植物气孔开闭的调控机制研究进展 南京农业大学 课程论文

硕士研究生课程（论文）考试试卷课程名称 观赏植物生物技术学 号姓 名 所在学院 园艺学院任课教师 王广东南京农业大学研究生院培养处印制植物气孔运动的信号转导摘要：气孔是植物进行气体和水分交换以及大多数病菌入侵的门户。

植物根据外界环境（如相对湿度，CO2浓度以及光照强度等）相应的调节气孔开度的大小。

植物气孔运动对于植物的正常生长至关重要。

多种信号都参与了气孔运动的调控，而且各种信号之间相互作用形成一个调控网络。

该文就各种离子通道，脱落酸，CO2浓度，向光素以及病菌对气孔开闭调控及其信号转导方面的研究进展进行了综述，从而对植物气孔运动的调节网络有一个整体认识。

关键词：气孔运动；离子通道；信号转导Plant stomatal movement signal transductionAbstract：Stomata are gates for the plant to exchange air and water with the environment, and a major route for most of the pathogen entry into the plant. The movement of stomata is essential for the plants. Accordingly, plants regulate stomatal aperture in response to environmental conditions, such as relative humidity, CO2 concentration, and light intensity. Several signals have taken part in this regulation. In this review, we highlighted studies about the signal transduction of ion channels, ABA, CO2 concentration, phototropin, and pathogen that regulate the movement of plant stomata, which gave us a whole picture of the regulation net of stomatal movement.Key words: Stomatal movement; Ion channel; Signal transduction引言：气孔是陆生植物表皮上的微孔，由一对肾形的保卫细胞构成。

植物气孔运动调控是由内源激素和外部环境共同调控的结果，因此气孔的保卫细胞常常被当作植物细胞信号转导的模式细胞来研究。

近几年来气孔运动的研究也成为植物学，植物生理学，分子生物学领域的一个研究热点。

另外，张开的气孔是病菌进入植物体内导致植物各种病害的主要通道，所以气孔运动及其调控机理的研究对植物病害防治也起到一定推动作用。

此外，由于气孔的运动影响着蒸腾作用和光合作用，它的运动对生态的作用也比较明显。

气孔运动由多种因素相互作用所导致(Aasamaa and Sõber 2011)。

内外调控因子也是密不可分，本文将从离子通道，脱落酸，外部环境以及病原菌调控气孔开闭的一些信号转导相关的研究情况进行分别探讨。

1离子通道与气孔运动植物气孔的开闭主要是由于保卫细胞膨压的改变导致的，而导致膨压改变的最关键物质就是各种离子组成的渗透调节物质。

各种离子通过离子通道进出保卫细胞所导致的膨压变化，就造成了宏观上气孔的运动。

植物保卫细胞膜系统上的离子通道很多，包括钙离子通道，钾离子通道，阴离子通道等。

它们对气孔运动的调控起着至关重要的作用。

1.1 钙离子通道Ca2+已成为公认的植物细胞第二信使, 也是目前研究得最为深入的一个信号系统。

无论是外部环境还是内源的刺激信号在保卫细胞中的转导过程几乎都是以Ca2+作为第二信使(McAinsh et al. 2000)。

液泡是植物细胞内最大的钙离子库, 液泡膜上钙离子运载体和钙通道参与细胞质钙离子的信号转导过程(Wheeler and Brownlee 2008)。

以拟南芥为实验材料发现液泡膜上的TPC1（Two-pore channel 1）通道对钙离子通道起着重要作用(Peiter et al. 2005)。

植物钙依赖蛋白激酶（Calcium Dependent Protein Kinases; CDPKs）对钙信号感应，调控植物生长和抵抗生物与非生物胁迫密切相关。

拟南芥的基因组中一共编码34种钙依赖蛋白激酶。

CPK3和CPK6导致ABA和钙离子所诱导激活的S型阴离子通道部分受损导致大约64%-81%的气孔关闭受到影响(Mori et al. 2006)。

CPK4和CPK11也被确定为ABA信号和钙离子的信号传递体(Zhu et al. 2007)。

CPK10能调控ABA和钙离子信号所诱导的气孔关闭。

用酵母双杂交实验测定出CPK10和热激蛋白（HSP1）互作，共同调节有ABA和钙离子介导的气孔运动(Zou et al. 2010)。

细胞质中的钙离子浓度升高能迅速导致气孔关闭并长期抑制气孔重新张开(Israelssonet al. 2006)。

和迅速导致的气孔关闭不同，长期抑制气孔关闭的作用是随着细胞质中钙离子浓度瞬时升高持续加强的。

ABA诱导的膜电位的去极化导致细胞质中钙离子回流和气孔关闭可能对气孔重新张开起着重要作用(Allen et al. 2001, Israelsson et al. 2006, Klusener et al. 2002)。

最近通过拟南芥AtGLR3.1（Glutamate Receptor 3.1）突变体基因的超表达发现能减弱长期钙离子抑制气孔重新张开的作用，而瞬间的气孔关闭作用却不受影响(Cho et al. 2009)。

图1 植物气孔开闭调控网络简单模型Fig. 1 A simple model of plant stomatal movement regulation net1.2 钾离子通道气孔运动与保卫细胞中的K+浓度有密切联系。

细胞膜和液泡膜上存在多种钾离子通道，他们有的依赖电压，有的依赖钙离子浓度来调节K+浓度。

通过X射线扫描蛋白结晶的方法，测得钾离子通道由同源四聚体组成，4个亚基对称地围成一个中央孔道，恰好传导单个钾离子通过(Shi et al. 2006)。

对于不同的家族的钾离子通道，每个亚基由不同数目的跨膜链组成，2个跨膜链与他们之间的P-回环（Pore helix loop）是钾离子通道结构的标志(Jiang et al. 2003, Long et al. 2007, Shi et al. 2006)。

不同家族的钾离子通道都有这样一个结构。

液泡膜上存在的钾离子通道包括高选择性K+通道(VK channel)、快速激活的阳离子通道(FV channel)和慢液泡离子通道(SV channel)(MacRobbie 2006)。

VK通道在液泡膜上，当细胞质中钙离子浓度超过静息水平时，VK通道迅速被激活，导致大量K+从液泡流出(Kwak et al. 2001)。

液泡膜上还存在FV通道，该通道能够通透内向和外向的离子流，当细胞质中钙离子浓度上升到生理浓度为100 nmol/L时该通道被抑制。

液泡VK通道选择性地释放K+会使液泡膜电位向正电位的方向移动，从而激发另一个广泛存在的SV通道。

SV通道是非选择性阳离子通道，它是高度依赖性钙的通道，当细胞质中Ca2+浓度上升到生理浓度为500 nmol·L–1时才被激活(Schroeder 2003)。

钾离子通道通过渗透调节调控气孔的开闭(图1)，K+out 通道与保卫细胞的膨压变化直接相关，而K+out通道在保卫细胞中大量存在，每个保卫细胞膜上约有103个K+out通道，从而保证K+能从保卫细胞中迅速大量外流，气孔迅速反应，最终膨压下降，气孔关闭(Lebaudy et al. 2007, Schroeder 1988)。

1.3 阴离子通道保卫细胞细胞质膜上的阴离子通道对气孔关闭也起着不可或缺的作用。

阴离子通道有两种类型，即慢型阴离子通道(S型)和快型阴离子通道(R型)。

pH以及细胞质中钙离子浓度对这两种通道都有调节作用(Colcombet et al. 2005, Geiger et al. 2010)。

最近拟南芥的慢型通道(SLAC1)编码基因序列的发现其功能也有了进一步的了解，比如对气孔关闭后的恢复，CO2信号的感应以及阴离子富集等作用(Negi et al. 2008)。

慢型阴离子通道的晶体结构也被确定下来：对称的三聚体结构中每个亚结构上包含了10条跨膜的螺旋结构形成3个通道，允许NO3-，Cl–和苹果酸等阴离子通过。

通道中心的5条跨膜螺旋结构由非常保守的苯基丙氨酸残基构成控制着阴离子的进出(Chen et al. 2010a)。

拟南芥中的AtALMT12代表了S型阴离子通道，最近利用膜片钳技术分离到缺乏atalmt12的突变体，和野生型相比不能观察到阴离子流。

atalmt12的缺乏也影响到黑暗和CO所诱导的气孔关闭(Meyer et al. 2010)。

相比慢型阴离子通道而言，由于各种技术和通道的特殊限制，快型阴离子通道的研究一直比较落后。

利用电压钳方法建立蚕豆保卫细胞中钙离子和阴离子通道之间活力关系发现钙离子信号能调节阴离子通道，这个发现证明以前认为的钙信号与磷酸蛋白有可能是互相独立调节(Stange et al. 2010)。

研究还揭示出阴离子通道比钾离子通道对高钙浓度更加敏感(Chen et al. 2010b)。

这些阴离子通道激活后，阴离子外流引发去极化，反过来也促使K+外流，水势下降，保卫细胞膨压下降，最终导致气孔关闭（图1）。

2ABA调节气孔关闭植物体内的各种激素的信号转导一直是植物学家研究的热点问题，因为植物生长过程中不断受到各种小分子的激素所调控(Santner and Estelle 2009)。

自从1968年ABA定名以来(Addicott et al. 1968)，随着全球气候变化所引起的干旱胁迫和淡水紧缺问题都促进了人们对干旱胁迫下植物的各种反应的研究，而与干旱胁迫紧密相关的激素ABA更加引人注意。

ABA受体研究在2009年取得丰硕成果，被《Science》杂志评为当年的十大科学进展之一。

ABA受体包括镁氢螯合亚基(Shen et al. 2006)，GCR2(Liu et al. 2007)GPCR的GTG1和GTG2(Pandey et al. 2009) ，Betv1/START 结构域的PYR/PYL/RCAR蛋白(Ma et al. 2009, Park et al. 2009)。