遍认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，结果表明，喷施15μmol／L的SNP溶液处理组可以显著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，从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，结果表明，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，60μL／L的NO处理能够减轻香蕉的冷害症状，显著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，结果表明，与对照组相比，NO处理组的MDA含量和电解质渗漏率更低。上述研究表明，NO能够抑制低温胁迫导致的细胞膜损伤，保护细胞膜的完整性。

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

植物体通过多种途径产生ROS，它们具有很强的氧化能力，可以使植物体功能分子被破坏，引起膜的过氧化。正常条件下，ROS的产生和清除维持平衡状态，植物遭受低温胁迫时，ROS的产生就会明显增加，而清除量下降，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护作用建立在对ROS水平和毒性的调节上，这种保护可以通过激活抗氧化保护酶活性从而缓解低温引起的氧化胁迫。此外，NO本身也具有抗氧化的性质，其复杂的氧化还原性质也能够调节细胞氧化还原稳态，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，结果表明，NO供体SNP处理使胁迫后枇杷幼果中H2O2的含量显著降低，CAT、POD、SOD和APX的活性均不同程度地有所提高。其中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，结果表明，与单独低温胁迫相比，预施NO处理显著降低了低温胁迫条件下小麦幼苗中H2O2和的浓度，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，结果表明，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处理能延缓产生的速率和H2O2含量的上升，外源NO处理的黄瓜具有更高的SOD、CAT、APX、POD活性和更高的DPPH自由基清除活性。上述研究表明，NO参与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，从而提高植物的抗寒性。

4 展望

目前，对于植物低温胁迫抗性的研究越来越受到研究者的关注，NO参与植物对低温胁迫的应答反应已被大量的研究所证实，NO提高植物对低温胁迫抗性的研究已取得了相当大的进展，但要真正阐明NO在植物低温胁迫抗性中的作用本质还应在以下几个方面进行深入研究：①鉴定并了解低温胁迫条件下NO直接作用的靶分子，深入研究NO信号转导的机制；②加强低温条胁迫件下NO对植物代谢水平调控的研究；③重视低温胁迫条件下NO与其他信号分子如水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）、乙烯（ET）和Ca2＋等存在的交叉调控。④加强对低温胁迫条件下植物内源NO作用机制的探讨。相信随着对NO生理效应研究的不断深入和NO作用机制的不断揭示，NO必将在农业生产应用中显示出更加广阔的前景。

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