激素對(duì)植物氣孔發(fā)育的調(diào)控研究

1、激素對(duì)植物氣孔發(fā)育的調(diào)控研究激素對(duì)植物氣孔發(fā)育的調(diào)控研究氣孔發(fā)育的基本過(guò)程源于原表皮特定細(xì)胞選擇進(jìn)入氣孔發(fā)育途徑成為擬分生組織母細(xì)胞(mothercellofmeristemoid,MCM)，這類(lèi)細(xì)胞經(jīng)過(guò)不等分裂，產(chǎn)生小的擬分生組織細(xì)胞(meristemoidcell,MC),MC可以通過(guò)不等分裂繼續(xù)擴(kuò)增，或者轉(zhuǎn)變形成保衛(wèi)母細(xì)胞(guardmothercell,GMC),緊接著GMCg生一次均等分裂，形成2個(gè)保衛(wèi)細(xì)胞(guardcell,GC)，最后進(jìn)入細(xì)胞分化階段，形成由2個(gè)保衛(wèi)細(xì)胞和其中間的孔所構(gòu)成的表皮結(jié)構(gòu)-氣孔。這個(gè)過(guò)程涉及干細(xì)胞的選擇、干細(xì)胞的維持和干細(xì)胞的分化等諸多發(fā)育生物學(xué)的基本

2、問(wèn)題。此外，還涉及細(xì)胞命運(yùn)決定、細(xì)胞極性的產(chǎn)生和維持、細(xì)胞分裂的調(diào)節(jié)(包括分裂的類(lèi)型、分裂面的定位和1維持和退出、內(nèi)循環(huán)的發(fā)生和終止等)。同時(shí)，氣孔發(fā)育過(guò)程受內(nèi)外因素的影響，具有較大的發(fā)育靈活性。一方面對(duì)內(nèi)部細(xì)胞之間的信號(hào)做出響應(yīng)，在氣孔的數(shù)目和分布上遵循“至少一個(gè)細(xì)胞間隔”原則，形成分散的氣孔分布模式，以優(yōu)化氣體交換效率另一方面，氣孔的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)(孔的開(kāi)閉)還強(qiáng)烈受到來(lái)自發(fā)育和外界環(huán)境信號(hào)的影響，如各種激素和外界的光照等，協(xié)調(diào)植物表皮的發(fā)育和生長(zhǎng)的關(guān)系，以及和外部環(huán)境條件的關(guān)系。1 氣孔發(fā)育中的信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)及關(guān)鍵組分在擬南芥氣孔的發(fā)育過(guò)程中，信號(hào)肽及其受體在細(xì)胞間的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起著關(guān)鍵性作用(

3、圖1),作為氣孔發(fā)育的受體最具代表性的是TMM(TOOMANYMOUTH)個(gè)ERECTA家族(ERf)成員，者B屬于LR戲受體蛋白激酶(LRR-RLKs)。TMMF口ERf家族的ERERECTA-LIKE1(ERL幺)ERECTA-LIKE2(ERL基因突變都會(huì)導(dǎo)致氣孔分布模式的異常，形成氣孔簇1-3.氣孔發(fā)育過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子家族(ERIDERMALPATTERNINGFACTOR-LIKEfamily,E眠坊小分子分泌多肽。其中參與氣孔發(fā)育的有EPF1EPF2CHALf口STOMA-GEN4.EPF1是最早發(fā)現(xiàn)的EPFL家族成員，在晚期的擬分生細(xì)胞、GMC卻早期GCs中表達(dá)，對(duì)氣

4、孔密度起負(fù)調(diào)控作用。EPF2的氨基酸序列與EPF1有較高的同源性，負(fù)調(diào)控氣孔密度，但先于EPF1在MMCS0早期的擬分生細(xì)胞中表達(dá)。EPF1和EPF2的表達(dá)者B依賴于TMMF口ER家族類(lèi)受體激酶5-7.EPFL家族第3個(gè)參與氣孔發(fā)育調(diào)節(jié)的是CHAL它與EPF1和EPF才目似，對(duì)氣孔形成起抑制作用。但在擬南芥中，CHALS莖和下胚軸的內(nèi)部組織細(xì)胞層表達(dá)，而不在表皮和葉片中表達(dá)，而且其表達(dá)需要ERf存在8.另外，2個(gè)CHAL勺結(jié)構(gòu)類(lèi)似基因CHALLAH-LIKE1/EP-FL5CHALLAH-LIKE2/EPFL4參與氣孔發(fā)育的調(diào)節(jié)9.而由葉肉細(xì)胞分泌的STOMAGEN/EP-FL9屬于該家族成員

5、，參與調(diào)節(jié)氣孔密度10-12.MAPK(MITOGEN-ACTIVATEDPROTEINKlNfeSE)徑是進(jìn)化上保守的關(guān)鍵調(diào)控模塊，參與擬南芥氣孔發(fā)育調(diào)控的MAPKt號(hào)途徑由YODA(YDAr種MAPKKinaseKinase,MAP-KKK)MKK4/5/7/9(MAPKKinase,MAPKKs)口MPK3/6(MAPKs)組成。YDA-MKK4/5-MPK3/6J號(hào)模塊對(duì)MMCS)擬分生細(xì)胞以及擬分生細(xì)胞向GMCS勺轉(zhuǎn)變起負(fù)調(diào)控作用13-15.在氣孔發(fā)育過(guò)程中bHLH?專(zhuān)錄因子主要分為兩類(lèi)，第一類(lèi)主要包括SPEECHLESS(SPCHMUT序口FAMA?3個(gè)成員16-18.SPCH在氣

6、孔發(fā)育的第一步發(fā)揮作用，是起始?xì)饪资老档谋匦杌?，調(diào)控表皮原細(xì)胞的分化.SPCH除在bHL筋構(gòu)域及C端和MUTEFAMAI有高度的保守性外，還有一段含93個(gè)氨基酸殘基的MAPK1標(biāo)域(MAPKtargetdomain,MAPKTD)而MAPKTD調(diào)控SPCH舌性的重要功能位點(diǎn)，即MAPK&號(hào)級(jí)聯(lián)被TMM-E康族受體以未知機(jī)制激活后，由YDA/MAPKKKMKK4/5和MPK3/6之間通過(guò)逐級(jí)地磷酸化將定位信號(hào)介導(dǎo)至核內(nèi)，再通過(guò)MPK3/MPK6SPCH勺MAPKTD1間的磷酸化作用，激活bHLH?專(zhuān)錄因子SPCH而在隨后進(jìn)行表達(dá)的MUT序口FA-MA中,SPCH充當(dāng)著表達(dá)的必須因子的角

7、色發(fā)揮著作用。MUTEE擬分生細(xì)胞中高表達(dá),可使所有表皮原細(xì)胞轉(zhuǎn)換為GCs.FAMAt異性地在GMC守口未成熟GCs中表達(dá)，在氣孔發(fā)育最終階段的對(duì)稱(chēng)分裂和GC戰(zhàn)運(yùn)特化中起關(guān)鍵作用，較高水平的FAMAT抑制細(xì)胞分裂，迫使GMC壞經(jīng)過(guò)對(duì)稱(chēng)分裂直接分化為GCs第二類(lèi)bHLHH轉(zhuǎn)錄因子包括：SCREAM(SCRM)SCRM出們分別與SPCHMUT刖FAMAg成異源二聚體，共同調(diào)控氣孔發(fā)育19.2 激素對(duì)氣孔發(fā)育的調(diào)控植物發(fā)育具有可塑性，并通過(guò)激素途徑來(lái)整合環(huán)境信號(hào)。環(huán)境信號(hào)通過(guò)作用于激素的生物合成和信號(hào)傳遞，協(xié)調(diào)內(nèi)部發(fā)育程序，從而控制植物的生長(zhǎng)和發(fā)育(圖1)。目前明確報(bào)道對(duì)氣孔發(fā)育具有直接調(diào)控作用的激

8、素是油菜素甾醇(brassinosteroids,BRs)、脫落酸(ABA)、赤霉素(GAs)、乙烯(Eth)和生長(zhǎng)素(Auxins).2.1 甾醇類(lèi)與氣孔發(fā)育固醇類(lèi)物質(zhì)在維持細(xì)胞的整體性和細(xì)胞-細(xì)胞通訊中發(fā)揮重要作用。植物固醇類(lèi)物質(zhì)的前體-環(huán)木菠蘿烯醇，通過(guò)1次或2次甲基化產(chǎn)生固醇類(lèi)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內(nèi)酯(brassinolide,BL)的合成前體20.早期固醇合成相關(guān)酶類(lèi)基因的突變體cy-clopropylsterolisomerase1(cpi1)、sterol14a-dem-ethylase(cyp51A2)、fackel(fk)和hydra1

9、(hyd1)表皮氣孔發(fā)育異常，推測(cè)某些尚未被識(shí)別出來(lái)的中間固醇類(lèi)物質(zhì)參與調(diào)節(jié)氣孔模式分布，它們可能通過(guò)結(jié)合含STAR現(xiàn)構(gòu)域的HD-ZIPIH和IV轉(zhuǎn)錄因子，參與氣孔發(fā)育的調(diào)節(jié)21.植物體中固醇合成后期階段的酶類(lèi)，如DWARF7(DWF7)DWF等口DWF1主要控制BR生物合成22-24,而B(niǎo)R信號(hào)途徑的BIN2激酶能通過(guò)對(duì)YDA?口SPCH勺作用而調(diào)節(jié)氣孔發(fā)育25-26.BRs對(duì)于氣孔發(fā)育的影響在不同器官截然不同。在子葉中，BRs對(duì)于氣孔的發(fā)育起抑制作用，BR不敏感或者BR缺失性突變體如bsu-q、det2-1、bri-116、bin2-1都會(huì)形成過(guò)量的氣孔及氣孔簇。而缺乏BRs信號(hào)途徑中GL

10、YCOGENSYNTHASEKINASE3(GSK3)-酶的植物如bin2-3、bil2、bil3功能缺失突變體和過(guò)量表達(dá)BRI1SUPPRES-SOR(BSU家族系歹成員的det2-1植物，氣孔數(shù)目則大大減少27.在胚軸中BRs對(duì)氣孔發(fā)育起促進(jìn)作用，缺乏BRs的植物如cpd、det2-1或?qū)Rs敏感度降低的植物如bri1-1、bri1-4、bri1-114和顯性的bin2-1突變體植株中，胚軸氣孔數(shù)量非常少；而在BR反應(yīng)增強(qiáng)的植物，如過(guò)量表達(dá)DWF載BRI1、bin2-3bin1和bin2-3的植株中胚軸氣孔數(shù)目極大增加25-28.這種差異性的存在可能與MAPKS分在不同器官中的分布及TM

11、M倦官中的表達(dá)和作用模式有關(guān)29.BRs主要通過(guò)GSK-3類(lèi)激酶BRINSEN-SITVE2(BIN2介導(dǎo)的磷酸化和YDAdfe活來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣孔發(fā)育的調(diào)控。BIN2可磷酸化MKK4MKK5也可影響MKK前MKK6勺活性28.同時(shí)BIN2也可直接與YD所口SPCHS行結(jié)合，直接控制SPCH125.2.2 生長(zhǎng)素與氣孔發(fā)育生長(zhǎng)素廣泛參與植物發(fā)育的調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)器官和細(xì)胞的分布模式。生長(zhǎng)素信號(hào)途徑目前報(bào)道的有2種，即以AUXINBINDINGPROTEIN1(ABP1爻體的途徑和TRANSPORTINHIBITORRESIST-ANT1/AUXINSIGNALLINGF-BOX(TIR1/AFB)的信號(hào)途

12、徑。生長(zhǎng)素作為分子橋連接和穩(wěn)定其受體SCFTIR1/AFB1-5和AUXIN/INDOLEACETICACID(Aux/IAAs|白之間的相互作用,從而導(dǎo)致后者泛素化降解，釋放出與Aux/IAAs蛋白形成二聚體而受到抑制的AUXINRESPONSEFACTORS(ARFs)而ARFs參與生長(zhǎng)素響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)。植物進(jìn)化出復(fù)雜的機(jī)制來(lái)控制生長(zhǎng)素的時(shí)空分布及動(dòng)態(tài)平衡，其中活性和極性的細(xì)胞以及細(xì)胞的極性運(yùn)輸尤為重要，并受PINFORMED(PIN)白和ATP-BINDINGCASSETTESUB-FAMILY(ABCB)的多個(gè)成員共同介導(dǎo)30-31.在氣孔發(fā)育過(guò)程中，生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸和信號(hào)參與控制氣

13、孔干細(xì)胞的數(shù)目和前體細(xì)胞從不等分裂向均等分裂的轉(zhuǎn)換。生長(zhǎng)素外運(yùn)的阻斷，如pin多突變體(pin1,3,4,7;pin2,3,4,7等)、gnom突變體(GNOMB白介導(dǎo)了生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PINs膜間的運(yùn)轉(zhuǎn))都表現(xiàn)出氣孔分布模式的異常，后者甚至發(fā)生了氣孔形態(tài)上的改變?；瘜W(xué)地阻斷或打破體內(nèi)生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程也會(huì)影響氣孔發(fā)育，如用BrefeldinA(BFA),一種抑制GNOMT白對(duì)生長(zhǎng)素外運(yùn)載體胞內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)和生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸造成影響的'化合物，能導(dǎo)致干細(xì)胞分布的異常聚集；而抑制生長(zhǎng)素外運(yùn)的化合物NPA也能誘發(fā)氣孔簇的形成。止匕外，生長(zhǎng)素受體及信號(hào)途徑相關(guān)的突變體(如abp1、tir1-1afb多突變體

14、)都有氣孔表型。利用位于細(xì)胞膜上的PIN3-GFP和位于細(xì)胞核中的DR5和DII作為探針，通過(guò)timelapse技術(shù)，Le等32監(jiān)測(cè)了氣孔發(fā)育中生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)及信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)一步揭示了生長(zhǎng)素在決定氣孔世系干細(xì)胞命運(yùn)和氣孔分布模式方面的作用。最近，Zhang等33又揭示了生長(zhǎng)素在氣孔發(fā)育中的作用是通過(guò)MONOPTEROS(MP)/ARF5葉肉細(xì)胞中移動(dòng)的多肽信號(hào)基因STOMAGEEN轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。2.3 脫落酸與氣孔發(fā)育長(zhǎng)久以來(lái)，ABA乍為脅迫響應(yīng)激素，在逆境調(diào)節(jié)下迅速調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉的作用得到廣泛研究34,多種植物中都有關(guān)于ABAJ口干旱脅迫影響氣孔發(fā)育的報(bào)道。在小麥(Triticumaestiv

15、umLinn.)中，葉片上氣孔的數(shù)目和鋪列細(xì)胞(pavementcell,PV)的大小在水分脅迫或者外施ABA時(shí)都下降35.在紫露草(Tradescantiareflexa)中，外源ABA弓I起氣孔和PV細(xì)胞密度的下降，而氣孔指數(shù)上升36.還有氣孔密度與葉片ABA濃度相關(guān)34,以及氣孔發(fā)育與干旱程度相關(guān)的報(bào)道37.這些有關(guān)氣孔密度對(duì)ABA或/和水分脅迫反應(yīng)的差異性結(jié)果，可能與ABA處理或者干旱處理的時(shí)間有關(guān)，處理的時(shí)間不僅可能影響氣孔還影響周?chē)鶳V細(xì)胞的發(fā)育。近來(lái)Tanaka等38證實(shí)，在擬南芥中ABA不僅能調(diào)節(jié)氣孔功能，也調(diào)節(jié)氣孔發(fā)育。ABAft物合成相關(guān)的突變體氣孔的密度發(fā)生改變，如黃氧素

16、脫氫酶基因突變而導(dǎo)致AB硼乏的aba2-2突變體子葉背軸面氣孔密度增加，而催化ABA分解關(guān)鍵酶的雙突變cyp707a1、cyp707a3子葉氣孔密度極大下降，這些說(shuō)明ABA是限制氣孔密度的重要因子。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SPC悌口MUTE勺表達(dá)在ABAf目關(guān)的突變體中都發(fā)生了改變，ABA乍用于SPCHF口MUTE勺上游調(diào)節(jié)氣孔發(fā)育39.2.4 赤霉素與氣孔發(fā)育GA寸生長(zhǎng)在低營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基的擬南芥幼苗胚軸的氣孔發(fā)育起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。用阻斷GA生物合成的13c劑多效唾(PAC,PACLOBUTRAZOL)1擬南芥幼苗，胚軸氣孔發(fā)育受到抑制，而子葉中的氣孔則無(wú)變化，說(shuō)明GA在胚軸和子葉中對(duì)于氣孔的發(fā)育調(diào)控影響是

17、通過(guò)不同途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而且GA缺失突變體ga1-1只在子葉中有氣孔，胚軸中沒(méi)有，其胚軸中的氣孔缺失表型可被外源GA3恢復(fù)。不過(guò)到目前為止，GA調(diào)節(jié)氣孔發(fā)育的具體位點(diǎn)及機(jī)理尚不明確。另外，GA勺生理功能主要通過(guò)DELLAg白來(lái)實(shí)現(xiàn)40.作為GAE應(yīng)的負(fù)向調(diào)節(jié)蛋白，DEL-LA能結(jié)合多種轉(zhuǎn)錄因子，如與PIF3和PIF4結(jié)合調(diào)節(jié)胚軸在暗中的伸長(zhǎng)41,與MYB倜節(jié)種子形成過(guò)程中a-淀粉酶的活性42.氣孔發(fā)育的3種關(guān)鍵bHLH轉(zhuǎn)錄因子(SPCH/MUTE/FAMA)否也受DELLAg白的調(diào)節(jié)，還需要進(jìn)一步研究。2.5 乙烯與氣孔發(fā)育用乙烯合成前體1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(1-amin-ocyclopro

18、pane-1-carboxylicacid,ACC)處理擬南芥幼苗，子葉表皮氣孔密度和氣孔分布模式發(fā)生改變。如果在外加acB理的同時(shí)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體結(jié)合的Ag2討理植株后，氣孔數(shù)目和分布模式恢復(fù)正常。同時(shí)，乙烯信號(hào)途徑中關(guān)鍵調(diào)節(jié)蛋白CONSTI-TUTIVETRIPLERESPONSE1(CTR1)43農(nóng)變體Ctrl具有類(lèi)彳以外源ACO理野生型的子葉氣孔表型，且外加AVG能使其恢復(fù)正常。止匕外，短時(shí)的外源乙烯處理，能引起暗中生長(zhǎng)的黃瓜(Cucu-missativusLinn.)下胚軸氣孔增多和異常聚集及表皮毛形態(tài)變異。乙烯處理同時(shí)改變了某些細(xì)胞的命運(yùn)及細(xì)胞分裂的極性，導(dǎo)致氣孔簇和分支表皮毛的形成44-46.2003年，Saibo等40報(bào)道GA調(diào)節(jié)擬南芥(Arabidopsisthaliana)胚軸氣孔發(fā)育時(shí)，曾提及乙烯和IAA能協(xié)同促進(jìn)GA1作用。作者認(rèn)為，由于乙烯不敏感突變體etr1-1的氣孔密度與野生型類(lèi)似，乙烯可能不是最重要的調(diào)節(jié)因素。但在胚軸氣孔發(fā)育過(guò)程中，IAA和GA時(shí)添加時(shí)對(duì)氣孔形成的強(qiáng)烈誘導(dǎo)作用在etr1-1中消失了，說(shuō)明在野生型中GA和IAA對(duì)氣孔發(fā)育的調(diào)節(jié)需要完整的乙烯信號(hào)途徑40.3 小結(jié)BR生長(zhǎng)素、乙烯、ABA?口1都作用