拟南芥突变体中保卫细胞淀粉含量测定

1、本科生毕业论文（设计）册作者姓名：赵桦指导教师：张春广所在学部：理学部专 业：生物科学班级（届）：2015届1班 二一五年五月十日学位论文原创性声明本人所提交的学位论文拟南芥突变体mpkka, mpkb保卫细胞淀粉含量测定，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。本声明的法律后果由本人承担。论文作者（签名）：指导教师确认（签名）：2015年5月10日2015年 5月10日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解河北师范大学汇华学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许

2、论文被查阅和借阅。本人授权河北师范大学汇华学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在 五 年解密后适用本授权书）论文作者（签名）：指导教师（签名）：2015年 5月10日2015年5月10日河北师范大学汇华学院本科毕业论文（设计）任务书编 号：2015230000000论文（设计）题目： 拟南芥突变体mpkka, mpkb保卫细胞淀粉含量测定 学 部： 理学部 专业： 生物科学 班级： 2011级1班 学生姓名： 赵桦 学号： 2011500000 指导教师： 张春广 职称：副教授 1、论文（设计）研究目标及

3、主要任务研究目标：以拟南芥野生型和突变体mpkka, mpkb为材料，通过碘液染色和显微观察的方法测定mpkka, mpkb突变体保卫细胞中的淀粉含量变化，为揭示突变表型产生的分子机理提供理论依据。主要任务：（1）种植拟南芥野生型及mpkka、mpkb突变体； （2）撕取拟南芥下表皮条，用碘液染色，并制成临时装片；（3）在显微镜下观察各保卫细胞中淀粉粒染色情况，并拍照；（4）分析各突变体保卫细胞中淀粉粒含量。2、论文（设计）的主要内容以拟南芥野生型和mpkka, mpkb突变体为实验材料，运用碘液染色和显微观察的方法，对各实验材料保卫细胞中的淀粉含量进行研究分析。最后通过对实验结果的分析，揭示

4、保卫细胞中淀粉含量变化与气孔运动的关系。3、论文（设计）的基础条件及研究路线基础条件：本实验室在前期的实验中已经确定mpkka, mpkkb突变体气孔在光照下开度较野生型小，但是其生理机制尚不清楚。在此基础上，我们将通过拟南芥植株培养、碘液染色、显微观察等手段对保卫细胞内淀粉粒的数量进行观察，初步确定突变体内淀粉含量的变化，为揭示突变产生的机理提供实验依据。本实验所用的种子已经具备，实验技术成熟，所涉及的实验药品和仪器也已具备，利用这些材料和技术，可以得到可靠的数据及其结果，实验方案可行，实验能够顺利进行。研究路线：（1）将拟南芥突变体mpkka、mpkb和野生型种子播种在培养基上；（2）将种

5、有种子的培养基进行黑暗、低温处理三天；（3）将处理好的种子放在光培箱中培养一周左右，待长出第二片真叶后进行移苗；（4）移苗10天后，撕取拟南芥叶片下表皮，用碘液进行染色，制成临时装片，在显微镜下观察并拍照。4、主要参考文献1 姚南瑜. 气孔运动机制的研究进展 J. 辽宁师院学报(自然科学版), 1982, 40(3): 36-44.2 成雪峰. 植物气孔及其运动机理 J. 概述生物学教学, 2013, 38(12): 7-9. 3 崔国新, 韩宝达, 赵潇男, 李立新. 气孔发育及其调控 J. 植物生理学报, 2012, 48 (9): 829-836.4 范永山, 谷守芹, 董金皋, 董 娜

6、. MAPK 途径对玉米大斑病菌HT-毒素产生和生物学活性的调控作用 J. 中国农业科学, 2008, 41(1): 86-92.5 周丽, 胡富勇, 徐新云. MAPK信号调节通路及其在细胞凋亡中的研究进展 J. 中国卫生检验杂志, 2010, 20(10): 2655-2657.6 Talbott LD., Zeiger E. Sugar and organic acid accumulation in guard cells of Vicia faba in response to red and blue light J. Plant Physiology, 1993, 102(2):

7、 1163-1169.7 黄荣峰, 王学臣. 气孔运动机理研究进展 J. 应用与环境生物学报, 1996, 2(3)：320-326.8 王书伟, 王巍, 李海侠, 李颖, 李建华, 陈玉玲. 保卫细胞的光合作用在光调节的气孔运动中的功能 J. 植物生理学通讯, 2010, 40 (6)：499-504.9 孙丽, 吴忠义, 李学东, 于荣. 植物气孔运动过程中的信号转导机制 J. 植物生理学通讯, 2006, 40(6): 1203-1210.10 薛绍武, 杨频, 裴真明. 植物保卫细胞离子通道在气孔运动中的作用 J. 植物生理学通讯, 2004, 40(4): 489-495.5、计划进

8、度阶段起止日期1查阅文献及资料，撰写开题报告1月7日1月23日2培养三批植物实验材料3月9日3月31日3测量拟南芥保卫细胞中淀粉含量4月1日4月15日4整理实验数据，写毕业论文4月16日5月1日5毕业答辩5月2日5月10日指 导 教师： 年 月 日教研室主任： 年 月 日河北师范大学汇华学院本科生毕业论文（设计）开题报告书 理 学部 生物科学 专业 2015 届学生姓名赵桦论文（设计）题目拟南芥突变体mpkka, mpkb保卫细胞淀粉含量测定指导教师张春广专业职称副教授所属教研室植物生理学研究方向植物抗逆生理课题论证：见附页方案设计：本实验以拟南芥突变体mpkka, mpkb及野生型为实验材料

9、，运用碘液染色和显微观察的方法，对各实验材料保卫细胞中的淀粉含量进行研究分析，为揭示突变体表型产生的生理机制提供依据。根据以上实验目的，我们实验设计如下：（1）在超净台中把经过消毒的种子播种在MS培养基中，放在4培养箱中黑暗处理2天，然后将种子放在22光照培养箱中培养5至7天，待生长出第2片真叶后移苗。（2）撕取在土中生长10天左右的拟南芥突变体和野生型的表皮条，用移液器吸取适量配制好的碘液，滴到表皮条上，染色3至5分钟，盖上盖玻片，表皮染色装片制作完成。把装片放在显微镜载物台上，观察并拍照。（3）分析实验结果并分析。进度计划：1月7日-1月23日 查阅文献及资料，撰写开题报告； 3月9日-3

10、月31日 培养三批植物实验材料； 4月1日-4月15日 测量拟南芥保卫细胞中淀粉含量； 4月16日-5月1日 整理实验数据，写毕业论文； 5月2日-5月10日 毕业答辩。 指导教师意见：指导教师签名： 年 月 日教研室意见： 教研室主任签名： 年 月 日附页气孔由两个保卫细胞构成。由于较叶肉细胞和表皮细胞体积小，所以只需少量的离子和水分就可以改变内部渗透压而影响气孔的开闭。气孔开放时，保卫细胞积聚K+ 、阴离子和淀粉，细胞渗透势增加，吸收水分，体积膨胀，气孔打开；相反，K+、阴离子等从保卫细胞中流出，细胞渗透势减小，水分从细胞中排出，细胞收缩，气孔关闭。随着现代研究的深入，发现淀粉是气孔运动的

11、渗透调节物质之一。在光照条件下保卫细胞进行光合作用，保卫细胞内叶绿体的淀粉水解（或经卡尔文循环产生）的中间产物3-磷酸二羟丙酮，此中间产物由叶绿体转运到细胞质，经过1-磷酸葡萄糖转变为蔗糖，导致保卫细胞中蔗糖含量增加，渗透压升高，保卫细胞水势较周围细胞水势低，周围细胞的水分沿着水势进入保卫细胞，保卫细胞吸水膨胀，气孔开放。黑暗下反应过程则与光照下过程相反。可见保卫细胞内淀粉的含量对气孔的开闭运动有调控作用。MAPK级联途径广泛存在于真核生物中。植物中的MAPK级联途径包含MAPKKK、MAPKK和MAPK 这三种蛋白激酶。在长期的进化过程中，植物形成了许多与本身的生命活动相适应的生理生化机制，

12、通过自身的代谢来适应复杂多变的环境。植物将外部刺激传递到细胞内部而引发细胞反应，几个重要的细胞信号转导途径和蛋白质翻译后修饰在不同的信号级联途径中发挥着重要作用，其中一个普遍的机制是促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联反应。它们参与传递和调节各种胞外及胞内的信号通路，与多种细胞反应尤其是与细胞的增殖分化和凋亡有关。根据已有的实验数据，MAPK的级联信号途径也参与了保卫细胞的发育。MPK4、MPK6以及其上游调控因子MKK4、MKK5是MAPK家族调控气孔发育的关键因子。mpk4/mpk6是MPK4/MPK6基因的双突变体，它们的气孔密度均明显增加，不再遵循气孔之间必须间隔一个表皮细胞的原则，M

13、KK4/MKK5 RNAi干涉植株也有类似的表型。关于MAPK级联途径参与调控气孔运动的机理研究还比较少。本实验室通过前期的实验表明，MAPK级联途径的两个突变体mpkka、mpkb气孔的开度明显小于野生型，说明MPKKa和MPKb有可能参与调控气孔的运动。为了进一步验证MAPK级联途径调控气孔运动的机理，我们拟采用碘液染色法对mpkka、mpkb突变体及野生型气孔中的淀粉含量进行测定，通过分析各表型保卫细胞中的淀粉粒含量，验证MAPK级联途径是否能够影响保卫细胞淀粉的合成，进而影响气孔的开闭，为揭示MPKKa和MPKb的生理机制提供实验依据。河北师范大学汇华学院本科生毕业论文（设计）文献综述

14、包括国内外研究现状、发展趋势、存在问题、参考文献依据，对文献资料进行概括、分析（不少于1000字）。气孔是由两个肾形的保卫细胞（大多数植物）或具有哑铃形保卫细胞（禾本科）包围形成的孔隙1，分布在植物叶片气生器官的表面，是植物与外界环境进行气体和物质交换的主要通道。气孔开闭是一个十分复杂的过程。一般情况下，植物为尽可能多地减少水分的散失和保证CO2的供给，气孔都昼开夜闭，其开放规律符合Cowarn 和Farquhar提出的气孔调节的最优化理论2。气孔开放时，保卫细胞中的渗透物质大量积累，以致保卫细胞中的渗透压升高而水势下降，外界水分进入保卫细胞，保卫细胞吸水膨胀，于是气孔张开。相反，保卫细胞内渗

15、透物质的排出或消耗，会导致保卫细胞的渗透压下降，水势升高，水分外流，保卫细胞失水缩小，气孔关闭。其开闭控制着光合作用和蒸腾作用两个生理过程10，因此研究气孔运动机理不仅对揭示植物对环境的适应机制有重要作用，而且对研究保卫细胞内信号转导途径具有重要的理论和现实意义。气孔发育是一个十分复杂细密的系统, 信号肽、转录因子、以及促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信号途径等都在这一系统中起着举足轻重的作用3。植物将外部刺激传递到细胞内部而引发细胞反应，几个主要的细胞信号转导途径和蛋白质翻译后修饰在不同的信号级联途径中发挥着主要作用，其中一

16、个普遍的机制是促分裂原活化蛋白激酶级联反应。促分裂原活化蛋白激酶，也称作细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK），是一组在进化上高度保守的蛋白激酶，它们在生物体内的多种细胞信号传导途径中起着十分重要的作用4。MAPK信号途径通过传递自身发育信号来调节气孔的发育，或者通过转导外部环境信号来控制气孔的生理状态和发育状态 3。植物把外部环境的刺激传递到细胞内部而引起细胞反应，一些重要的细胞信号转导途径和蛋白质翻译后修饰在不同的信号级联途径中发挥着重要作用，其中一个较广泛的机制是促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联反应。它们负责传递和调控

17、各种细胞外及细胞内的信号通路，与多种细胞反应尤其是与细胞的增殖分化和凋亡有关5。由于MAPK信号途径可以介导植物对多种生物和非生物胁迫的响应，所以，MAPK信号通路可能整合了内源的发育信号与外部的环境信号来调节气孔的发育3。时至今日已发现了有3种离子通道可以调控气孔运动的过程，即Ca2+通道、阴离子通道和K+通道。在气孔运动过程中，受胞质中游离的Ca2+浓度的变化、pH和蛋白磷酸化调控的3条互相独立的信号途径也参与对K+通道的调控。有研究表明，在日周期(daily cycle)开始的时间内，主要由K+维持气孔开放。而后来当K+浓度降低时，渗透调节物质成为维持气孔开放的主要因素9。渗透调节物质引

18、起气孔运动可能有3条途径（1）淀粉降解产生的蔗糖的积累；(2) 由淀粉降解产生的苹果酸平衡K +的吸收；（3）通过光合作用，蔗糖积累6。在光照条件下保卫细胞进行光合作用，叶肉细胞中的CO2浓度降低，pH值增高，使淀粉被水解催化成糖的酶活性增强，进而使保卫细胞中糖含量增加，导致保卫细胞中的渗透压升高，较周围细胞水势较低，周围细胞的水分沿着水势进入保卫细胞，保卫细胞吸水膨胀，气孔开放。黑暗下反应过程则与光照下过程相反。这种促使淀粉和糖进行可逆转变的酶是淀粉磷酸化酶, 该酶在pH2.9-6.1时合成淀粉的作用占优势，pH6.1-7.3时淀粉的水解作用占优势1。当有蓝光照射时，由于质膜上质子泵驱动离子

19、吸收的能力提高及有机酸合成的增加，保卫细胞内渗透压快速升高，而光下质子驱动力是通过叶绿体类囊体薄膜上光合磷酸化过程形成的，或通过蓝光受体在液泡膜内(或质膜内) 所诱发的氧化还原反应而产生7。假若拟南芥的淀粉合成缺失突变体，其气孔则不能再进行蓝光反应，这一现象表明蓝光反应中的保卫细胞内苹果酸根离子大部分来源于淀粉的降解8。当保卫细胞中CO2浓度低时，有机酸进行脱羧反应，引起保卫细胞内pH值增高，淀粉水解，糖量增加，渗透压减小，保卫细胞吸水，气孔开放。反之，在黑暗中保卫细胞积累CO2 ,促进有机酸的形成，使pH值降低, 糖变成淀粉,渗透压上升,保卫细胞失水, 气孔关闭1。本实验室通过前期的实验证明

20、，MAPK级联途径的两个突变体mpkka、mpkb气孔的开度明显小于野生型，MPKKa和MPKb有可能参与调控气孔的运动。为了进一步验证MAPK级联途径调控气孔运动的机理，我们拟采用碘液染色法对mpkka、mpkb突变体及野生型气孔中的淀粉含量进行测定，通过分析各突变体保卫细胞中淀粉粒含量的变化，验证MAPK级联途径是否能够影响保卫细胞淀粉的合成，进而影响气孔开闭，为揭示MPKKa和MPKb的生理机制提供实验依据。参考文献 1 姚南瑜. 气孔运动机制的研究进展 J. 辽宁师院学报(自然科学版), 1982, 40(3): 36-44.2 成雪峰. 植物气孔及其运动机理 J. 概述生物学教学,

21、2013, 38(12): 7-9. 3 崔国新, 韩宝达, 赵潇男, 李立新. 气孔发育及其调控 J. 植物生理学报, 2012, 48 (9): 829-836.4 范永山, 谷守芹, 董金皋, 董 娜. MAPK 途径对玉米大斑病菌HT-毒素产生和生物学活性的调控作用 J. 中国农业科学, 2008, 41(1): 86-92.5 周丽, 胡富勇, 徐新云. MAPK信号调节通路及其在细胞凋亡中的研究进展 J. 中国卫生检验杂志, 2010, 20(10): 2655-2657.6 Talbott LD., Zeiger E. Sugar and organic acid accumul

22、ation in guard cells of Vicia faba in response to red and blue light J. Plant Physiology, 1993, 102(2): 1163-1169.7 黄荣峰, 王学臣. 气孔运动机理研究进展 J. 应用与环境生物学报, 1996, 2(3)：320-326.8 王书伟, 王巍, 李海侠, 李颖, 李建华, 陈玉玲. 保卫细胞的光合作用在光调节的气孔运动中的功能 J. 植物生理学通讯, 2010, 40 (6)：499-504.9 孙丽, 吴忠义, 李学东, 于荣. 植物气孔运动过程中的信号转导机制 J. 植物生理

23、学通讯, 2006, 40(6): 1203-1210.10 薛绍武, 杨频, 裴真明. 植物保卫细胞离子通道在气孔运动中的作用 J. 植物生理学通讯, 2004, 40(4): 489-495.河北师范大学汇华学院本科生毕业论文（设计）翻译文章列出参阅的外文文献资料的篇目，对其中与研究课题相关的重要文献进行翻译，注明原文的出处并附原文（附在后面）（不少于2000字）。光照对气孔运动的调节摘要：气孔被两个保卫细胞包围，它的作用是调节吸收二氧化碳和控制水分的散失。气孔的开放过程是由积累在保卫细胞中的k+和糖分决定的，这种调节通过质膜中的质子泵或/和新陈代谢来实现。气孔的开放是由光信号，光能量的转

24、换，细胞膜的运输和保卫细胞中的代谢活动共同协调产生的。在这个综述中，我们将主要关注红光和蓝光对气孔开放过程影响的最新研究进展。因为红光看起来对气孔的蓝光反应有着强烈的影响，我们对蓝光信号和保卫细胞叶绿体间相互作用的潜在机制进行讨论。背景：气孔可以调节植物与空气之间的气体交换，使光合作用中的CO2的固定优化并且减小蒸腾作用中水分的散失（8、17、144、189、193）。气孔可以快速的运动以使植物能够更好适应外界坏境的变化。保卫细胞中k+和糖分的积累，其结果是使水势降低，保卫细胞吸水驱动气孔的开放。使水份被吸收，细胞膨胀（降低）的大小随着保卫细胞中水的吸收而不断增大，由此就扩大了气孔的孔径，因为

25、细胞壁中微纤维的不对称定位，容量的增加，因此这需要保卫细胞中的内膜提来维持在气孔闭分状态时，保卫细胞中存在一定数量的小液泡。这些小液泡在气孔的开放期间彼此融合成为更大的液泡。在这之前，有大量的离子通过液泡膜的离子通道和离子泵进入到液泡之中。保卫细胞在干旱、黑暗、高浓度CO2或者低温等条件下，某些可溶性物质会被移除或者释放到细胞外，引起质膜内化和小液泡的产生，最终导致气孔关闭。气孔开放是由光照引起的，包括蓝光和红光。在不同的波长光照下，气孔的开放机制有着明显的不同（193）。蓝光是信号，红光既是信号又是能量来源。蓝光激活质膜上的H+-ATPase(21、76)，使质膜超级化，同时引起质外体酸化，

26、通过打开电压门控K+通道使K+进入细胞。红光时叶肉细胞和保卫细胞中叶绿体进行光合作用，使细胞间隙中的CO2浓度降低。红光之所以可以诱导气孔开放，可能是由于保卫细胞对胞间CO2浓度减少产生反应和保卫细胞叶绿体对红光直接产生反应的综合结果（132、151、183）。在下午，糖也作为渗透调节物质，积累在保卫细胞中维持气孔的开放。带正电荷的K+积累必须通过吸收阴离子来维持保卫细胞中的电荷平衡，其中主要的有机酸苹果酸。苹果酸在红光和微弱的蓝光共同存在的条件下合成，没有红光时不能合成。保卫细胞中的叶绿体产生苹果酸（151），叶绿体本身也作为淀粉的储存库，并将淀粉作为苹果酸的前体进行分解。保卫细胞也利用离子

27、和硝酸根离子作为K+的抗衡离子，虽然这样的利用率随植物种类和生长条件的不同而变化（51）。在这篇报道中我们关注光照诱导气孔开放的最新研究成果。在保卫细胞高度特化的新陈代谢促进了离子的快速跨膜运输，在此基础上我们提出了红光和蓝光之间诱导气孔开放的协同效应理论。特别是在干旱条件下脱落酸引起气孔关闭的现象。这一现象请参考最新的评论（11、17、35、36、132、144）。气孔对蓝光照射的反应内容：在较强的红光背景下，蓝光可以诱导许多C3和C4植物的气孔开放，在兼性景天酸代谢的植物中运行C3模式，而不是景天酸代谢模式。等量的蓝光和红光照射完整的叶片，蓝光诱导气孔开放的效率是红光的20倍（19、59、

28、71、151、152）。 气孔对蓝光这一高度的敏感的反应在红光背景下变得更加突出。表1中列出了在拟南芥和水稻叶片中，气孔导度、光合作用中CO2固定的分量、细胞间隙CO2的浓度等光合作用指标的增益效应。当一片叶子在黑暗中处理1h，然后用强烈的红光（600mol m2 s1）照射,光合作用对CO2的固定反应迅速发生，造成Ci浓度立刻出现剧烈下降。之后的20分钟里，光合作用出现了平缓的增长，到最后达到平稳状态。在这一过程中，气孔导度随时间的延迟在逐渐的增加，直到20分钟后达到最大值，然后出现一个波动的图像（图1a）。用微弱的蓝光（5mol m2 s1）叠加在红光上照射10分钟，引起气孔快速的开放。开

29、启的速度比红光快3倍（151）。通过对蓝光照射气孔引起气孔开放实验的反复观察发现，反应强度从早上到下午略有减少（28）。在仅有弱蓝光而没有红光照射的条件下，气孔几乎没有开放（图表1b）。 这些特性与之前报道过的其他植物的特性相符(63、86、151)。当水稻的叶片被红光照射时，光合作用CO2的固定量迅速增加，但是在较低的水平保持了10分钟，其原因是气孔导度较低，然后开始出现较长时间的延缓增加（图1c）。光合作用强度的递增是由于气孔限制的解除，因为伴随着固定的CO2的增加，气孔的孔径大小也相应增加。这种植物在弱蓝光和红光叠加照射的情况下，气孔的大小出现了急剧的增大（图表1c），在小麦、甘蔗等其他

30、单子叶植物中这一现象1也被证明(9)。蓝光作为一个信号，甚至是短时间内（3060s脉冲）的照射都可以引起气孔的开放，这个反应可持续到脉冲后10分钟（63）。蓝光特异的气孔反应可以被蓝光附加高强度红光照射叶片来诱导，这个过程中蓝光刺激并没有使其中的光合作用进一步增强（110、148）。反应强度的大小与蓝光的光子通量和达到的饱和量成比例关系。一旦给鸭拓草一次饱和通量的光脉冲，气孔对立即施加的第二次光脉冲的适应强度将大大减少。然后经过9min的半衰期开始逐渐恢复（63）。蓝光受体存在两个可以互变的形式，一个是有生理活性的形式，另一个是没有生理活性的形式。从不活跃的形式转换到活跃形式转换是光诱导的快速

31、反应。活跃形式通过热反应的渠道逐渐回到不活跃的形式。这些特性应归结于蓝光受体的分子性质，这一点在后来逐渐被发现（60、72、138）。ABSTRACTStomatal pores, each surrounded by a pair of guard cells, regulate CO2 uptake and water loss from leaves. Stomatal opening is driven by the accumulation of K+ salts and sugars in guard cells, which is mediated by electrogenic

32、 proton pumps in the plasma membrane and/or metabolic activity. Opening responses are achieved by coordination of light signaling, light-energy conversion, membrane ion transport, and metabolic activity in guard cells. In this review, we focus on recent progress in blue- and red-light-dependent stom

33、atal opening. Because the blue-light response of stomata appears to be strongly affected by red light, we discuss underlying mechanisms in the interaction between blue-light signaling and guard cell chloroplasts.INTRODUCTIONStomata regulate gas exchange between plants and atmosphere, optimize photos

34、ynthetic CO2 fixation, and minimize transpirational water loss (8, 17, 144, 189, 193). Stomata move rapidly to adjust plants to the everchanging environment. The opening of stomata is driven by the accumulation of K+ salts (37, 42, 64, 191) and/or sugars (124, 174) in guard cells, which results in a

35、 decrease in water potential and subsequent water uptake. Turgor elevation from water uptake increases guard cell volume, which widens stomatal apertures because of the asymmetric positioning of microfibrils in the cell wall.The volume increase requires an increase in surface area of the guard cell

36、plasma membrane, and this needed area is provided by the internal membranes of guard cells (162). Guard cells possess a number of small vacuoles in the closed state of stomata (117). Such small vacuoles fuse with each other and generate bigger vacuoles during stomatal opening (43). Prior to these pr

37、ocesses, a large number of ions move from the cytosol to the vacuole via channels and pumps in the tonoplast (186). Stomatal closure is caused by the release and/or removal of osmotica from guard cells under drought, darkness, elevated CO2, or low humidity, resulting in the internalization of the pl

38、asma membrane and the generation of small vacuoles.Stomatal opening is induced by light, including blue and red light, and distinct mechanisms underly stomatal opening in response to these different wavelengths (193). Blue light acts as a signal and red light as both a signal and an energy source. B

39、lue light activates the plasma membrane H+-ATPase (21,76), hyperpolarizing the membrane potential with simultaneous apoplast acidification, and drives K+ uptake through voltage-gated K+ channels. Red light drives photosynthesis in mesophyll and guard cell chloroplasts and decreases the intercellular

40、 CO2 concentration (Ci ). Red-light-induced stomatal opening may result from a combination of guard cell response to the reduction in Ci and a direct response of the guard cell chloroplasts to red light (132, 151, 183). In the afternoon, sugars also accumulate in guard cells as osmotica and maintain

41、 stomatal opening (174). The accumulation of positively charged K+ ions in guard cells must be compensated by anions, mainly in the form of the organic acid malate2 (189). Malate forms in response to weak blue light under a red-light background, and the formation does not occur without red light (10

42、9, 110). Guard cell chloroplasts are responsible for malate formation (151), and the chloroplasts also act as a reservoir for starch and catabolize it as a precursor of malate (183, 189). Guard cells also utilize Cl and NO3 as counterions for K+, although such utilization varies with plant species a

43、nd growth conditions (51). In this review, we focus on recent progress concerning light-stimulated stomatal opening. On the basis of the highly specialized metabolism in guard cells, which facilitates the rapid transport of ions across membranes, a synergistic effect between blue and red light on st

44、omatal opening has been proposed. For other stomatal responses, particularly stomatal closure responses induced by the phytohormone abscisic acid (ABA) under drought, please refer to other recent reviews on this subject (11, 17, 35, 56, 132, 144).BLUE-LIGHT RESPONSE OF STOMATA PropertiesBlue-light-s

45、pecific stomatal opening is found in a number of C3 and C4 plants under strong background red light, and in facultative Crassulacean acid metabolism plants functioning in the C3, but not the CAM, mode (89).In intact leaves, blue light, on a quantum basis, is several to 20 times more effective than r

46、ed light in opening stomata (19, 59, 71, 151, 152). The high sensitivity of this blue-light response becomes prominent in the presence of background red light. Simultaneous measurements of stomatal conductance, photosynthetic CO2 fixation, and intercellular CO2 concentration (Ci ) in leaves of Arabi

47、dopsis thaliana and rice (Oryza sativa L. cv, Taichung 65) plants in response to light are presented in Figure 1. When a leaf kept in the dark for 1 h was illuminated with strong red light (600 mol m2 s1), photosynthetic CO2 fixation occurred instantly with a sharp drop in Ci to 250270 ppm, followed

48、 by a gradual increase in photosynthetic rate for 20 min, until a steady state was achieved. Stomata showed a gradual increase in stomatal conductance with a short lag time, and conductance reached a maximum within 20 min, then showed small fluctuations (Figure 1a). Weak blue light (5mol m2 s1), sup

49、erimposed on the red light for 10 min, elicited rapid stomatal opening, with a threefold faster rate than that caused by red light (151). The opening responses were observed repeatedly in response to blue light, and the magnitude of the responses showed a slight decrease from morning to afternoon (2

50、8). Stomata showed virtually no opening in response to the weak blue-light stimulus in the absence of red light (Figure 1b). These properties are in accord with those shown in previous reports on other plant species (63, 86, 151). When the rice leaf was illuminated with red light, photosynthetic CO2

51、 fixation increased instantly but remained at a low level for 10 min due to the low stomatal conductance, and then exhibited a large gradual increase (Figure 1c). The gradual increase in photosynthesis resulted from the removal of stomatal limitation, because the increase in CO2 fixation paralleled

52、that in stomatal conductance of this phase.Weak blue light superimposed on the red light induced a very rapid increase in the stomatal aperture in this plant species (Figure 1c), as has also been shown for other monocots, such as wheat (70, 71) and sugarcane (9).Blue light acts as a signal, and even

53、 a short period of light (pulse, 3060 s) induces stomatal opening, which is sustained for more than 10 min after the pulse (63). Blue-lightspecific stomatal responses can be induced by illuminating the leaves with blue light superimposed on high-intensity red light, in which photosynthesis was not f

54、urther activated by the blue-light stimulus (110, 148). The magnitude of the response was proportional to the photon flux of blue light and reached saturation. Once a single saturating pulse was given to the leaf, the responsiveness to a second pulse was greatly reduced when the second pulse was imm

55、ediately applied, and the responsiveness was gradually restored with a half-life time (T1/2) of 9 min in Commelina communis (63). The blue-light receptor was suggested to exist in two interconvertible forms: one physiologically active and the other inactive (63). The conversion from the inactive for

56、m to the active form was a light-induced fast reaction and the active form gradually returned to the inactive form via a thermal reaction. These properties seem to be attributable to the molecular properties of the responsible blue-light receptors, which were discovered later (60, 72, 138).本科生毕业论文设计拟南芥突变体mpkka, mpkb保卫细胞淀粉含量测定学部：理学部专业：生物科学班级：2011级1班学生：赵桦指导教师：张春广论文编号：20150000000 目 录摘要1关键词11引 言22.实验材料22.1