激素對植物氣孔發(fā)育的調控研究

1、激素對植物氣孔發(fā)育的調控研究激素對植物氣孔發(fā)育的調控研究氣孔發(fā)育的基本過程源于原表皮特定細胞選擇進入氣孔發(fā)育途徑成為擬分生組織母細胞(mothercellofmeristemoid,MCM)，這類細胞經(jīng)過不等分裂，產(chǎn)生小的擬分生組織細胞(meristemoidcell,MC),MC可以通過不等分裂繼續(xù)擴增，或者轉變形成保衛(wèi)母細胞(guardmothercell,GMC),緊接著GMCg生一次均等分裂，形成2個保衛(wèi)細胞(guardcell,GC)，最后進入細胞分化階段，形成由2個保衛(wèi)細胞和其中間的孔所構成的表皮結構-氣孔。這個過程涉及干細胞的選擇、干細胞的維持和干細胞的分化等諸多發(fā)育生物學的基本

2、問題。此外，還涉及細胞命運決定、細胞極性的產(chǎn)生和維持、細胞分裂的調節(jié)(包括分裂的類型、分裂面的定位和1維持和退出、內循環(huán)的發(fā)生和終止等)。同時，氣孔發(fā)育過程受內外因素的影響，具有較大的發(fā)育靈活性。一方面對內部細胞之間的信號做出響應，在氣孔的數(shù)目和分布上遵循“至少一個細胞間隔”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)生和運動(孔的開閉)還強烈受到來自發(fā)育和外界環(huán)境信號的影響，如各種激素和外界的光照等，協(xié)調植物表皮的發(fā)育和生長的關系，以及和外部環(huán)境條件的關系。1 氣孔發(fā)育中的信號傳導網(wǎng)絡及關鍵組分在擬南芥氣孔的發(fā)育過程中，信號肽及其受體在細胞間的信號轉導中起著關鍵性作用(

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基因突變都會導致氣孔分布模式的異常，形成氣孔簇1-3.氣孔發(fā)育過程中發(fā)現(xiàn)的細胞信號轉導因子家族(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，在晚期的擬分生細胞、GMC卻早期GCs中表達，對氣

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

5、，參與調節(jié)氣孔密度10-12.MAPK(MITOGEN-ACTIVATEDPROTEINKlNfeSE)徑是進化上保守的關鍵調控模塊，參與擬南芥氣孔發(fā)育調控的MAPKt號途徑由YODA(YDAr種MAPKKinaseKinase,MAP-KKK)MKK4/5/7/9(MAPKKinase,MAPKKs)口MPK3/6(MAPKs)組成。YDA-MKK4/5-MPK3/6J號模塊對MMCS)擬分生細胞以及擬分生細胞向GMCS勺轉變起負調控作用13-15.在氣孔發(fā)育過程中bHLH?專錄因子主要分為兩類，第一類主要包括SPEECHLESS(SPCHMUT序口FAMA?3個成員16-18.SPCH在氣

6、孔發(fā)育的第一步發(fā)揮作用，是起始氣孔世系的必需基因，調控表皮原細胞的分化.SPCH除在bHL筋構域及C端和MUTEFAMAI有高度的保守性外，還有一段含93個氨基酸殘基的MAPK1標域(MAPKtargetdomain,MAPKTD)而MAPKTD調控SPCH舌性的重要功能位點，即MAPK&號級聯(lián)被TMM-E康族受體以未知機制激活后，由YDA/MAPKKKMKK4/5和MPK3/6之間通過逐級地磷酸化將定位信號介導至核內，再通過MPK3/MPK6SPCH勺MAPKTD1間的磷酸化作用，激活bHLH?專錄因子SPCH而在隨后進行表達的MUT序口FA-MA中,SPCH充當著表達的必須因子的角

7、色發(fā)揮著作用。MUTEE擬分生細胞中高表達,可使所有表皮原細胞轉換為GCs.FAMAt異性地在GMC守口未成熟GCs中表達，在氣孔發(fā)育最終階段的對稱分裂和GC戰(zhàn)運特化中起關鍵作用，較高水平的FAMAT抑制細胞分裂，迫使GMC壞經(jīng)過對稱分裂直接分化為GCs第二類bHLHH轉錄因子包括：SCREAM(SCRM)SCRM出們分別與SPCHMUT刖FAMAg成異源二聚體，共同調控氣孔發(fā)育19.2 激素對氣孔發(fā)育的調控植物發(fā)育具有可塑性，并通過激素途徑來整合環(huán)境信號。環(huán)境信號通過作用于激素的生物合成和信號傳遞，協(xié)調內部發(fā)育程序，從而控制植物的生長和發(fā)育(圖1)。目前明確報道對氣孔發(fā)育具有直接調控作用的激

8、素是油菜素甾醇(brassinosteroids,BRs)、脫落酸(ABA)、赤霉素(GAs)、乙烯(Eth)和生長素(Auxins).2.1 甾醇類與氣孔發(fā)育固醇類物質在維持細胞的整體性和細胞-細胞通訊中發(fā)揮重要作用。植物固醇類物質的前體-環(huán)木菠蘿烯醇，通過1次或2次甲基化產(chǎn)生固醇類的混合物，包括谷甾醇、豆甾醇和菜油甾醇，其中菜油甾醇是油菜素內酯(brassinolide,BL)的合成前體20.早期固醇合成相關酶類基因的突變體cy-clopropylsterolisomerase1(cpi1)、sterol14a-dem-ethylase(cyp51A2)、fackel(fk)和hydra1

9、(hyd1)表皮氣孔發(fā)育異常，推測某些尚未被識別出來的中間固醇類物質參與調節(jié)氣孔模式分布，它們可能通過結合含STAR現(xiàn)構域的HD-ZIPIH和IV轉錄因子，參與氣孔發(fā)育的調節(jié)21.植物體中固醇合成后期階段的酶類，如DWARF7(DWF7)DWF等口DWF1主要控制BR生物合成22-24,而BR信號途徑的BIN2激酶能通過對YDA?口SPCH勺作用而調節(jié)氣孔發(fā)育25-26.BRs對于氣孔發(fā)育的影響在不同器官截然不同。在子葉中，BRs對于氣孔的發(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都會形成過量的氣孔及氣孔簇。而缺乏BRs信號途徑中GL

10、YCOGENSYNTHASEKINASE3(GSK3)-酶的植物如bin2-3、bil2、bil3功能缺失突變體和過量表達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對氣孔發(fā)育起促進作用，缺乏BRs的植物如cpd、det2-1或對BRs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反應增強的植物，如過量表達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倦官中的表達和作用模式有關29.BRs主要通過GSK-3類激酶BRINSEN-SITVE2(BIN2介導的磷酸化和YDAdfe活來實現(xiàn)對氣孔發(fā)育的調控。BIN2可磷酸化MKK4MKK5也可影響MKK前MKK6勺活性28.同時BIN2也可直接與YD所口SPCHS行結合，直接控制SPCH125.2.2 生長素與氣孔發(fā)育生長素廣泛參與植物發(fā)育的調節(jié)，協(xié)調器官和細胞的分布模式。生長素信號途徑目前報道的有2種，即以AUXINBINDINGPROTEIN1(ABP1爻體的途徑和TRANSPORTINHIBITORRESIST-ANT1/AUXINSIGNALLINGF-BOX(TIR1/AFB)的信號途

12、徑。生長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參與生長素響應基因的轉錄調節(jié)。植物進化出復雜的機制來控制生長素的時空分布及動態(tài)平衡，其中活性和極性的細胞以及細胞的極性運輸尤為重要，并受PINFORMED(PIN)白和ATP-BINDINGCASSETTESUB-FAMILY(ABCB)的多個成員共同介導30-31.在氣孔發(fā)育過程中，生長素極性運輸和信號參與控制氣

13、孔干細胞的數(shù)目和前體細胞從不等分裂向均等分裂的轉換。生長素外運的阻斷，如pin多突變體(pin1,3,4,7;pin2,3,4,7等)、gnom突變體(GNOMB白介導了生長素轉運蛋白PINs膜間的運轉)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地阻斷或打破體內生長素轉運過程也會影響氣孔發(fā)育，如用BrefeldinA(BFA),一種抑制GNOMT白對生長素外運載體胞內運轉和生長素極性運輸造成影響的'化合物，能導致干細胞分布的異常聚集；而抑制生長素外運的化合物NPA也能誘發(fā)氣孔簇的形成。止匕外，生長素受體及信號途徑相關的突變體(如abp1、tir1-1afb多突變體

14、)都有氣孔表型。利用位于細胞膜上的PIN3-GFP和位于細胞核中的DR5和DII作為探針，通過timelapse技術，Le等32監(jiān)測了氣孔發(fā)育中生長素轉運及信號的動態(tài)變化，進一步揭示了生長素在決定氣孔世系干細胞命運和氣孔分布模式方面的作用。最近，Zhang等33又揭示了生長素在氣孔發(fā)育中的作用是通過MONOPTEROS(MP)/ARF5葉肉細胞中移動的多肽信號基因STOMAGEEN轉錄調節(jié)實現(xiàn)。2.3 脫落酸與氣孔發(fā)育長久以來，ABA乍為脅迫響應激素，在逆境調節(jié)下迅速調節(jié)氣孔關閉的作用得到廣泛研究34,多種植物中都有關于ABAJ口干旱脅迫影響氣孔發(fā)育的報道。在小麥(Triticumaestiv

15、umLinn.)中，葉片上氣孔的數(shù)目和鋪列細胞(pavementcell,PV)的大小在水分脅迫或者外施ABA時都下降35.在紫露草(Tradescantiareflexa)中，外源ABA弓I起氣孔和PV細胞密度的下降，而氣孔指數(shù)上升36.還有氣孔密度與葉片ABA濃度相關34,以及氣孔發(fā)育與干旱程度相關的報道37.這些有關氣孔密度對ABA或/和水分脅迫反應的差異性結果，可能與ABA處理或者干旱處理的時間有關，處理的時間不僅可能影響氣孔還影響周圍PV細胞的發(fā)育。近來Tanaka等38證實，在擬南芥中ABA不僅能調節(jié)氣孔功能，也調節(jié)氣孔發(fā)育。ABAft物合成相關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分解關鍵酶的雙突變cyp707a1、cyp707a3子葉氣孔密度極大下降，這些說明ABA是限制氣孔密度的重要因子。進一步研究發(fā)現(xiàn)，SPC悌口MUTE勺表達在ABAf目關的突變體中都發(fā)生了改變，ABA乍用于SPCHF口MUTE勺上游調節(jié)氣孔發(fā)育39.2.4 赤霉素與氣孔發(fā)育GA寸生長在低營養(yǎng)培養(yǎng)基的擬南芥幼苗胚軸的氣孔發(fā)育起關鍵調節(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變化，說明GA在胚軸和子葉中對于氣孔的發(fā)育調控影響是

17、通過不同途徑來實現(xiàn)的。而且GA缺失突變體ga1-1只在子葉中有氣孔，胚軸中沒有，其胚軸中的氣孔缺失表型可被外源GA3恢復。不過到目前為止，GA調節(jié)氣孔發(fā)育的具體位點及機理尚不明確。另外，GA勺生理功能主要通過DELLAg白來實現(xiàn)40.作為GAE應的負向調節(jié)蛋白，DEL-LA能結合多種轉錄因子，如與PIF3和PIF4結合調節(jié)胚軸在暗中的伸長41,與MYB倜節(jié)種子形成過程中a-淀粉酶的活性42.氣孔發(fā)育的3種關鍵bHLH轉錄因子(SPCH/MUTE/FAMA)否也受DELLAg白的調節(jié)，還需要進一步研究。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合的Ag2討理植株后，氣孔數(shù)目和分布模式恢復正常。同時，乙烯信號途徑中關鍵調節(jié)蛋白CONSTI-TUTIVETRIPLERESPONSE1(CTR1)43農(nóng)變體Ctrl具有類彳以外源ACO理野生型的子葉氣孔表型，且外加AVG能使其恢復正常。止匕外，短時的外源乙烯處理，能引起暗中生長的黃瓜(Cucu-missativusLinn.)下胚軸氣孔增多和異常聚集及表皮毛形態(tài)變異。乙烯處理同時改變了某些細胞的命運及細胞分裂的極性，導致氣孔簇和分支表皮毛的形成44-46.2003年，Saibo等40報道GA調節(jié)擬南芥(Arabidopsisthaliana)胚軸氣孔發(fā)育時，曾提及乙烯和IAA能協(xié)同促進GA1作用。作者認為，由于乙烯不敏感突變體etr1-1的氣孔密度與野生型類似，乙烯可能不是最重要的調節(jié)因素。但在胚軸氣孔發(fā)育過程中，IAA和GA時添加時對氣孔形成的強烈誘導作用在etr1-1中消失了，說明在野生型中GA和IAA對氣孔發(fā)育的調節(jié)需要完整的乙烯信號途徑40.3 小結BR生長素、乙烯、ABA?口1都作用