激素对植物气孔发育的调控研究

1、激素对植物气孔发育的调控研究激素对植物气孔发育的调控研究气孔发育的基本过程源于原表皮特定细胞选择进入气孔发育途径成为拟分生组织母细胞(mothercellofmeristemoid,MCM)，这类细胞经过不等分裂，产生小的拟分生组织细胞(meristemoidcell,MC),MC可以通过不等分裂继续扩增，或者转变形成保卫母细胞(guardmothercell,GMC),紧接着GMCg生一次均等分裂，形成2个保卫细胞(guardcell,GC)，最后进入细胞分化阶段，形成由2个保卫细胞和其中间的孔所构成的表皮结构-气孔。这个过程涉及干细胞的选择、干细胞的维持和干细胞的分化等诸多发育生物学的基本

2、问题。此外，还涉及细胞命运决定、细胞极性的产生和维持、细胞分裂的调节(包括分裂的类型、分裂面的定位和1维持和退出、内循环的发生和终止等)。同时，气孔发育过程受内外因素的影响，具有较大的发育灵活性。一方面对内部细胞之间的信号做出响应，在气孔的数目和分布上遵循“至少一个细胞间隔”原则，形成分散的气孔分布模式，以优化气体交换效率另一方面，气孔的产生和运动(孔的开闭)还强烈受到来自发育和外界环境信号的影响，如各种激素和外界的光照等，协调植物表皮的发育和生长的关系，以及和外部环境条件的关系。1 气孔发育中的信号传导网络及关键组分在拟南芥气孔的发育过程中，信号肽及其受体在细胞间的信号转导中起着关键性作用(

3、图1),作为气孔发育的受体最具代表性的是TMM(TOOMANYMOUTH)个ERECTA家族(ERf)成员，者B属于LR戏受体蛋白激酶(LRR-RLKs)。TMMF口ERf家族的ERERECTA-LIKE1(ERL幺)ERECTA-LIKE2(ERL基因突变都会导致气孔分布模式的异常，形成气孔簇1-3.气孔发育过程中发现的细胞信号转导因子家族(ERIDERMALPATTERNINGFACTOR-LIKEfamily,E眠坊小分子分泌多肽。其中参与气孔发育的有EPF1EPF2CHALf口STOMA-GEN4.EPF1是最早发现的EPFL家族成员，在晚期的拟分生细胞、GMC却早期GCs中表达，对气

4、孔密度起负调控作用。EPF2的氨基酸序列与EPF1有较高的同源性，负调控气孔密度，但先于EPF1在MMCS0早期的拟分生细胞中表达。EPF1和EPF2的表达者B依赖于TMMF口ER家族类受体激酶5-7.EPFL家族第3个参与气孔发育调节的是CHAL它与EPF1和EPF才目似，对气孔形成起抑制作用。但在拟南芥中，CHALS茎和下胚轴的内部组织细胞层表达，而不在表皮和叶片中表达，而且其表达需要ERf存在8.另外，2个CHAL勺结构类似基因CHALLAH-LIKE1/EP-FL5CHALLAH-LIKE2/EPFL4参与气孔发育的调节9.而由叶肉细胞分泌的STOMAGEN/EP-FL9属于该家族成员

5、，参与调节气孔密度10-12.MAPK(MITOGEN-ACTIVATEDPROTEINKlNfeSE)径是进化上保守的关键调控模块，参与拟南芥气孔发育调控的MAPKt号途径由YODA(YDAr种MAPKKinaseKinase,MAP-KKK)MKK4/5/7/9(MAPKKinase,MAPKKs)口MPK3/6(MAPKs)组成。YDA-MKK4/5-MPK3/6J号模块对MMCS)拟分生细胞以及拟分生细胞向GMCS勺转变起负调控作用13-15.在气孔发育过程中bHLH?专录因子主要分为两类，第一类主要包括SPEECHLESS(SPCHMUT序口FAMA?3个成员16-18.SPCH在气

6、孔发育的第一步发挥作用，是起始气孔世系的必需基因，调控表皮原细胞的分化.SPCH除在bHL筋构域及C端和MUTEFAMAI有高度的保守性外，还有一段含93个氨基酸残基的MAPK1标域(MAPKtargetdomain,MAPKTD)而MAPKTD调控SPCH舌性的重要功能位点，即MAPK&号级联被TMM-E康族受体以未知机制激活后，由YDA/MAPKKKMKK4/5和MPK3/6之间通过逐级地磷酸化将定位信号介导至核内，再通过MPK3/MPK6SPCH勺MAPKTD1间的磷酸化作用，激活bHLH?专录因子SPCH而在随后进行表达的MUT序口FA-MA中,SPCH充当着表达的必须因子的角

7、色发挥着作用。MUTEE拟分生细胞中高表达,可使所有表皮原细胞转换为GCs.FAMAt异性地在GMC守口未成熟GCs中表达，在气孔发育最终阶段的对称分裂和GC战运特化中起关键作用，较高水平的FAMAT抑制细胞分裂，迫使GMC坏经过对称分裂直接分化为GCs第二类bHLHH转录因子包括：SCREAM(SCRM)SCRM出们分别与SPCHMUT刖FAMAg成异源二聚体，共同调控气孔发育19.2 激素对气孔发育的调控植物发育具有可塑性，并通过激素途径来整合环境信号。环境信号通过作用于激素的生物合成和信号传递，协调内部发育程序，从而控制植物的生长和发育(图1)。目前明确报道对气孔发育具有直接调控作用的激

8、素是油菜素甾醇(brassinosteroids,BRs)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GAs)、乙烯(Eth)和生长素(Auxins).2.1 甾醇类与气孔发育固醇类物质在维持细胞的整体性和细胞-细胞通讯中发挥重要作用。植物固醇类物质的前体-环木菠萝烯醇，通过1次或2次甲基化产生固醇类的混合物，包括谷甾醇、豆甾醇和菜油甾醇，其中菜油甾醇是油菜素内酯(brassinolide,BL)的合成前体20.早期固醇合成相关酶类基因的突变体cy-clopropylsterolisomerase1(cpi1)、sterol14a-dem-ethylase(cyp51A2)、fackel(fk)和hydra1

9、(hyd1)表皮气孔发育异常，推测某些尚未被识别出来的中间固醇类物质参与调节气孔模式分布，它们可能通过结合含STAR现构域的HD-ZIPIH和IV转录因子，参与气孔发育的调节21.植物体中固醇合成后期阶段的酶类，如DWARF7(DWF7)DWF等口DWF1主要控制BR生物合成22-24,而BR信号途径的BIN2激酶能通过对YDA?口SPCH勺作用而调节气孔发育25-26.BRs对于气孔发育的影响在不同器官截然不同。在子叶中，BRs对于气孔的发育起抑制作用，BR不敏感或者BR缺失性突变体如bsu-q、det2-1、bri-116、bin2-1都会形成过量的气孔及气孔簇。而缺乏BRs信号途径中GL

10、YCOGENSYNTHASEKINASE3(GSK3)-酶的植物如bin2-3、bil2、bil3功能缺失突变体和过量表达BRI1SUPPRES-SOR(BSU家族系歹成员的det2-1植物，气孔数目则大大减少27.在胚轴中BRs对气孔发育起促进作用，缺乏BRs的植物如cpd、det2-1或对BRs敏感度降低的植物如bri1-1、bri1-4、bri1-114和显性的bin2-1突变体植株中，胚轴气孔数量非常少；而在BR反应增强的植物，如过量表达DWF载BRI1、bin2-3bin1和bin2-3的植株中胚轴气孔数目极大增加25-28.这种差异性的存在可能与MAPKS分在不同器官中的分布及TM

11、M倦官中的表达和作用模式有关29.BRs主要通过GSK-3类激酶BRINSEN-SITVE2(BIN2介导的磷酸化和YDAdfe活来实现对气孔发育的调控。BIN2可磷酸化MKK4MKK5也可影响MKK前MKK6勺活性28.同时BIN2也可直接与YD所口SPCHS行结合，直接控制SPCH125.2.2 生长素与气孔发育生长素广泛参与植物发育的调节，协调器官和细胞的分布模式。生长素信号途径目前报道的有2种，即以AUXINBINDINGPROTEIN1(ABP1爻体的途径和TRANSPORTINHIBITORRESIST-ANT1/AUXINSIGNALLINGF-BOX(TIR1/AFB)的信号途

12、径。生长素作为分子桥连接和稳定其受体SCFTIR1/AFB1-5和AUXIN/INDOLEACETICACID(Aux/IAAs|白之间的相互作用,从而导致后者泛素化降解，释放出与Aux/IAAs蛋白形成二聚体而受到抑制的AUXINRESPONSEFACTORS(ARFs)而ARFs参与生长素响应基因的转录调节。植物进化出复杂的机制来控制生长素的时空分布及动态平衡，其中活性和极性的细胞以及细胞的极性运输尤为重要，并受PINFORMED(PIN)白和ATP-BINDINGCASSETTESUB-FAMILY(ABCB)的多个成员共同介导30-31.在气孔发育过程中，生长素极性运输和信号参与控制气

13、孔干细胞的数目和前体细胞从不等分裂向均等分裂的转换。生长素外运的阻断，如pin多突变体(pin1,3,4,7;pin2,3,4,7等)、gnom突变体(GNOMB白介导了生长素转运蛋白PINs膜间的运转)都表现出气孔分布模式的异常，后者甚至发生了气孔形态上的改变。化学地阻断或打破体内生长素转运过程也会影响气孔发育，如用BrefeldinA(BFA),一种抑制GNOMT白对生长素外运载体胞内运转和生长素极性运输造成影响的'化合物，能导致干细胞分布的异常聚集；而抑制生长素外运的化合物NPA也能诱发气孔簇的形成。止匕外，生长素受体及信号途径相关的突变体(如abp1、tir1-1afb多突变体

14、)都有气孔表型。利用位于细胞膜上的PIN3-GFP和位于细胞核中的DR5和DII作为探针，通过timelapse技术，Le等32监测了气孔发育中生长素转运及信号的动态变化，进一步揭示了生长素在决定气孔世系干细胞命运和气孔分布模式方面的作用。最近，Zhang等33又揭示了生长素在气孔发育中的作用是通过MONOPTEROS(MP)/ARF5叶肉细胞中移动的多肽信号基因STOMAGEEN转录调节实现。2.3 脱落酸与气孔发育长久以来，ABA乍为胁迫响应激素，在逆境调节下迅速调节气孔关闭的作用得到广泛研究34,多种植物中都有关于ABAJ口干旱胁迫影响气孔发育的报道。在小麦(Triticumaestiv

15、umLinn.)中，叶片上气孔的数目和铺列细胞(pavementcell,PV)的大小在水分胁迫或者外施ABA时都下降35.在紫露草(Tradescantiareflexa)中，外源ABA弓I起气孔和PV细胞密度的下降，而气孔指数上升36.还有气孔密度与叶片ABA浓度相关34,以及气孔发育与干旱程度相关的报道37.这些有关气孔密度对ABA或/和水分胁迫反应的差异性结果，可能与ABA处理或者干旱处理的时间有关，处理的时间不仅可能影响气孔还影响周围PV细胞的发育。近来Tanaka等38证实，在拟南芥中ABA不仅能调节气孔功能，也调节气孔发育。ABAft物合成相关的突变体气孔的密度发生改变，如黄氧素

16、脱氢酶基因突变而导致AB硼乏的aba2-2突变体子叶背轴面气孔密度增加，而催化ABA分解关键酶的双突变cyp707a1、cyp707a3子叶气孔密度极大下降，这些说明ABA是限制气孔密度的重要因子。进一步研究发现，SPC悌口MUTE勺表达在ABAf目关的突变体中都发生了改变，ABA乍用于SPCHF口MUTE勺上游调节气孔发育39.2.4 赤霉素与气孔发育GA寸生长在低营养培养基的拟南芥幼苗胚轴的气孔发育起关键调节作用。用阻断GA生物合成的13c剂多效唾(PAC,PACLOBUTRAZOL)1拟南芥幼苗，胚轴气孔发育受到抑制，而子叶中的气孔则无变化，说明GA在胚轴和子叶中对于气孔的发育调控影响是

17、通过不同途径来实现的。而且GA缺失突变体ga1-1只在子叶中有气孔，胚轴中没有，其胚轴中的气孔缺失表型可被外源GA3恢复。不过到目前为止，GA调节气孔发育的具体位点及机理尚不明确。另外，GA勺生理功能主要通过DELLAg白来实现40.作为GAE应的负向调节蛋白，DEL-LA能结合多种转录因子，如与PIF3和PIF4结合调节胚轴在暗中的伸长41,与MYB倜节种子形成过程中a-淀粉酶的活性42.气孔发育的3种关键bHLH转录因子(SPCH/MUTE/FAMA)否也受DELLAg白的调节，还需要进一步研究。2.5 乙烯与气孔发育用乙烯合成前体1-氨基环丙烷-1-羧酸(1-amin-ocyclopro

18、pane-1-carboxylicacid,ACC)处理拟南芥幼苗，子叶表皮气孔密度和气孔分布模式发生改变。如果在外加acB理的同时再添加抑制accM化酶活性的氨基乙基乙烯基甘氨酸(aminoe-thoxyvinylglycine,AVG)或者用抑制乙烯和受体结合的Ag2讨理植株后，气孔数目和分布模式恢复正常。同时，乙烯信号途径中关键调节蛋白CONSTI-TUTIVETRIPLERESPONSE1(CTR1)43农变体Ctrl具有类彳以外源ACO理野生型的子叶气孔表型，且外加AVG能使其恢复正常。止匕外，短时的外源乙烯处理，能引起暗中生长的黄瓜(Cucu-missativusLinn.)下胚轴气孔增多和异常聚集及表皮毛形态变异。乙烯处理同时改变了某些细胞的命运及细胞分裂的极性，导致气孔簇和分支表皮毛的形成44-46.2003年，Saibo等40报道GA调节拟南芥(Arabidopsisthaliana)胚轴气孔发育时，曾提及乙烯和IAA能协同促进GA1作用。作者认为，由于乙烯不敏感突变体etr1-1的气孔密度与野生型类似，乙烯可能不是最重要的调节因素。但在胚轴气孔发育过程中，IAA和GA时添加时对气孔形成的强烈诱导作用在etr1-1中消失了，说明在野生型中GA和IAA对气孔发育的调节需要完整的乙烯信号途径40.3 小结BR生长素、乙烯、ABA?口1都作用