一氧化氮：植物抵御生物胁迫的关键因素

《Plant Science》：Nitric Oxide: A key Player in Plant Defense against Biotic Stress

　　德万舒·德夫|施拉达·巴斯卡尔·萨万特|普林斯·库马尔·古普塔|普里娅·巴尔加瓦|普拉奇·辛格|苏达·南德尼|乌迪特·南丹·米什拉|E. 桑卡尔加内什|阿比吉特·加塔克
卡兰农业学院（比哈尔农业大学，萨布伦），基尚甘杰-855107，比哈尔，印度

**摘要**
一氧化氮（NO）是一种体积小但反应性极强的气体分子，在植物生理学中起着关键信号传导作用，尤其是在调节植物对生物胁迫的防御反应方面。除了在哺乳动物体内的作用外，它还积极参与植物的多种生理、生化和免疫过程。NO通过多种酶促和非酶促途径合成，在病原体识别后迅速积累。NO通过与活性氧（ROS）协同作用，触发过敏反应（HR）并激活系统获得性抗性（SAR），从而参与植物免疫。此外，它还与防御相关的植物激素如水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和乙烯（ET）有广泛的相互作用，这种相互作用通常通过调节蛋白的S-亚硝化等翻译后修饰实现。研究表明，NO通过激活MAPKs、cGMP通路、触发初级免疫反应（PTI）和效应免疫反应（ETI）、与细胞壁成分相关的酶、以及抗菌肽等多种方式，增强植物对真菌、细菌、病毒和昆虫传载体的抗性。实验结果证明，无论是内源性产生的NO还是外源施用的NO供体都能提高植物的抗性。揭示NO介导的防御反应的分子机制为通过遗传和生物技术手段开发广谱且可持续的作物抗性策略提供了有力支持。本文综述了NO介导的植物-病原体相互作用，特别强调了其生物合成、信号传导机制及其在植物免疫网络中的功能整合，并探讨了其在可持续农业中的应用潜力。

**引言**
一氧化氮（NO）曾仅被视为一种有害的环境污染物，但现在已被认为是动物和植物系统中的关键信号分子。它是一种无毒、无色、亲脂性强且反应性极高的双原子气体，能够自由穿过细胞膜，因此是一种出色的细胞间信使（Khan等人，2023年）。1992年，科学界将NO称为“年度分子”（Koshland等人，1992年），并因其在哺乳动物体内的生理作用（尤其是神经传递、血管扩张和免疫调节方面）而授予诺贝尔生理学或医学奖（Stamler等人，1992年）。值得注意的是，最早发现NO生物活性的研究是在植物中（Shah等人，2023年），甚至在完全理解其动物体内的功能之前。动物体内的NO生物合成依赖于已明确的硝酸盐还原酶（NOS），而在植物中虽然也存在类似的途径，但存在显著差异。植物中的NO通过硝酸盐还原酶（NR）和类似NOS的酶的酶促途径以及酸性或还原条件下的非酶促途径生成（Bethke等人，2004年；Foresi等人，2010年）。尽管植物中NOS的精确身份尚未确定，但已证明L-精氨酸在病原体诱导下可产生活性NO（Sun等人，2010年）。
在植物中，NO影响多种生理和发育过程，如种子萌发、根系结构、气孔关闭、开花和果实成熟（Lubyanova等人，2022年；Lau等人，2021年；Pandey等人，2017年）。NO在植物对干旱、盐分和极端温度等非生物胁迫的响应中也起着重要作用。近年来，其在植物对生物胁迫（尤其是病原体攻击）的防御反应中的交互作用受到了特别关注。NO作为关键的信号分子，调控模式触发免疫（PTI）和效应触发免疫（ETI）。这些反应通常伴随着NO和活性氧（ROS）的迅速释放，引发一系列防御信号激活，称为氧化和亚硝化爆发（Torres等人，2006年；Yoshioka等人，2003年）。NO与过氧化氢（H?O?）结合时，可诱导过敏反应（HR），这是一种程序性细胞死亡（PCD），能够限制病原体的扩散（Delledonne等人，1998年；Mur等人，2006年）。NO与其他植物信号通路之间的相互作用对疾病的结果至关重要。NO与水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和乙烯（ET）等植物激素有广泛的相互作用，并通过S-亚硝化调节关键蛋白的表达（Martínez-Ruiz等人，2013年）。例如，S-亚硝化病原相关基因表达抑制因子1（NPR1）和TGA1及其SA通路中的其他成分可增强其活性并改善免疫反应（Sun等人，2021年）。谷胱甘肽S-亚硝酶（GSNO）作为移动的NO储存库，参与S-亚硝化过程，并受GSNO还原酶（GSNOR）调控。GSNOR活性的变化通过调控SA生物合成和防御基因表达来影响植物抗性（Sun等人，2021年）。

**植物-微生物相互作用**
植物-微生物相互作用既包括有益的也包括有害的方面。内源性产生的NO是植物识别和响应系统的重要组成部分。例如，在真菌感染过程中，NO会在感染部位积累，根据具体情况增强抗性或促进真菌定殖（Sarkar等人，2014年）。坏死性真菌灰葡萄孢在感染期间会产生高水平的NO，外源施用NO供体可通过抑制孢子萌发和提高宿主抗性来缓解疾病症状（Grayton等人，2024年）。在细菌病原体系统中，病原体识别后立即会产生大量NO。例如，假单胞菌感染拟南芥会诱发强烈的NO释放，从而激活HR并上调防御相关基因（Delledonne等人，1998年；Mur等人，2006年）。NO与ROS的平衡对于决定抗性的程度和类型至关重要，两者都是HR的最佳诱导所必需的。同样，用硝酸普鲁士酸（SNP）等NO供体处理后，番茄植株的抗氧化酶活性会增加（Kumar和Ohri，2023年）。NO在病毒防御中也起着重要作用。在感染水稻黑条矮病毒（RBSDV）的水稻中，抗性品系的内源性NO含量增加与较低的发病率相关（Lu等人，2020年）。外源施用NO供体可抑制病毒症状，表明其具有保护作用（Lu等人，2020年）。在感染大豆花叶病毒的大豆中，NO含量增加与增强防御反应相关（Kumar和Ohri，2023年）。尽管相关研究较少，但NO也在线虫感染中发挥作用，可能通过与ROS、SA和JA等信号通路的相互作用来激活植物防御（Zhou等人，2015年）。NO与多种防御酶和次级代谢物相互作用，例如过氧化物酶、多酚氧化酶和苯丙氨酸氨裂解酶，这些酶均参与植物对真菌和细菌病原体的抗性（Grayton等人，2024年）。除了酶促反应外，NO还刺激与病理相关蛋白（PR）和防御途径相关转录因子（PR-1）的表达（Khan等人，2023年）。NO还参与共生关系，如与根瘤菌和丛枝菌根真菌（AMF）的共生，调控根系定殖和养分转移（Martínez-Medina等人，2019a；Cazalé等人，2020年）。这些相互作用受到严格调控：NO支持共生基因表达，同时维持氧化还原平衡并抑制可能干扰有益定殖的免疫反应（Shah等人，2023年）。

**农业中的应用**
人们对在农业中使用NO的兴趣日益增加。外源施用NO或其供体化学物质已被证明能有效限制苹果、芒果和番茄果实采后病害，增强对灰葡萄孢、胶孢壳菌和扩展青霉菌的抵抗力（Sun等人，2021年）。这些处理不仅抑制病原体，还能延缓衰老并延长采后货架期。尽管有这些积极的结果，但仍需解决许多问题，例如NO在植物组织中的生成和扩散机制、其与植物激素调控网络的协调机制及其与病原体来源信号分子的特异性相互作用。深入了解NO的时空调控及其下游效应系统的机制对于开发基于NO的疾病管理策略至关重要。本文旨在全面探讨一氧化氮在植物免疫中的作用，包括其生物合成、信号传导方式及其对真菌、细菌、病毒病原体和病毒载体的反应功能影响，并揭示NO与其他防御信号分子之间的相互作用，将其定位为植物-病原体相互作用的核心枢纽和可持续农业的潜在目标。

**一氧化氮的性质和生物合成**
NO是一种体积小、寿命短的大学生殖气体，在植物生理中发挥多种功能，如生长、发育、衰老以及对非生物和生物胁迫的响应（Domingos等人，2015年）。NO是一种含有未配对电子的双原子自由基，具有高扩散性和与过渡金属及巯基的反应性，在体外可形成金属-亚硝基和S-亚硝基硫醇复合物。在体内，NO通过与ROS的反应参与氧化还原信号传导。

**NO与植物免疫的关联**
植物可以识别PAMPs（病原体相关分子模式）或DAMPs（病原体损伤相关分子模式），并激活PTI（PAMPs诱发的免疫），作为快速有效的防御机制来对抗生物胁迫并限制微生物病原体的定殖（Shah等人，2023年）。诱导的植物防御反应通常涉及复杂的信号网络，主要涉及SA和JA，有时也与ET协同作用。

**NO对植物产量和质量的影响**
病原体攻击会严重损害作物产量和质量，导致全球范围的经济损失。研究表明，包括NO在内的某些信号分子能在植物受到生物胁迫时诱导防御反应。Perchepied等人（2010年）的研究揭示了拟南芥与核盘菌相互作用及其防御基因表达的情况。此外，Cui等人（2021年）的研究表明，NO在植物防御中也起着重要作用。

**NO对细菌和病毒病原体的防御**
细菌病原体攻击对作物产量和质量有显著影响，造成巨大的经济损失。植物通过多种信号分子进行防御，其中NO是最著名的 mediator，能保护植物并帮助减轻生物胁迫（Grayton等人，2024年）。多项研究显示NO对多种细菌疾病具有抗菌作用。

**NO在植物防御中的作用**
NO是一种重要的植物防御信号分子，可对多种类型的植物病原体（包括病毒、类病毒、线虫、苛养血管细菌（如植原体）、藻类和原生动物）提供免疫响应。NO在植物防御过程的多个阶段发挥作用，从初始病原体识别到系统免疫信号的调节。这些机制涉及HR、SAR、ROS相互作用和RNA沉默途径。

**结论与未来展望**
作为植物系统中的关键信号分子，NO对植物防御的多个方面具有广泛影响，使其成为一种多功能分子，既能直接作为抗菌剂，也能调节复杂的信号级联反应。大多数生物刺激都会严格调控植物中NO的生成，这一过程既包括酶促也包括非酶促途径。越来越多的证据表明，NO参与协调对多种病原体的防御反应。普拉奇·辛格（Prachi Singh）：写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化处理。
E. 桑卡尔加内什（E. Sankarganesh）：写作——审稿与编辑、内容验证、软件开发。
乌迪特·南丹·米什拉（Udit Nandan Mishra）：写作——审稿与编辑、内容验证、软件开发。
普里娅·巴尔加瓦（Priya Bhargava）：写作——审稿与编辑；同时明确表示在写作过程中使用了生成式人工智能（Generative AI）及人工智能辅助技术。

在准备这项研究时，作者们使用了ChatGPT、Quillbot和Grammarly等工具来提升句子的可读性并避免语法错误。使用这些工具/服务后，作者们对内容进行了必要的审阅和修改，并对出版物的内容负全部责任。

**利益冲突声明**
我，Sudha Nandni（本文的通讯作者），负责撰写题为《一氧化氮：植物抵御生物胁迫的鲜为人知的调节因子》的手稿，特此声明：本手稿中呈现的数据是原创的，此前未以任何形式发表过，也不在其他地方处于待发表的状态。感谢您考虑将我们的手稿发表。如需更多信息或需要进一步说明，请随时联系我。

**致谢**
本研究未获得任何资助。作者们对比哈尔农业大学（Bihar Agricultural University, Sabour, Bhagalpur）提供的慷慨支持表示感谢，该学校提供了文件编号为BAU COMMUNICATION NO. 2173/250715的相关资料。

**利益冲突声明**
作者声明自己不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益冲突或个人关系。