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摘要：硝酸还原酶在硝酸盐的同化作用中扮演着重要角色，能将进入植物体内的NO3-还原为NO2-，进一步在亚硝酸还原酶的作用下还原为氨，是陆生植物氮素代谢中的一个关键酶，它的活性高低直接影响到植物对土壤中硝态氮素的利用，影响作物的产量和品质。文章分析了硝酸还原酶的特性及调控机理，阐述了硝酸还原酶的提取、纯化及一些基本特性，并表述了结构基因表达调控的最新进展，这些研究对于提高氮肥利用率，提高作物产量和品质具有重要意义。
关键词：硝酸还原酶 植物氮代谢调控 研究进展
硝酸还原酶（Nitrate reductase，NR）是高等植物氮代谢的关键酶。植物的氮源主要是无机氮化物，而无机氮化物中又以铵盐和硝酸盐为主。植物吸收铵盐后可直接用于氨基酸的合成，而吸收了硝酸盐，则必须通过硝酸还原酶进行代谢还原才能被植物利用，所以硝酸还原酶对植物氮营养是非常重要的。硝酸还原酶是一种诱导酶，通常在有NO3-存在时，会诱导硝酸还原酶的活性。经过光照，硝酸还原酶活性也会大大提高，同时，光照还能通过加强植物对硝酸盐的吸收而提高硝酸还原酶活性。在农业生产中，大量使用化肥特别是氮肥所引起的养分利用效率下降以及生产成本提高和水土污染等问题已经引起了人们的普遍关注，因此近年来硝酸还原酶活性的研究一直是个热点。本文综述了硝酸还原酶对植物氮代谢调控的研究进展，以期为氮代谢和植物营养研究提供一些借鉴。
一、硝酸还原酶活性的调控
（一）硝酸还原酶的基因调控
植物硝酸还原酶的调控包括该酶基因的表达、蛋白的合成和降解及短期的活化/非活化（activation/inactivation） 机制。光和硝酸盐可以诱导硝酸还原酶基因的表达、酶蛋白和辅酶的合成及全酶的装配。
用细胞突变体的方法已从烟草、大麦等植物中得到了两类硝酸还原酶突变体，钼辅因子基因突变型和脱辅基蛋白基因突变型，它们的杂种细胞又可恢复硝酸还原酶活力，表明它们的基因型是互补的。米勒的烟草硝酸还原酶突变体杂交试验结果指出：硝酸还原酶受到两个不连锁基因的控制，它们就是酶的脱辅基蛋白结构基因；谢拉德等指出小麦中7B和7D两条染色体参与硝酸还原酶活力的调节。林振武（1989）报道水稻硝酸还原酶诱导形成受到基因转录的控制，认为至少有两个基因位点参与酶活力的调节，一个是酶的编码基因，参与酶的合成；另一个是酶钝化蛋白基因，参与酶的衰减硝酸还原酶[6]。硝酸还原酶蛋白的合成调节可发生在基因水平、转录水平和翻译水平上；硝酸还原酶翻译后的活性调节则主要通过酶的活化与钝化、氧化与还原两个系统来调节。
此外，尽管不同真核生物中硝酸还原酶的作用是相似的，都是一种典型的寡聚酶，但在数目、的组成上变化非常大。
（二）硝酸还原酶的调节因子
硝酸还原酶的表达是一个复杂的过程 ，受到各种环境因素和生长条件的影响，包括硝酸盐浓度、氨盐浓度、光合辐照度、温度、碳架结构、氧含量和二氧化碳浓度的影响。此外 ，细胞的生理状况（包括碳氧化合物含量、光合作用和生理周期）等也控制硝酸还原酶的活性。硝酸还原酶在植物体内有氧化活性态和还原两种状态，体内许多代谢物可影响该酶两种状态的可逆转变，从而调节其活性。在这些因素中，光和硝酸盐浓度被认为是控制硝酸还原酶活性的最重要的因素。
1、NO3-对硝酸还原酶的影响
关于硝酸还原酶被底物NO3-诱导的机理，目前有两种不同的观点：一是诱导酶蛋白从头合成，即NO3-影响到mRNA的转录水平；二是NO3-活化硝酸还原酶的前体。两种观点各有一定的试验证据[8]。近年来的研究发现，只需非常低的外源NO3-便可诱导酶蛋白的合成，但是酶蛋白的活化即转变成有催化活性的硝酸还原酶则需要一定持续时间的较高浓度的外源NO3-，由此说明外源NO3-既可以诱导酶蛋白的合成，也可对酶蛋白转变成具有催化活性的酶产生作用，外源NO3-可能是硝酸还原酶酶蛋白合成和活化的共诱导剂（底物）。
2、光对硝酸还原酶的影响
通常在有NO3-存在时，在黑暗下植物也有硝酸还原酶活性（NRA），但活性很低；一经照光，硝酸还原酶活性大大提高[2]。光照可通过加强植物对硝酸盐的吸收而提高硝酸还原酶活性[2]。光对植物硝酸还原酶活性的快速调控，对维持植物正常的生理代谢具有非常重要的意义。
长期黑暗处理及短期黑暗处理均影响到硝酸还原酶的活性。短时暗处理可能影响到植物体内硝酸还原酶的状态，以至对Mg2+的反应有所改变。光从基因转录、翻译及硝酸还原酶蛋白的修饰几个方面影响该酶的活性。长期黑暗处理后，硝酸还原酶的活性下降，并进一步随黑暗处理时间的延长而降低。有学者认为长期暗处理会使硝酸还原酶蛋白量下降到较低的水，还有有学者研究了短时间的光/暗转换对硝酸还原酶的活性调节认为光在蛋白质水平上调节硝酸还原酶的活性，且这种调节是可逆的。Lillo认为植物体内NADH的瞬时缺乏可使硝酸还原酶的活性活性降低。有研究认为可能是反应液中的NADH 使因暗处理而钝化的硝酸还原酶的活性重新上升[2]。
二、研究展望
脱落酸（ABA）在植物水分亏缺状态下合成，然后通过激活复杂的信号级联系统诱导气孔关闭。最近的工作已经证明，一氧化氮（NO）是调解脱落酸诱导气孔关闭的一种关键的信号分子[9]。然而，保卫细胞中NO的生物起源问题尚未解决。药理的、生理的和遗传的证据表明，拟南芥保卫细胞内一氧化氮由硝酸还原酶（NR）介导生成。野生型拟南芥保卫细胞产生的一氧化氮是硝酸还原酶响应脱落酸和亚硝酸盐底物的一种产物。合成的一氧化氮为脱落酸诱导气孔关闭所必需。与植物单电子还原氧气合成O2 -相类似，植物硝酸还原酶也可以催化亚硝酸盐的单电子还原，来生成NO，表明硝酸还原酶也确实具有类似哺乳动物一氧化氮合酶的NO信号发送器的作用。一氧化氮是生物体中一种重要的氧化还原信号分子和毒性分子， 也是一种活性氮[10，11]。这些研究为今后通过调节植物体内硝酸还原酶单电子还原亚硝酸盐合成NO的活性，适当提高内原NO的水平，避免亚硝酸盐的毒害效应，有效缓解各种胁迫的氧化伤害，提供了新的思路。因此，进一步了解植物硝酸还原酶催化亚硝酸盐单电子还原生成NO的调控机制，及其分子机制和生理意义，将是以后有待研究的课题。
农业生产中大量使用化肥特别是氮肥所引起的养分利用效率下降以及生产成本提高和水土污染等问题已经引起了人们的普遍关注。这也一直是困扰我国农业生产的一个突出问题。同时氮肥利用率低和大量的氮肥损失直接和间接地导致了一系列不良的环境反应，如氮肥的表面流失和渗漏流失直接导致地下水污染和江河湖泊的富营养化作用。因此，对农作物氮肥的研究一直是农业科学研究的一大热点，多年来各国农业科学家对水稻氮肥的新方法新技术的研究都非常活跃，并且已取得了巨大的进展。植物氮代谢的调控主要是通过对硝酸还原酶的调控实现的，以硝酸还原酶为中心的调控系统是最原始、最基本的氮代谢调控系统。硝酸还原酶水平上的调控是比较灵敏有效和目前研究的较为详细清楚的氮代谢调控方式之一。这些研究对于提高氮肥利用率，提高作物产量和品质具有重要意义。
（作者单位：重庆市开县实验中学）
关键词：硝酸还原酶 植物氮代谢调控 研究进展
硝酸还原酶（Nitrate reductase，NR）是高等植物氮代谢的关键酶。植物的氮源主要是无机氮化物，而无机氮化物中又以铵盐和硝酸盐为主。植物吸收铵盐后可直接用于氨基酸的合成，而吸收了硝酸盐，则必须通过硝酸还原酶进行代谢还原才能被植物利用，所以硝酸还原酶对植物氮营养是非常重要的。硝酸还原酶是一种诱导酶，通常在有NO3-存在时，会诱导硝酸还原酶的活性。经过光照，硝酸还原酶活性也会大大提高，同时，光照还能通过加强植物对硝酸盐的吸收而提高硝酸还原酶活性。在农业生产中，大量使用化肥特别是氮肥所引起的养分利用效率下降以及生产成本提高和水土污染等问题已经引起了人们的普遍关注，因此近年来硝酸还原酶活性的研究一直是个热点。本文综述了硝酸还原酶对植物氮代谢调控的研究进展，以期为氮代谢和植物营养研究提供一些借鉴。
一、硝酸还原酶活性的调控
（一）硝酸还原酶的基因调控
植物硝酸还原酶的调控包括该酶基因的表达、蛋白的合成和降解及短期的活化/非活化（activation/inactivation） 机制。光和硝酸盐可以诱导硝酸还原酶基因的表达、酶蛋白和辅酶的合成及全酶的装配。
用细胞突变体的方法已从烟草、大麦等植物中得到了两类硝酸还原酶突变体，钼辅因子基因突变型和脱辅基蛋白基因突变型，它们的杂种细胞又可恢复硝酸还原酶活力，表明它们的基因型是互补的。米勒的烟草硝酸还原酶突变体杂交试验结果指出：硝酸还原酶受到两个不连锁基因的控制，它们就是酶的脱辅基蛋白结构基因；谢拉德等指出小麦中7B和7D两条染色体参与硝酸还原酶活力的调节。林振武（1989）报道水稻硝酸还原酶诱导形成受到基因转录的控制，认为至少有两个基因位点参与酶活力的调节，一个是酶的编码基因，参与酶的合成；另一个是酶钝化蛋白基因，参与酶的衰减硝酸还原酶[6]。硝酸还原酶蛋白的合成调节可发生在基因水平、转录水平和翻译水平上；硝酸还原酶翻译后的活性调节则主要通过酶的活化与钝化、氧化与还原两个系统来调节。
此外，尽管不同真核生物中硝酸还原酶的作用是相似的，都是一种典型的寡聚酶，但在数目、的组成上变化非常大。
（二）硝酸还原酶的调节因子
硝酸还原酶的表达是一个复杂的过程 ，受到各种环境因素和生长条件的影响，包括硝酸盐浓度、氨盐浓度、光合辐照度、温度、碳架结构、氧含量和二氧化碳浓度的影响。此外 ，细胞的生理状况（包括碳氧化合物含量、光合作用和生理周期）等也控制硝酸还原酶的活性。硝酸还原酶在植物体内有氧化活性态和还原两种状态，体内许多代谢物可影响该酶两种状态的可逆转变，从而调节其活性。在这些因素中，光和硝酸盐浓度被认为是控制硝酸还原酶活性的最重要的因素。
1、NO3-对硝酸还原酶的影响
关于硝酸还原酶被底物NO3-诱导的机理，目前有两种不同的观点：一是诱导酶蛋白从头合成，即NO3-影响到mRNA的转录水平；二是NO3-活化硝酸还原酶的前体。两种观点各有一定的试验证据[8]。近年来的研究发现，只需非常低的外源NO3-便可诱导酶蛋白的合成，但是酶蛋白的活化即转变成有催化活性的硝酸还原酶则需要一定持续时间的较高浓度的外源NO3-，由此说明外源NO3-既可以诱导酶蛋白的合成，也可对酶蛋白转变成具有催化活性的酶产生作用，外源NO3-可能是硝酸还原酶酶蛋白合成和活化的共诱导剂（底物）。
2、光对硝酸还原酶的影响
通常在有NO3-存在时，在黑暗下植物也有硝酸还原酶活性（NRA），但活性很低；一经照光，硝酸还原酶活性大大提高[2]。光照可通过加强植物对硝酸盐的吸收而提高硝酸还原酶活性[2]。光对植物硝酸还原酶活性的快速调控，对维持植物正常的生理代谢具有非常重要的意义。
长期黑暗处理及短期黑暗处理均影响到硝酸还原酶的活性。短时暗处理可能影响到植物体内硝酸还原酶的状态，以至对Mg2+的反应有所改变。光从基因转录、翻译及硝酸还原酶蛋白的修饰几个方面影响该酶的活性。长期黑暗处理后，硝酸还原酶的活性下降，并进一步随黑暗处理时间的延长而降低。有学者认为长期暗处理会使硝酸还原酶蛋白量下降到较低的水，还有有学者研究了短时间的光/暗转换对硝酸还原酶的活性调节认为光在蛋白质水平上调节硝酸还原酶的活性，且这种调节是可逆的。Lillo认为植物体内NADH的瞬时缺乏可使硝酸还原酶的活性活性降低。有研究认为可能是反应液中的NADH 使因暗处理而钝化的硝酸还原酶的活性重新上升[2]。
二、研究展望
脱落酸（ABA）在植物水分亏缺状态下合成，然后通过激活复杂的信号级联系统诱导气孔关闭。最近的工作已经证明，一氧化氮（NO）是调解脱落酸诱导气孔关闭的一种关键的信号分子[9]。然而，保卫细胞中NO的生物起源问题尚未解决。药理的、生理的和遗传的证据表明，拟南芥保卫细胞内一氧化氮由硝酸还原酶（NR）介导生成。野生型拟南芥保卫细胞产生的一氧化氮是硝酸还原酶响应脱落酸和亚硝酸盐底物的一种产物。合成的一氧化氮为脱落酸诱导气孔关闭所必需。与植物单电子还原氧气合成O2 -相类似，植物硝酸还原酶也可以催化亚硝酸盐的单电子还原，来生成NO，表明硝酸还原酶也确实具有类似哺乳动物一氧化氮合酶的NO信号发送器的作用。一氧化氮是生物体中一种重要的氧化还原信号分子和毒性分子， 也是一种活性氮[10，11]。这些研究为今后通过调节植物体内硝酸还原酶单电子还原亚硝酸盐合成NO的活性，适当提高内原NO的水平，避免亚硝酸盐的毒害效应，有效缓解各种胁迫的氧化伤害，提供了新的思路。因此，进一步了解植物硝酸还原酶催化亚硝酸盐单电子还原生成NO的调控机制，及其分子机制和生理意义，将是以后有待研究的课题。
农业生产中大量使用化肥特别是氮肥所引起的养分利用效率下降以及生产成本提高和水土污染等问题已经引起了人们的普遍关注。这也一直是困扰我国农业生产的一个突出问题。同时氮肥利用率低和大量的氮肥损失直接和间接地导致了一系列不良的环境反应，如氮肥的表面流失和渗漏流失直接导致地下水污染和江河湖泊的富营养化作用。因此，对农作物氮肥的研究一直是农业科学研究的一大热点，多年来各国农业科学家对水稻氮肥的新方法新技术的研究都非常活跃，并且已取得了巨大的进展。植物氮代谢的调控主要是通过对硝酸还原酶的调控实现的，以硝酸还原酶为中心的调控系统是最原始、最基本的氮代谢调控系统。硝酸还原酶水平上的调控是比较灵敏有效和目前研究的较为详细清楚的氮代谢调控方式之一。这些研究对于提高氮肥利用率，提高作物产量和品质具有重要意义。
（作者单位：重庆市开县实验中学）