脱落酸调节植物气孔运动机制的研究进展

杨 波，田 露，王兰兰

(沈阳师范大学化学与生命科学学院，辽宁沈阳110034)

脱落酸(Abscisic acid，ABA)是一种重要的植物激素。当受到生物和非生物胁迫时，植物体内会产生一系列复杂的防御机制［1］。ABA在植物的生长过程中起重要的作用，例如抑制种子发芽和侧根生长，提高植物对病菌入侵和环境胁迫的耐受程度［2-4］。ABA在植物的整个生长发育过程中是一个“抗逆诱导因子”，对气孔运动、水分调节、光合作用、衰老及对逆境适应等生理过程都有明显的调控作用。内源ABA水平的提高和外源ABA的处理都能明显增加植物对环境胁迫的抗性［5］。

气孔本质上是气孔复合体的简称，通常是由一对哑铃形或肾形的保卫细胞以及它们之间的孔隙构成［6］。大部分植物的气孔位于叶片表面。气孔通过控制植物与外界的水分和气体交换来适应复杂多变的环境。气孔虽然很小，但是它对于植物水分利用、物质代谢、营养吸收等以及整个生态系统的调节作用不可小觑［7］。气孔是依据光合作用同化的CO2量和蒸腾失水量来调控气孔的开闭。气孔运动的方式看似简单，但蕴涵着十分复杂的生理过程，涉及保卫细胞对内外环境的感应、信号的转导、离子的跨膜运输等一系列过程。可以说，植物各种重要的生理生化活动都与气孔运动有着密切的关系［8］。

ABA在调节气孔开闭、减少水分散失方面起重要作用［9-14］。干旱胁迫、盐碱胁迫、温度胁迫等非生物胁迫增加了植物体内的ABA生物合成，也扩大了ABA在植物体内的分布范围［15］。保卫细胞膨压增加吸水膨胀和膨压降低失水收缩是导致气孔运动的直接原因。如果植物通过气孔失去的水量大于从根部摄取的水量，那么植物组织就会遭到破坏，导致细胞死亡［1］。通过对保卫细胞信号转导途径的研究表明，ABA能直接导致保卫细胞发生形态学弯曲，致使气孔关闭［16］，阻止水分散失。提高植物抗旱能力是气孔关闭的首要作用。在逆境胁迫下，ABA在植物体内的含量迅速增加，并且与受体结合，通过跨膜运输，经下游信号第二信使Ca2+、H2O2、NO等进行传递并且放大，控制气孔运动。

1 与ABA相关的植物气孔运动调节

植物气孔运动受自身遗传和外界环境因素的影响。水分、温度、光照、CO2浓度等环境因素对气孔运动有重要影响。植物将感知的外界环境信号转变为内部信号，从而控制气孔的张开与关闭。

1.1 Ca2+对气孔运动的调节 研究证明，Ca2+在保卫细胞信号转导过程中发挥着不容小视的作用。ABA能够迅速提高胞液中游离钙离子的浓度［17］，从而抑制气孔张开。ABA诱导气孔关闭可能存在2种不同的信号途径:钙离子依赖型诱导和非钙离子依赖型诱导［18］，其中依赖于Ca2+的信号转导过程是主要类型。依赖于Ca2+信号途径是指ABA与保卫细胞受体结合后，细胞质膜上的Ca2+通道被H2O2激活，由H2O2激活的Ca2+通道引起Ca2+内流及完整的保卫细胞中胞质自由钙离子浓度升高［19］，因而引发一系列反应，最终导致气孔关闭。在ABA诱导的玉米保卫细胞气孔关闭的信号转导过程中，钙离子扮演着重要的角色［20］。绝大部分的钙以结合态的形式存在于细胞内，贮存在叶粒体、线粒体、内质网、液泡等部位。它们都是细胞内的“钙库”。当细胞受到外界环境刺激时，从质外体经质膜或胞内“钙库”向胞液运输的Ca2+量增加，胞质中Ca2+浓度提高后，通过激活Ca2+调节的靶酶，Ca2+依赖的蛋白激酶(pKCa2+或CDPK)或蛋白磷酸酶，或与Ca2+受体蛋白结合，再通过激酶将Ca2+浓度变化中所蕴含的外部信息表达为生理生化过程，完成信息传递之后，Ca2+通过细胞中浓度调节又回落到静息态水平，此时Ca2+与受体蛋白分离［21］。这样通过胞质内Ca2+的浓度变化，可以把细胞外的信息传递到细胞内，调节相应的生理活动［22］。随着膜片钳技术的广泛应用与改进，一些学者已检测到植物细胞质膜内Ca2+通道活性的改变。Hamilton等［23］在大豆保卫细胞质膜上检测到通透Ca2+的单通道电流，得出ABA可增加Ca2+电流，而胞质自由钙离子浓度则抑制Ca2+电流。此外，胞内Ca2+浓度增加对电压的变化敏感，说明保卫细胞质膜上可能存在一个受细胞膜超级化和ABA调控的内流Ca2+通道。ABI1和ABI2是一类Ca2+调节的磷酸酶，通过磷酸化反应把ABA连接到Ca2+之间的信号传递。ABI1和ABI2抑制ABA对Ca2+产生影响，且具有反馈负调控作用［24］。环腺苷二磷酸核糖(Cyclic adenosine diphosphate ribose，cADPR)也参与 ABA 调控的 Ca2+运输［25］。在不依赖Ca2+的途径中，ABA可引起保卫细胞内H2O2的积累，使胞质碱化，有效地抑制质膜K+内向通道，活化K+外向通道，导致保卫细胞K+浓度降低，细胞膨压减小，气孔关闭［26-27］。ABA诱导的气孔关闭信号转导途径无论是否依赖Ca2+，都需要作用于离子通道，调节胞内离子浓度以控制气孔开闭［28］。

1.2 H2O2对气孔运动的调节 H2O2是活性氧(Reactive oxygen species，ROS)的一种，是植物中重要的第二信使之一，也是保卫细胞响应ABA的下游物质之一［29］。H2O2的来源有很多，早期的研究主要集中在烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NOX)上［23］。NOX催化氧气和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)生成超氧阴离子自由基，超氧阴离子自由基经歧化反应后形成的H2O2通过某种通道进入胞质内［7］。NADPH是NOX介导产生 H2O2的重要底物［30］。Zhang 等［26，31］在拟南芥和蚕豆表皮外源ABA处理的试验中，首次证明了ABA可以诱导气孔保卫细胞中合成H2O2。NADPH氧化酶是调节H2O2产生的关键酶。ABA通过激活丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶OST1诱导H2O2的合成，拟南芥AtOST1基因突变体经ABA的处理后不产生H2O2且气孔不关闭，但是外源H2O2能够诱导突变体的气孔关闭［32］。Bright等［33］研究发现，在拟南芥中 ABA 诱导的气孔关闭依赖于H2O2的合成。韩燕等［34］研究表明，渗透胁迫及外源ABA处理既能促进保卫细胞内源H2O2的形成，又能诱导气孔关闭。安国勇等［35］证明，不同浓度的H2O2可抑制蚕豆叶片气孔张开，10 mmol/L H2O2最有效，10 μmol/L仍使气孔关闭，其机制是H2O2抑制保卫细胞质膜内向K+通道，激活外向K+通道，使K+外流引起保卫细胞渗透压的降低，导致气孔关闭。

1.3 NO对气孔运动的调节 信号分子NO在植物发育、生长、衰老、细胞程序性死亡、抗病及对逆境胁迫等不同形式的应答中有很大的作用［36］。NO参与ABA诱导植物气孔关闭的过程。NO是植物体内普遍存在的一种内源物质，在细胞内和细胞间的信息传递方面起重要作用［37］。一些学者的研究结果证实，ABA可诱导保卫细胞中NO含量的增加。蚕豆、豌豆、拟南芥的保卫细胞和其他表皮细胞中的NO在ABA诱导下迅速合成［33-38］，且NO的生物合成是ABA诱导气孔关闭所必需的。NO可能通过激活质膜上的Cl-通道、抑制质膜K+内流通道和调节保卫细胞丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase，MAPK)的活性参与ABA的气孔运动调节机制［39-42］。外源NO和ABA诱导杨树离体叶片气孔关闭时具有剂量效应。NO能加强ABA诱导气孔关闭的作用。NO清除剂(c-PTIO)能极大程度地减弱NO和ABA 对气孔关闭的诱导作用［43］。Li等［44］试验表明，NO 也可以抑制油菜等植物叶片气孔张开，使气孔开度减小。Neill等［39］认为，ABA和NO诱导的气孔关闭需要cADPR和环磷酸鸟苷(Cyclic guanosine monophosphate，cGMP)的合成。Desikan等［42］研究表明，NO以依赖cADPR的方式促使胞内钙库释放Ca2+，因而实现气孔关闭。

2 展望

脱落酸作为作物体内的一种重要激素，在提高作物抗逆性的同时还能够提高作物的产量和品质等。利用ABA调节作物的抗逆性将是农业抗灾、减灾研究的重要方向之一［45］。经过多年研究，各国学者对ABA这个重要的植物激素已有较深入的了解。植物在进化过程中形成了一种比较完善的适应不良环境的机制。外界逆境条件能触发不同的信号转导途径。植物传递ABA各信号途径之间是怎样相互协调，从而使细胞快速产生生理反应，仍亟待解决。另外，关于ABA诱导气孔运动的研究大多数通过外源ABA。这并不能非常确切地模拟内源ABA的作用，与内源ABA相比存在一定的差异。植物细胞生命活动的重要过程之一是细胞的信号转导，但是对ABA信号转导的具体作用机制等尚不十分明确。

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