植物感夜运动及其机制的研究进展

赵露露，王云霞，薛琼琼，赵 猛

(山西师范大学生命科学学院，山西 临汾 041004)

虽然自然界中绝大多数植物扎根于土壤不能灵活移动，但研究发现在植物体中存在有运动现象[1]。其中运动方向与外界刺激无关的运动称为感性运动，通常发生在花[2]、树枝[3-4]和叶片[5]中。发生在叶片的感性运动，根据其发生机制可分为两种类型：一是由于叶柄的差异生长引起的生长性运动，主要与细胞伸长或分裂有关[6]；另一种则是由叶枕运动细胞的膨压变化引起的膨压运动[7]，如植物的感夜运动。植物的感夜运动是指植物叶片或小叶的昼夜节律性运动，如含羞草(MimosapudicaL.)、雨树(Samaneasaman)、合欢(AlbiziajulibrissinDurazz.)等豆科植物叶片或小叶存在白天张开，晚上闭合的现象。感夜运动在植株的生长发育过程中具有重要作用，例如叶枕可以通过调节叶片位置，实现对光合作用的干预，从而参与植物适应环境的过程[8]。本文重点讨论了感夜运动的特点及其在解剖学、光信号、转运蛋白、化学因子等方面的研究进展，旨在为之后的相关研究提供参考依据。

1 植物的感夜运动

植物的节律周期往往可以用来研究感夜运动。在自然条件下，植物节律周期往往并不限定于24 h，而是取决于物种、温度和光照条件的影响[9-10]。现有研究表明具有感夜运动的植物均通过叶枕完成昼夜节律运动，含羞草因其特有的叶枕结构及其能够进行快速运动的特点，是进行感夜性研究的首选植物。含羞草具有三种类型的叶枕：一级叶枕位于羽状复叶叶柄和主茎的连接处的膨大部位；二级叶枕位于复叶叶柄和小叶轴的交接处；三级叶枕位于小叶和小叶轴的交接处[11]。

含羞草的叶枕体积较小，为组织水平研究增加了不小的难度，而雨树的叶枕体积相对较大，能够更加明晰地展现其运动机制。雨树的叶片和小叶片白昼展开，夜晚闭合[12]。白天叶片或者小叶处于水平位置，能够最大限度的捕捉光线，促进植物的光合作用。傍晚成对叶片合拢能够减少暴露于空气中的叶面积，进而降低因过度蒸腾而造成的水分流失，这对植物体维持正常的生理功能有重要作用。夜晚植物叶片趋近于垂直，既有助于露水从叶子表面脱落，也有利于植物免遭食草动物的吞食[13]。

2 叶枕的显微结构与超微结构

2.1 叶枕的形态及显微结构

感夜性“nyctinasty”源于希腊语中的“nastos”，本意是“紧凑、压缩”[14]。解剖结果表明几乎所有的叶枕都有表皮、皮层、维管组织以及一个缩小的髓[15]。以含羞草二级叶枕为例，在受到刺激时复叶叶柄下垂，显微结构上呈现远轴侧皮层细胞收缩而近轴侧膨胀，远轴侧皮层细胞正是“紧凑”的结构[16]。

在叶片或小叶运动过程中改变形状或大小的细胞称为运动细胞，根据其功能可以分为伸肌运动细胞和屈肌运动细胞[9]。其中伸肌细胞在小叶张开时膨胀，闭合时收缩；而屈肌细胞则相反。同一位置的细胞根据叶枕运动方向不同命名也不同，一级叶枕和二级叶枕的运动方向向下，伸肌组织位于其远轴侧；三级叶枕的响应是小叶向上运动，伸肌组织位于其近轴侧，屈肌组织则位于相对的方向[17]。Mayer等[18-19]早前研究发现含羞草运动细胞的膨压变化可以在长度上改变，而周长几乎不发生变化。

除此以外，叶枕与叶柄相比有着完全不同的结构特点。以含羞草的一级叶枕为例，茎部的三个分散的维管组织在叶枕处汇集成了一个居中型的维管组织，周围由许多皮层薄壁细胞组成。而叶枕向叶柄过渡区维管组织又开始分散，直到形成叶柄分散的维管结构，周围仅有三或四层的薄壁细胞[11]，由此可见，叶枕中的小直径的维管组织是叶片运动时具有更大灵活性的结构基础。

2.2 叶枕的超微结构

已有的研究表明，维管系统在离子的再分布和刺激的传递中起着重要的作用[20-21]。而对含羞草维管组织的超微结构研究发现，韧皮部外侧由厚角组织包围，伴胞在其与筛管相邻的壁上具有壁内突的特点[22]，随后Rodrigues等[23]在9种巴西豆科植物中发现，其韧皮部外侧由隔膜纤维包围，相同的是，厚角组织和隔膜纤维都具有原生质体，这种活细胞鞘会通过大量的胞间连丝连接皮层和维管组织。同时他们还发现这9种植物的维管组织中，韧皮部缺乏纤维和石细胞，木质部导管周围被未木质化的纤维所包围。因此胞间连丝的广泛存在，质外体障碍的缺失和木质化的缺乏表明了从表皮到维管组织共质体途径和质外体途径的连续性[24]。叶枕特有的连续性增加了皮层和维管组织之间离子和刺激的横向交换，从而引发叶片运动。

在叶片运动过程中，伸肌组织对振幅的贡献更大[25-26]，Mayer[27]在研究中发现伸肌组织的K+通量大于屈肌组织，即离子并不是完全由屈肌组织迁移至伸肌组织。维管组织外层的厚角组织细胞与运动细胞相互作用，其增厚的细胞壁可作为离子储存的质外体库，且质外体途径也是离子迁移的主要途径[28]。

当刺激的传导发生在维管组织时，这种刺激会引发运动细胞的体积变化。在电镜下观察运动细胞，发现在细胞膨胀时具有中央大液泡，而体积缩小时则变成多个小液泡，即运动细胞的体积变化与液泡的可逆重组有关[29-31]。除液泡变化外，运动细胞的细胞质浓稠，含有大量的叶绿体、核糖体、多聚体、内质网以及发达的线粒体[32]。且叶绿素荧光分析表明，运动细胞中叶绿体具有光合电子传递和非光化学荧光猝灭的能力，意味着它们在光下建立了跨类囊体膜质子梯度，可以进一步响应光照刺激[33]。

3 植物感夜运动的机理

3.1 光信号与叶片运动

3.1.1 叶片运动的调节因素

叶枕运动细胞的膜透性受光和生物钟的调节。早在1729年de Mairan的实验就揭示了感夜植物的叶片运动受内源性调节和明暗周期调节[34]。之后，Satter等[35]对16 h / 8 h明暗周期生长的雨树进行持续黑暗处理，发现在黑暗期的7～8 h小叶逐渐开始开放，保持开放10～12 h后开始闭合，但开放期间打开的角度只有白光下的一半[36]。Moshelion等[37]发现雨树在持续黑暗的条件下处理4 d时，仍然维持着其开放与闭合的节律性。将其处于明暗周期颠倒的条件下时，叶片的开放闭合周期在2～3 d内调整至新光照条件，由此可见光处理和生物钟共同驱动叶片运动。

3.1.2 光质对叶片运动的影响

光敏色素是叶枕响应外界刺激的光感受器[38]。它是一种色素蛋白，主要以两种形式存在：红光吸收型(Pr)和远红光吸收型(Pfr)。但只有Pfr有生理活性，通过短暂的红光或远红光处理，其构象发生可逆的改变[39]。红光照射下使Pfr水平升高，对植物红光处理的效应可被远红光完全逆转。黑暗中的红光会诱导雨树屈肌细胞K+内流通道开放，随后的远红光则会将其关闭[40]。早在1974年Satter等[35]就通过雨树叶枕横切面的微探针实验发现了光处理会导致K+的分布差异，后来Moysset等[41]对刺槐进行免疫学实验发现光敏色素特异性定位于运动细胞。

在可见光中，除红光和远红光能诱导叶片运动外，白光和蓝光也参与对叶片运动的调节。给予黑暗时期的雨树白光和蓝光照射，其小叶会过早的打开[42]。Mayer等[43]发现菜豆在白光下的反应与雨树类似，其伸肌原生质体在白光下膨胀，在黑暗中收缩。但两种植物对蓝光的响应不同，在雨树中，蓝光通过诱导伸肌细胞K+内流通道和屈肌细胞K+外流通道活性增加，从而促使小叶开放[4044]。对菜豆进行蓝光照射会使受照射一侧的运动细胞收缩，从而导致叶枕向光弯曲，这与伸肌和屈肌的划分无关。于此相一致的是，蓝光也会引起离体的菜豆叶枕原生质体收缩，而不区分伸肌细胞和屈肌细胞，但蓝光响应的前提条件是需要Pfr的存在，即红光的预照射[45]。

Serrano[46]的研究表明，植物细胞中质膜H+-ATPase的活性可以调节K+通量。之后，Inoue等[47]在叶片运动中发现蓝光诱导的反应也需要H+-ATPase的活性。在雨树屈肌原生质体的膜片钳实验中，蓝光可能使H+-ATPase失活从而导致屈肌细胞去极化，施加H+-ATPase抑制剂后，给予蓝光刺激而膜电位无变化[44]。随后Okazaki[48]在菜豆叶枕原生质体中进一步证明，蓝光通过使H+-ATPase失活从而抑制了ATP酶的水解，即H+-ATPase的失活支持了蓝光照射引起的膜去极化。H+-ATPase在雨树叶枕质膜中的活性，是通过伸肌和屈肌组织介质在光刺激下酸化的间接变化测定的。它在促进组织中K+增加的条件下会酸化其介质，在导致K+降低的条件下将其碱化。蓝光酸化伸肌细胞的质外体，与H+-ATPase的激活相一致[49]。因此，不同波长的光对叶片运动具有不同的效果。

3.1.3 光刺激对植物生物钟的影响

在自然条件下，黎明和黄昏时的明暗转换可引发植物生物钟重置，扰动可能导致相位提前或延迟[50]。Moysset等[42]发现在光照时期，给予红光脉冲，随后是黑暗处理则会导致叶片过早的闭合。红光脉冲可以改变节律相位，后续的远红光可以逆转这种相位移动，这表明光敏色素是雨树改变节律相位的光感受器[51]。同时，蓝光也可以改变节律相位，但蓝光诱导的叶枕节律相移不如红光有效，不仅需要更长时间的脉冲，而且改变的幅度较小[52]。总的来说，光刺激的影响反映在叶片运动的周期、振幅和相位上。

3.2 叶片运动的相关离子通道研究

叶枕运动细胞的膨胀和收缩与保卫细胞在气孔开闭过程中发生的变化类似[53]。Moran等[54]在雨树运动细胞原生质体中发现了去极化激活的K+通道，使用K+通道抑制剂阻断了通道的开放并且减少了离体小叶的运动，这些结果证明了K+是影响细胞体积变化的主要溶质[55]。随后Moshelion等[37]在雨树叶枕的伸肌或屈肌组织中发现了三个离子通道涉及小叶的关闭，即SPICK1、SPICK2以及SPORK1，进一步研究发现，SPICK2通道蛋白可以被磷酸化，从而影响原位K+内流通道的活性[56]。最近Oikawa等[57]在雨树中又发现了Shaker家族的新基因，即SPICK3、SPICK4、SPORK2、SPORK3和SPORK4，但这些基因中只有SPORK2被证实是雨树运动细胞中的功能性K+通道[58]。

除K+参与叶片运动外，在雨树小叶的运动过程中还发现了Cl-随K+而移动，但离子通量比例并不恰好是1:1，这意味着还有其他的阴离子参与电荷平衡[59]，随后Mayer等[60]在菜豆叶枕中还发现了苹果酸也参与运动细胞渗透压的构成。随着膜片钳技术的问世，在雨树叶枕运动细胞中观察到SsSLAH1和SsSLAH3两个S型阴离子通道参与叶片感夜运动，其中SsSLAH1仅在屈肌运动细胞中表达，并且通过SsSLAH3-SsSLAH1共表达来触发Cl-外排以引起膜去极化[57]。

3.3 水通道蛋白

宏观上来看，叶片运动依赖于水力学。水分子进出细胞会增加或减少细胞的内部压力，从而导致细胞形状和体积的改变[61]。运动细胞中离子的重新分布使水迅速地通过水通道蛋白[62-63]，而Moshelion等[64]在对雨树水通道蛋白的研究中发现，SsAQP1和SsAQP2分别代表着两个亚家族PIP1和PIP2，并且表达SsAQP2的卵母细胞的水通透性(Pf)是表达SsAQP1的卵母细胞的10倍，同时SsAQP2的转录还受昼夜节律控制。除此之外，雨树运动细胞原生质体的Pf也受昼夜调节，这些结果表明了SsAQP2参与叶枕节律性细胞体积的变化。

除雨树外，学者们对含羞草的水通道蛋白也进行了研究。首先从含羞草的cDNA文库中分离出了编码水通道蛋白PIP1；1和PIP2；1的cDNA，随后在非洲爪蟾的卵母细胞中进行表达。虽然异源表达系统分析表明单独的MpPIP1；1没有活性，但它仍可以促进MpPIP2；1的水通道活性。尽管如此，目前并没有证据表明它们与叶枕的节律性有关[65]。另外含羞草和其他感夜植物不同的是，含羞草成熟的叶枕还响应机械刺激，其液泡膜上的水通道蛋白TIPs也参与了含羞草叶片的快速运动[66]，这也是目前叶枕中唯一确定的液泡膜转运蛋白。

3.4 叶枕缺陷突变体研究

就叶枕的功能而言，学者们通过对叶枕缺陷突变体的研究，寻找叶枕组织与感夜运动两者之间的关系。这些突变体缺乏叶枕，在叶片或小叶基部仅能形成叶柄状结构。Kawaguchi等[67]通过对百脉根(Lotusjaponicus)的野生型个体和叶枕缺陷型突变个体的叶枕细胞进行研究发现，一方面突变体的表皮细胞与野生型相比较大，另一方面突变体皮层细胞的细胞间隙较大，而野生型细胞间隙较小甚至没有，突变体膨压的压力变化在细胞间隙被削弱，导致无法引发叶片运动。此外，基因方面的研究发现蒺藜苜蓿(Madicagotruncatula)突变体是因为petiolule-likepulvinus(plp) /elon-gatedpetiolule1-1 (elp1-1) 功能的丧失而形成的[68]。将ELP1进行异位表达发现，植株叶柄缩短，同时表皮细胞还呈现出叶枕表皮的特点，即叶柄特化为叶枕[69]。

3.5 影响叶片运动的其它物质

3.5.1 蔗糖与叶片运动

蔗糖是高等植物中的主要渗透物质，科学家们就蔗糖是否参与运动细胞膨压变化有着不同的观点。Fromm等[17]通过显微放射自显影的实验发现，含羞草在受到刺激时，蔗糖从韧皮部卸载到伸肌细胞的质外体中，从而引起伸肌细胞膨压降低。因此他们认为韧皮部的蔗糖转运与叶片运动有关。另一方面蔗糖还作为碳水化合物对补给叶片的节律运动起着关键作用，将离体的雨树叶枕放在水中处理时，不显示节律变化，而在蔗糖中处理时则显示受红光和远红光节律控制[51]。Satter等[70]发现在合欢小叶开闭的每个周期内，给予其充足的红光照射与蔗糖补给，即使在长时间的黑暗条件中，节律变化也不会衰减；而在蔗糖匮乏的情况下，2～3 d后节律消失，并且不再受红光和远红光节律的控制。这些结果表明蔗糖可能是与光敏色素的Pfr相互作用，从而促进叶片节律运动。之后的研究发现光敏色素控制了蔗糖在皮层运动细胞中的分布，在红光和远红光照射后，伸肌和屈肌原生质体的蔗糖分布不同[71]，这些结果似乎排除了蔗糖作为渗透剂的可能性。这与Eschrich的实验结果并不一致[17]，可能是因为蔗糖只作为含羞草感震运动的渗透剂，而与感夜运动无关。

3.5.2 内源性化学因子与叶片运动

除离子迁移导致叶片运动外，感夜运动还受视植物种类而异的内源性化学因子调节[72]，它包括两种类型的生物活性物质，即叶片开放因子和叶片闭合因子[73]。生物钟通过调控β-葡萄糖苷酶的活性，从而调节叶片开放因子和叶片闭合因子的浓度平衡[74]。Ueda等[75]使用荧光标记方法发现这两种化学因子都与伸肌细胞特异性结合，即伸肌细胞的体积变化是叶片运动的触发因素，这与Millet的结果相一致[25]。此外，Nakamura等[76]更进一步的研究发现，叶片开放因子是通过与运动细胞细胞质中的靶蛋白结合，从而导致细胞体积膨胀，进而调节叶片打开的过程。这项研究从分子水平上揭示了感夜叶片运动机制的可能性，但生物钟调控酶活性的方式尚待研究。

4 展望

植物感夜运动是一个极其复杂的过程，由外界刺激和内部机理的共同调节而完成。目前对植物感夜运动的研究主要集中在解剖学、光照引起的叶片振幅、相位、周期变化以及分子机制等方面，但是对于完整的调节感夜运动的离子通道及分子机制在很大程度上是未知的。同时光信号及生物钟与转运蛋白的联系，化学因子与膨压变化的关系尚未明晰，这些问题都有待进一步的解决。