（植物学专业论文）气孔保卫细胞壁弹性模量ε与ph的关系.pdf

摘要 气孔运动控制游调绿色植物的蒸腾和光合两个基本过程，是植物生命运动的重要组成部分 对作物抗逆性及产量形成等过程有重要影响。 组成气孔的保卫细胞通过改变自身体积来调控气孔的开启和关闭。在保卫细胞的体积变化 中，保卫细胞壁的弹性模量起着重要的作用。在相同的细胞水势变化下。弹性模量小的保卫细胞 可产生较大的体积变化，弹性模量大的细胞则不易产生体积变化。而弹性模量义与细胞壁的p i t 有关。在气孔运动中，保卫细胞壁的p h 值和弹性模量有着怎样的关系，它在保卫细胞的体积变 化中起着怎样的作爿j ，目前尚无研究。 本实验以蚕豆为实验材料，运用细胞压力探针技术在不同p h 值下对单个保卫细胞的弹性模 量进行了直接测定，发现：( i ) 保卫细胞壁在相同p h ( 4 5 0 ) 下随着气孔开度的增加( 5 5 5 9 i n 增加到1 5 2 0 p r o ) ，弹性模量发生了相同趋势的变化( 2 0 9 5 b a r 增加到8 7 7 8 b a r ) 。( 2 ) 相似的气 孔开度( 8 4 3 1 a m 与9 7 6 9 m ) 下随着保卫细胞壁的酸化( p h 8 6 0 到p h 6 5 0 ) ，弹性模量有明显的 下降( 从7 0 9 8 b a r 下降为5 6 9 0 b a r ) 。 在气孔运动中，一方面通过调节保卫细胞渗透势改变膨压来使保卫细胞体积发生改变，一方 面通过调节保卫细胞壁p l i 值改变保卫细胞壁的弹性模量来加强渗透势的作用效果，比单一调节 渗透势更容易使保卫细胞产生体积变化。这是一条既能有效节约能量又使气孔的渗透调节机制简 化且更加可靠的途径。从保卫细胞通过调控细胞壁p h 值改变细胞壁弹性模量的角度来分析气孔 运动机理，对于完善气孔运动机理假说，进而深刻理解气孔的运动，具有重要的意义。 关键词：细胞压力探针，弹性模量，保卫细胞壁p h ，气孔运动 中凰农业犬学硕士学 豇论文 a b s t r a c t 晕搴嘲麓舅暑曼曼曼曼曼巴皇鼎燃皇曼曼置曼邕鳓糟笪! 曼曼曼曼皇皇舞燃囊箩葛喇螂蔓皇曼曼! 蔓蔓量葛e 燃l 摹鼍置葛尊! 燃 a b s t r a c t s t o m a t aw e r ei m p o r t a n tt ol a n dp l a n t s o p e n i n ga n dc l o s i n go fs t o m a t a lp o r e ss e r v e dt h ev i t a l p h y s i o l o g i c a lf u n c t i o ni np l a n t sl i f e ，w h i c hi nt u r na f f e c t e dp h o t o s y n t h e s i s , t r a n s p i r a t i o na n dr e s p i r a t i o n a s w e l l o p e n i n ga n dc l o s i n go fs t o m a t a lp o r e si sm e d i a t e db yv o l u m ec h a n g e si ng u a r dc e l l s g u a r dc e l lw a l l s v o l u m e t r i ce l a s t i cm o d u l u si sv e r yi m p o r t a n ti nt h ep r o c e s so f g u a r dc e l l sv o l u m ec h a n g e i nt h es a r n e w a t e rp o t e n t i a ls t a t u s ，t h es m a l lv o l u m e t r i ce l a s t i cm o d u l u sc a nm a k eb i gv o l u m ec h a n g e , a n db i g v o l u m e t r i ce l a s t i cm o d u l u sc a nm a k es m a l lv o l u m ec h a n g e m o r e o v e r , v o l u m e t r i ce l a s t i cm o d u l u sh a v e r e l a t i o n s h i pw i t ht h eg u a r dc e l lw a i lp h u pt on o w , w eh a v ek n o wl i t t l ea b o u tt h er e l a t i o n s h i po f p hi n g u a r dc e l lw a l la n dv o l u m e t r i ce l a s t i cm o d u l u sa n dt h er e l a t i o n s h i p se f f e c t i ng u a r de e l lv o l m r i e c h a n g e w eu s e dt om e a s u r ee l a s t i cm o d u l u sa td i f f e r e n tp hi ns i n g l eh c l a f a b al ，sg u a r dc e l l ，a n dw ef o u n d ( 1 ) a t t h es a m e p h ( 4 5 0 ) i n g u a r d c e l l w a l l ，w i t h t h e i n c r e a s e o fs t o m a t a l p o r e ( 5 5 5 p m t 0 1 5 2 0 p r o ) t h e e l a s t i cm o d u l u si n c r e a s e da l s o ( 2 0 9 5 b a rt o8 7 7 8 b a r ) ( 2 ) a tt h es a m es t o m a t a lp o r e ( 8 4 3 p ma n d 9 。7 6 9 m ) 。w i t ht h ed e c r e a s eo fg u a r dc e l lw a l l sp ht h ee l a s t i cm o u l u sd e c r e a s e da l s o ( 7 0 、9 8 b a rt o 5 6 9 0 b a r ) i ns t o m a t a lm o v e m e n t ，o nt h ee r i eh a n dg u a r dc e l lc h a n g et u r g o tb yr e g u l a t eg u a r dc e l l so s m o t i c p o t e n t i a l ，o nt h eo t h e rh a n dc h a n g ee l a s t i cm o d u l u sb yr e g u l a t eg u a r dc e l lw a l lp h * i ti s e a s i e rt h a n r e g u l a t eo s m o t i cp o t e n t i a lo n l y | 。c h a n g eg u a r dc e l l sv o l u m e ，t h i sm o d e ld e s c r i b e d8p o s s i b l l i t yf o r p l a n t st os a v es i g n i f i c a n te n e r g y f r o mr e g u l a t i n gg u a r dc e l lw a l lp h t oc h a n g ee l a s t i cm o d u l u si sv e r y i m p o r t a n tf o rm e t ok n o wt h es t o m a t a lm o v e m e n t k e y w o r d s ：c e l lp r e s s u r ep r o b e ，e l a s t i cm o d u l u s ，g u a r dc e l lw a l lp h ，s t o m a t a lm o v e m e n t h 独创性声明 y 3 j f 2 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一间工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 一硌春了萄毒殳 慨。囊c 漭拥足日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用刁i 同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全都或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：乒磁 时问：如e ，年月f 巴目 导师签名 时间：殳o p 年月乙日 中国农业火学硕士学何睑文 文献综述 1 1 气孔运动机理研究 第一章文献综述 气孔普遍存在于植物叶、茎的表面，一般由两个保卫细胞组成，在有些植物中还围绕着副 卫细胞形成气孔复合体( s t o m a t a c o m p l e x ) 。保卫细胞与表皮细胞相比，体积较小，具有独特的胞 壁结构。近年来细胞感应和信号转导日益引起了越来越多的关注，保卫细胞也相应地成为种研 究信号感受利传递的模式植物。保卫细胞可将外部和内部信号综合为一个合适的气孔歼度，该丌 度不会使c 0 2 内流受限而使植物饥饿，也不会使水分丢失过多而使植物脱水。保细胞通过改变 自身膨压，调悼气孔升关，控制植物体与外界环境的水份利气体交换，即调节光合作用和蒸腾作 用( j o n e shg ，1 9 9 8 ；m e i d n e rh ，1 9 9 6 ；t a l l m a ng ，1 9 9 2 ；z e r g e re ，1 9 8 7 ，2 0 0 2 ) 。另外，气孔运动 与植物时器官的牛氏发育及作物的产量形成密切相关( - e 学带，1 9 9 6 ；s c h r o e d e rjl ，e la l ，2 0 0 1 ) 。 州此，韧f 究气孔运动机理，对于深入探讨植物与环境的相互作用细胞信号转导都具有重要的理论 和现史意义。 1 11 气孔的分布与结构 气f l 普遍存在j i 植物的| 片表皮上，有些植物的花瓣、萼片、以及苹果、葡萄等发育的果 实表面和马铃薯块茎- l 堵日有气孔存在。多数植物的叶片f 表皮1 ：的气孔多于上表皮。一般禾本科 植物叶片的二、f 表皮都有气孔。一些浮水植物( 如莲) 的气孔仅存在r 叶片的r 袭皮。 气孔保细胞分为两种类型：一类是肾型，另类为哑铃型( p a l e v i t z ba1 9 8 1 ) 。肾型气孔 保卫细胞是由一对肾型的保u 细胞并列形成椭劂的外形，中间是通气的+ 4 l 。存在j 大部分双了 叶植物以及许多单子叶械物、苔藓类植物、蕨类植物和裸子植物中。哑铃型气孔保卫细胞是由一 对并列的呈师铃状的保卫细胞组成，两个哑铃把之间的缝隙即是通气+ 4 l 。在许多荦：本植物和某 些单了| 梢物( 如棕榈) 中，两个保细胞外侧各有个分化完全的表皮绌胞称为副卫细胞( 帮 助保卫细胞控制气孔) 。( 阁1 ) 中国农业大学硕士学位论文 文献综述 i i i i f i g u r e1 1 d u m b b e l l - s h a p e ds t o m ao f f i c et y p i c a lo f t h eg r a s s e s ( i 瞳) a n dt h ek k h l e y s h 印e dm o m at y p i c a lo f o t h e r s p e c i e ss u c h a r a b i d o p s i sa n d c o m m e l i n a 们g h t ) ( h e m e f i n g t o n lam w o o d w a r d f 1 。2 0 0 3 ) 图11 禾本科植物( 水稻) 的哑铃形气孔( 左图) 和拟南芥、鸭跖草等檀物的肾形气孔( 右围) ( h e t h e r i n g t o n l a m w o o d w a r d fl 2 0 0 3 ) 与其它细胞相比，保卫细胞具有特殊的细胞结构( r a s c h k ek ，d i c k e m o nm 1 9 7 3 ) 。首先，保 卫细胞的胞壁有不均等的加厚现象，且有相当的弹性。哑铃形保卫细胞两端膨大部分壁薄，中间 壁厚；而肾形保卫细胞外壁薄，内壁( 靠近气孔口侧) 厚。保卫细胞吸水膨胀时，胞壁受到纲胞 内部与胞壁垂直的指向外部的压力。在此压力作用下其内外壁沿纵轴方向伸展呈现差异，较薄的 外壁伸艮铰多，其表面积显著增大，同时加厚的内壁的纵向伸展受到严重限制，沿保卫细胞纵轴 方向伸展的差异使整个气孔器有开放的趋势。保卫细胞吸水膨胀时将两个保卫细胞从中间推开， 气孔开放。其次。成熟的保卫细胞与副卫细胞及临近的细胞间没有胞问连丝。细胞间代谢物的出 入必须经细胞壁才能间接发生，保卫细胞的相对独立更有利于其渗透势的调节( 曹仪植1 9 9 8 ：千 忠，2 0 0 0 ；武维华2 0 0 3 ；a y l o rd e 1 9 7 3 ；c o w a ni r 。1 9 7 7 ；r a s c h k ek 1 9 7 9 ；s h a r p epj h 1 9 8 7 ) 。 1 1 2 气孔运动的调控因素 气孔运动的调控涉及许多内部和外部的调控因素。研究表明，气孔运动有一种内生昼夜节律 ( e n d o g e n o u sc i r c a d i a nr h y t h m s ) ，即使置于连续光照或黑暗下，气孔仍会按一天的昼夜节奏 交替开闭，此节律可维持数天其机制尚需进一步研究。此外，许多外部因子可参与气孔运动的 调节，凡影响保卫细胞膨压状态的因素都会影响气孔运动。 1 1 2 1 光照 在无水分胁迫的自然环境中，光是摄主要的控制气孔运动的环境信号。气孔对光的反应是两 个不同系统的综合效果。个依赖丁保卫细胞的光合作用另一个是被蓝光所推动( a s s m a n ns m ， s h i m a z a k ik 1 9 9 9 ) 。 光合作用假说认为，白光刺激气孔张开，可能是由于保卫细胞的叶绿体进行光合作用，光合 作用的产物调节保卫细胞的渗透压，从而使保卫细胞吸水膨胀，气孔开放( w i l l m e r c m 1 9 8 3 ) 。 但是随着研究的进展发现。( 1 ) 气孔能够在空气中缺少c 0 2 的情况下和在短促蓝光诱导后。即便在 暗处间样能够开放。( 2 ) 有些植物( 兜兰，p a o lp h i o p e d i h u m ) ，保卫细胞中没有叶绿体。( 3 ) 用 光合电子传递的抑制剂二氯苯基二甲脲( d c m u ) 处理叶片，发现气孔对白光的开放反应被部分抑 制。这表明保卫细胞的叶绿体的光合作用参与了依赖于光的气孔开放。但是对光合作朋的抑制并 不能完全抑制气孔的开放，说明有非光合作用的组分参与了气孔对光的反应( z e i g e re ，l i n om ， s h i m a z a k ik i e f a 1 9 8 7 ；s h a r k e yt d & o g a w a t1 9 8 7 ) 。 植物中还可能存在一个蓝光激发的参与气孔开放的的控制系统( t a l b o t tl d ，z e i g e re 1 9 9 8 ) ，玉米黄素有可能是蓝光的受体( 二硫苏糖醇i y r t 可以还原二硫键因而抑制紫黄素的去氧环 化生成玉米黄素，) i t 也同时抑制蓝光刺激气孔张开的反应但删由红光诱导的气孔张开反应 没有影响) ，在叶绿体中的玉米黄素接受蓝光信号并发生变构，然后通过活化叶绿体膜上的( 依赖 钙离子的a t p 酶) c a 2 + - a t p a s e ，吸收细胞质中的钙使钙活度降低，细胞质钙活度降低又激活质膜的 l - i + - a t p a s e ，改变细胞的溶质势，引起气孔运动。还有可能其它的信号传导途径参与此过程，蟹 2 中国农业大学硕士学位论文文献综述 白激酶、i p 3 以及钙调素等都与蓝光激发的气孔张开有关。 2 1 1 2 c 0 2 束1 激 c 0 2 对气孔的开闭影响很大。低浓度c 0 2 可导致大多数植物气孔开张。即使在黑暗条件下， _ l j 无c 0 2 的空气处理叶片同样会引起气孔开放。如气孔完全关闭则用无c o ：的空气处理无法使气 孔张开，说明对气孔运动起作用的是气孔下空间的c 0 2 浓度，而非叶面的c 0 2 浓度。高浓度c 0 2 能 使气孔迅速( 部分) 关闭，其原因可能是c 0 2 浓度增加引起细胞内酸化，影响跨膜质子浓度差的 建立，导致k + 泄漏，气孔关闭。也可能是由于叶组织的c 0 2 浓度引起了保卫细胞内p h 变化，p h 升高引起淀粉水解酶活性加强，淀粉水解转化为葡萄糖，保卫细胞水势降低，向周围细胞吸水，膨 胀，气孔张开。其他外界因素如温度等也可能通过影响叶内c 0 2 浓度从而问接影响气孔运动。 1 1 2 3 温度 气孔开度一般随温度增高而增大。在3 0 ( 2 左右气孔开度最_ 大，但高温( 3 0 3 5 c ) 会导致气 孔关闭，低温下氏时间光照也不能使气孔张开。温度对气孔开度的作用可能通过影响呼吸作用、 光合作用及水分散失速率，进而影响叶内c 0 2 浓度。 1 1 2 4 水分 气孔运动与保卫细胞嘭压密切相关，而膨压变化是由水分进出保卫细胞引起的。因此叶片的 水分状况对气孔开张有着强烈的控制作用( c o c h a r dh ，2 0 0 2 ，g l i n k az ，1 9 7 1 ；m a c r o b b i ee a c ， 1 9 8 0 ；n o n a m ih e ta 1 ，1 9 9 0 ：r a s c h k e k e t a l ，1 9 7 3 ) ，当叶水势升高时，气孔开度减小或关闭。 缺水对气孔开度影响尤为显著，当白天蒸腾强烈保卫细胞失水过多即使在光照下气孔也会保持 关闭。久雨天气，叶片被水饱和，表皮细胞含水量高，体积增大，挤压保卫细胞，引起气孔关闭， 即使在白天气孔也不能开放。 1 1 2 5 植物激素 a b a ：水分胁迫下，叶片a b a 含量升高，可有效的抑制气孔开n ( z h a n gs q 2 0 0 1 ) 。 i a a ，n a a ：生长素调节气孔运动与植物的种类、生长素的类型和浓度有关。一般而言，生 长索增加胞内c a 2 + 和降低胞内p h ，并导致气孔开放( i r v i n g h r e t a l ，1 9 9 2 ) 。生长素刺激气孔 开放与质膜 r - a t p 酶有关。 1 1 2 6 活性氧 在干早、水淹、冷害等胁迫条件下，可使植物体内活性氧的含量增加。不同浓度的h 2 0 2 可使 蚕豆叶片气孔关闭，抑制气孔张开，这主要是通过抑制k + 通过保卫细胞质膜内向流入，或加强k + 外向流出实现的。c a 2 + 参与低浓度r h 0 2 使气孔关闭的过程。 1 1 3 气孔运动机理假说 由于气 l 运动对植物生命活动的重要性，气孔运动机理一直是植物生理学的研究最点之一。 3 中国农业大学硕士学位论文 文献综述 j i i 量曼旨囊曩寰鼍曼舅胃曙奠舅量量 至今有许多关于气孔运动机理的假说。 1 1 3 1 光合作用假说 光合作用假说是研究早期对气孔运动的一个解释( s h a r k e y 工d o g a w at1 9 8 7 ) 。该假说认 为，光( 红光、蓝光) 引起气孔张开。保卫细胞中含有叶绿体，而表皮细胞中没有，这使有些人 提出：保卫细胞内进行的光合作用直接与气孔运动有关，光合作用产物是保卫细胞渗透调节的物 质基础( w i l l m e rc m ，1 9 8 3 ) 。但是研究发现：保卫细胞叶绿素含量仅为叶肉细胞的3 ，这种 含量水平在制备保卫细胞时轻微的污染都会造成结果的假象；保卫细胞在暗中对c 0 2 更敏感：在 某些植物保卫细胞中没有叶绿体；光合作用产生的溶质只占使气孔张开所必需的2 ；保卫细胞 中光合作用速率低于暗呼吸的速率；保卫细胞中缺乏c 0 2 同化过程中的酶。这些结果都不支持光 合作用直接参与气孔运动。现在普遍接受的观点是保卫细胞中含有同化c 0 2 的酶，估计气孔张开 所需溶质的2 n 4 5 来自光合碳还原途径。 1 1 ，3 2 淀粉一糖转化假说( s t a r c h s u g a rc o n v e r s i o n t h e o r y ) 淀粉一糖转化学说是早期经典假说( l l o y dee 1 9 0 8 ) 。假说认为：气孔运动是由保卫细胞中 糖和淀粉间的相互转化引起渗透势的改变而造成的。保卫细胞叶绿体中有明显的淀粉大颗粒，气 孔张开时淀粉含量下降，气孔关闭时淀粉含量上升。保卫细胞在光下进行光合作用，消耗c 如，使 胞质p h 增高到7 ，淀粉磷酸化酶催化正向反应，水解淀粉为葡萄糖一1 一磷酸，使保卫细胞内葡萄糖 浓度提高，引起渗透势下降，水势降低，从周围细胞吸取水分，保卫细胞膨胀，气孔张开。在黑 暗中，保卫细胞光合作用停止，而呼吸作用仍进行，其产生的c 0 2 积累使保卫细胞p h 下降n 5 左右， 淀粉磷酸化酶催化逆向反应，使糖转化成淀粉，溶质颗粒数目减少，细胞渗透势升高，保卫细胞 失水，膨压下降，气孔关闭。简而言之，是由于保卫细胞内淀粉与糖的相互转化引起保卫细胞内 水势改变，从而导致气孔开度改变。 1 1 3 3 化学渗透调节假说( t h e m i o s m o t i ch y p o t h e s i s ) 本世纪七十年代形成的化学渗透调节假说是目前被广泛接受的假说。该假说认为保卫细胞的 渗透调节主要由跨膜质子动力势差推动的钾离子以及氯离子、苹果酸离子等渗透调节物质进出保 卫细胞来完成，从而造成保甲细胞水势变化，引起气孔开放或关闭( f i s c h e r r a h s i a o t c 1 9 6 8 d a y a n a n d a np k a u f m a np _ b 1 9 7 5 ；o u t l a wwh l o w r y0 h 1 9 7 7 ；j a v i spge ta l ，1 9 8 1 ； s h i m a z a k ik ，k i n o s h i t ate ta 1 ，1 9 9 2 ；a s s m a n ns m 1 9 9 3 ；p a r v a t h ik r a g h a v e n d r a1 9 9 5 ；l ij x a s s m a i f f ls m 2 0 0 0 ) 。 在诱导气孔开放的因子( 如光照、低二氧化碳浓度、较高的相对湿度) 作用下，保卫细胞质 膜上的质子泵被激活，而将胞内质子不断泵出胞外，使质膜处于超极化状态。胞外钾离子在超极 化跨膜电动势下通过内向k 离子通道进入保卫细胞，同时，氯离子也通过共运输载体向保卫细胞 内流动。胞内p i 的升高促进淀粉磷酸化酶的活性，促进淀粉转化成葡萄糖，使得胞内可溶性糖浓 度增加；较高的p h 也促进磷酸烯醇式丙酮酸( p e p ) 羧化酶的活性，使得胞内苹果酸浓度增加。 所有这些溶质浓度的增加都使保卫细胞的渗透势发生改变，渗透势的变化导致保卫细胞的膨压增 加，促进气孔开放( 黄荣峰等，1 9 9 6 ；b l a t t m r 2 0 0 0 ) 。 4 反之，在诱导气孔关闭的环境条件下( 如黑暗、商二氯化碳浓度、较低触相对湿境) ，傈卫 绑照矮摸土麴壤子象活牲被簿拳l ，绩象鹱褥攥置缅魏渡逸走滚矮浓凄下酶，豫零囊魏承势嚣莲， 失水，体积缩小，最终导致气 l 关闭。 化学渗透调节假说也有一一些不完善之处。酋先，该假说缺乏k 离予等主强渗透调节物质秘累 保p 缨胞滚滟( g c v ) 的直接实验证据。其次，在没有夕 源k 的情况下，嗣光或其它激素枣g 激也 霹使气孔开敬( a r m s t r o n gf ，l o u n g 。，g r a b o va ，p 8 7 ，1 9 9 5 ；p e iz ，m 。，k u c h i t s uk + w a r dj m 。# 甜，1 9 9 7 ) 。再次，化学渗透模型是个耗费大量能量的渗透物质运输过槲，不 符合牛物学里的经济高效原则，用此模型调节气扎运动的植物在进化中会处- ：劣势。 ， 。3 。4 缳鍪缁艟渗透调甍鹣褰黎幸舞霹遂熬羧模型 研究发现，猩气孔运动前后蚕豆( k f a b al ) 保卫细胞液泡中的颗粒状内含物的线度及分布 密度发牛r 髓蔷的变化，该变化与保卫细胞液泡中的p h 的变化有关( | - 清，2 0 0 1 ；叶清等，2 0 0 3 ： 霞等，2 0 0 5 ) ，势接测这静颗粒冀夫分子蛋向鹱，势且这些擐自矮麴程基之间霹穗 ( k + ，c 1 一等) 。该蛋臼颗粒瓣解聚同时释放鞭基闯挟持瀚k + ，e l 等离子，戳藤 颗粒状物的可逆解聚造成的渗透调节。颗粒状物的解聚使就分布密度碌著增加而 使保卫细胞液泡的渗透势下降，挟持在蛋白溉基之问的k 。，c l 等离子的释放使液泡的媾透势 避涉下降，保卫细胞吸水膨胀，使气孔开放( 叶清等，2 0 0 3 ：孙弱b ，2 0 0 3 ；李艳霞等，2 0 0 5 ) 。 f 謦是l 滔( y ee ) 等提溺麴气藐舞披对镰曩缁巍液海渗透溯苇麓嘉聚穆碰逆解聚模型( 鞠1 2 ) 。 f i g u r e12t h ep r o t e i ns u b u a i t h l gm o d e to fo s m o r e g o l a t i o ni ng u a r dc e l lv 8 c “n l ef o rs t o m a t a t o p e n i n g “e0 ，2 0 0 1 ，y eq o ta j ，2 0 ( 1 3 ；s u n2 0 0 3 ：l i e ta l 一- 2 0 0 5 ) 围 2 蚕豆保飘细胞液泡中颗救物的可逆解聚与气扎开放渗透调节的横型( 叶清t2 0 0 1 ；叶清等，2 0 0 3 ；孙鹏 2 0 0 3 ：牵镪糍等，2 0 0 5 ) 该模型包括r 与p h 指导的保一j 细胞液泡渗透调节有关的两个丰要过程：当保卫细胞液泡的p h 由p t t l ( 约5 8 ) n 节为p 1 2 ( 麴5 3 ) 时，诱发： 1 ) 保卫生l l i 胞液泡内含的禁些商聚物的可逆亚基 他( 解体) 溅成该高聚物贬嫠的分布密度的摄著上升，引起保卫细胞液泡渗透难增加。2 ) 该高 聚魏可遵受蒸诧碡笼斧疆有绦+ 登蹋魏滚逸肉秃撬离子弱可遵释放，进一寥簸丈裹黎物辩聚逡藏掬 渗透压l 二升的效应。该模型町能避免传统化学渗透”德落解释的气孔开放时所依赖的耗能再夫 5 中国农业大学硕士学位论文 文献综述 的逆浓度梯度的离子( k + 等) 和一些有机小分子( 苹果酸、蔗糖等) 的跨膜运输，提出了种 由保卫细胞液泡内p h 指导的节能，且有效提高气孔运动对诱导因子的反应速度的模型，是对推动 气孔运动的多元调控假说的补充，同时也为植物中其它快速运动机理的研究拓宽了思路。与淀粉 一糖以及化学渗透模型显著不同的是本模型既适合于解释气孔开放义适于解释其关闭过程。 1 1 4p h 信号在保卫细胞信号传导中的作用 气孔运动是一种复杂的受多种体内外因子调控的渗透调节运动( h e t h e r i n g t o na m w o o d w a r dei 2 0 0 3 ) ，其中p h 起重要作用。因此气孔运动的机理必然涉及到胞内外信号的转导 ( b u c k l e ytn ，m o t tk a 。2 0 0 2 a , 2 0 0 2 b ；c l a p h a mc e 1 9 9 5 ；e v a n sn h 2 0 0 1 ，2 0 0 3 ；g a r c i a - m a t a c 2 0 0 2 ；i i n o m 2 0 0 1 ；s c h r o e d e r j i & h e d f i c h r 1 9 8 9 ) ，各信号之间的互相作用以及信号物质对离 子通道和有机渗透物代谢的控制( 孙大业2 0 0 1 ) 。诱导气孔开放和芙闭的多种因子，如红光、蓝 光、c 0 2 、a b a 、f c 、生长索、细胞分裂素、赤霉素等所引起的信号传导系统和各种元素、组分 的比例，对膜上特定通道产生抑制作用药物的使用以及对各种光诱导的气孔开放信号转导系统的 抑制剂的使用、及a b a 诱导的气孔关闭信号系统( s c h r o e d e r j 1e t a l ，2 0 0 0 ) 的研究，使气孔运动机 理的研究进入了一个新的篇章。 f i g u r e1 3m o d e lo f g u a r dc e l ls i g n a l l i n gb l r , b l u el i g h tr e c e p t o r ；p m e ，p l a s m am e m b r a n ei o nc h a n n e l s ；t r a f f i c , m e m b r a n et r a f f i c k i n g ；c y t o s k ，c y t o s k e l e t o n ；v c ，v a c u o l a ri o nc h a n n e l s ；m e 忸b ，m e t a b o l i s mo f s t a r c h ，s u c r o s e ，m a l a t e ； a b a r a b ar e c e p t o r ( h e t h c r i n g t o n 九m w o o d w a r d r i 2 0 0 3 ) 图1 3 保卫细胞信号传导模型b l r ：蓝光受体p h l c ：质膜离子通道。t r a f f i c ：质壤上的运输c y t o s k ：细 胞骨架v g ：液胞离子通道m e t a b ：淀粉、蔗糖和苹果酸的代谢。a b a r ：a b a 受体( h e t h e r i n g t o n a m 和w o o d w a r d e i 2 0 0 3 ) 植物细胞的p h 与植物细胞的生命活动息息相关。通常细胞的p h 值是相对恒定的以保证细胞正 常的生理功能( 杨洪强等，2 0 0 1 ：b o y e rm j 1 9 9 4 ) ，如适当的胞内p h 值是保证某些酶类正常催 化作用的先决条件。当在刺激信号作用下，胞内p h 的变化对许多代谢过程有显著影响( d a v i e s d d ，1 9 7 3 ，1 9 8 6 ： s m i t hea r a v e nj a 。1 9 7 9 ) 。植物细胞适时地进行胞内p h 值的调控是所有 生活细胞的一个重要特征。本实验室发现在蚕豆( 矿f a b al ) 气孔张开的过程中，保卫细胞液泡有 0 5 个单位p h 的酸化( 5 8 - 5 3 ) ( 叶清等2 0 0 3 ，李艳霞等，2 0 0 5 ) 。但是还没有关于气孔运动过 6 中国农业大学硕士学位论文 文献综述 程中保卫细胞壁p h 值变化如何影响弹性模量的报道。 综上所述，各种不同的调节因素通过各种途径来调控气孔运动，最终的作用结果不外乎两种： 一，保卫细胞水势降低，吸水，气孔张开。二，保卫细胞水势升高，失水，气孔关闭。 1 2 植物水分传输 水分对生命的重要意义是众所周知的。它不仅参与生物化学过程，而且也是生化反应最关键 的介质之一。同时它还支持着许多极为重要的生理过程，诸如生物体内养分和代谢物的运输、体 表蒸发降温等。特别是在植物中由于水分和盐类的供应使植物细胞具有一定的膨压，维持这种膨 压是植物细胞也是整个植物体维持正常生理功能的基本前提之一。 欧期的进化过程使植物细胞获得了维持本身膨压的本领。它能够根据环境渗透势的变化，调 节液泡液的渗透势，保持其正常的膨压状态，适应环境水分和盐类的胁迫条件。象些生长在受 潮汐影响的海滩上的藻类植物，它们的细胞能够承受环境中剧烈而频繁的盐浓度变化的冲击。高 等植物的细胞、组织、器官和整个植物体也具有类似的调节功能。 由于细胞的膨压在植物细胞生活中有如此重要的作用，因而研究细胞膨压以及那些受膨压影 响、与膨压调节有关的生理生化过程，是理解植物细胞生命过程本质的一个重要方面。细胞的膨 压及调节功能依赖于细胞膜的性质( 包括质膜和液泡膜) 。在这些膜上有主动运输系统，能够逆 梯度累积电解质等物质，而膜本身又非常有效地限制了这些物质的自由扩散，同时膜对水还具有 高的通透性。因为细胞的膨压与细胞膜功能有密切联系，所以研究膨压与膜特性，特别是膜的运 输功能与透性，是相辅相成的。由于细胞膨压又与细胞壁的弹性有关，因而细胞壁的弹性模量e 细胞膨压p 和细胞膜的水透性l p ( 水导率) 是植物细胞水分生理学中经常用到的三个基本参数 ( z i m m e 丌1 1 a m au ，s t e u d l ee 1 9 7 4 ，1 9 7 5 ；z i m m e r m a n nu 1 9 9 2 ；b o y e rj s 1 9 9 5 ；) 。 细胞水分生理参数的研究有十分广泛的意义。研究植物细胞水分参数，首先要建立细胞水分 参数的测定和调节方法。 最早被应用的方法是所谓的渗透测定法( o s m o t i cm e t h o d ) 。用该法测定细胞的膨压主要有 两条途径。其一是用冰点下降等方法测定出细胞内外溶液的克分子浓度，然后计算细胞的膨压。 其二是用引起细胞初始质壁分离的外部溶液的渗透势来估计细胞的膨压。通过测量渗透平衡过程 中细胞体积的变化，渗透法也能被用米估计细胞的水导率。由于在细胞液提取和初始质壁分离观 察以及其它试验步骤中都会带来较大的误差，用这个方法测定高等植物组织细胞的水分参数有较 多问题。 从六十年代中期开始发展起来的压力弹卡技术能够提供器官中组织细胞的平均膨压和细胞 的甲均弹性模量。到目前为止这个技术仍然被广泛应用。但它不能够解决单个组织细胞水分参数 的测定。因为单个细胞和组织或器官间的水分关系很复杂，通过组织或器官的水分参数来估计单 个细胞的膨压是很困难的。 对单细胞压力直接测定的第一个尝试是由g r e e n 和g u t k n e c h t 完成的。他们把一个后端封闭的 中空毛细管尖端刺入n i t “1 a 的节间细胞。细胞液在膨压的作用下进入毛细管，毛细管中的空气 7 中国农业大学硕士学位论文文献综述 被压缩。通过对毛细管中气泡体的测定就可以算出气泡的压力，用以估计细胞的膨压( g r e e np b 1 9 6 8 ：g u t k n e c h tj 1 9 6 8 ) 。虽然这个方法很简便，但它只能够用于大型藻类细胞水分参数的测 定。因为当细胞较小时，流入毛细管的细胞液的体积对细胞的体积会有显著影响，使测得的压力 大大偏离真实的细胞膨压。再者，在不同的压力下，气体在水溶液中的溶解度不同也影响着气体 体积测定的准确性。因而用此法测定的膨压松弛过程会有较大偏差，由此来估计细胞的水导率则 误差更大。 用于高等植物的细胞压力探针的技术是z i m m e r m a n n i l s t e u d l e 在六十年代末建立的。它首先 被用来测量轮藻等大型藻类细胞的水分生理参数，然后该技术进一步发展为可以被用来测量高等 植物细胞( b a i l i n g a a z u 1 9 9 0 ；e d w a r d s m e t 以，1 9 7 6 ；n o n a m i h ，s c h u l z e e d ，1 9 8 9 ) 。到目前为 止，细胞压力探针是目前唯一可以直接实时跟踪测量高等植物细胞膨压的水分生理参数的工具， 被广泛用来测量高等植物细胞的膨压、弹性模量、水导率( t o m o sa d 1 9 8 1 ；t y e r m a ns d 1 9 8 9 ； s t e u d l ee ，z i m m e r m a n nu ，l u r g eu ，1 9 7 7 ；s t e u d l ee 1 9 9 0 ；s t e u d l ee ，z i m m e r m a nu ，z i l l i k e n sj 1 9 8 2 ；z i m m e r m a n nu ，h u l 自s k e nd ，s c h a i z ee d 1 9 8 0 ) 。 1 。2 1 水势( 甲w ) 真正从本质上清楚地描述植物细胞膨压及体内水分运输现象有赖于对水势概念的研究。水势 是每偏摩尔体积水的化学势差。利用水势的概念可以判定体系中水的运动趋势( 即两地间水流的 方向和限度) 。水总是从水势高处流向水势低处直到两处水势差为零为止。水势以符号v - 表示， 以压强为单位：大气压，每公斤c 舻，或p a 。 v = a ( “f u ? ) a v 。= a u ，a v 。 ( 1 1 ) u - 为一定条件下水的化学势。 u ? 为在一定条件下的纯自由水的化学势。 v 。为水的偏摩尔体积，即在温度、压强及其它组分不变的条件下，在无限大的体系中加入lm o l 水时体系体积的增量。 水势的概念也可理解为体系中的水与纯水之间每单位体积的吉氏自由能差。每偏摩尔体积水 的化学势差就是水势( 王忠等，2 0 0 0 ) 。 凡是能改变水分子的各种因素都会引起水势的改变。影响体系水势的因素有：压力，溶质 衬质，海拔高度，温度。 体系水势等于各水势组份之和，植物细胞的水势由渗透势( 1 l ，- ) 、压力势( v p ) 和衬质势( 1 l ， m ) 组成： 未形成液泡的细胞的水势 v - = v s + m p + 掣m 自胞= 目稿= v s + v p + v m ( i - 2 ) ( 1 3 ) 中国农业大学硕士学位论文文献综述 含有液泡的成熟细胞的水势： v 捆且= v _ _ 重= 1 王，聃- = v 灌n s + 掣p ( 1 4 ) 由于具有液泡的细胞含水很高，衬质势w m 趋于0 ，可忽略不计 1 2 2 水导率( l p ) 水导率( l p ) 是水流通过该系统难易程度的度量可类比于表示某系统通过电流难易程度 的电导率。水导率可以用在单位推动力作用下单位时间内通过单位膜面积下的水来度量。植物 水分运输的速率取决于驱动力和水导，所以水导率是研究植物水分运输的重要参数。 1 2 3 溶质势或渗透势( 甲s ) 在渗透系统中溶质势表示了溶液中水分的渗透能力的大小。因此，溶质势又可称为渗透势。 由v a n th o f f 公式得： v s = w = 一n = 一c r t r ： 普适气体常数，0 0 0 8 3 m p a l m o l 。1 k 1 c ： 质量摩尔浓度m o k g _ 1 负号：表示溶液浓度的变化与其水势的变化相反 1 2 4 压力势( 脚) ( 1 5 ) 压力势是由于溶液的静水压所增加的溶液的水势。在植物细胞中，这个压力常称为膨压。植 物细胞的膨压是由于细胞吸水j 亓相对细胞壁对细胞体积的限制所造成的。 植物的运动一一生长运动、向性运动和感性运动与细胞膨压有密切的关系。保卫细胞的膨压 调节着气孔的开闭( f r a n k s pj “a l ，1 9 9 5 ，1 9 9 8 ，2 0 0 1 ) ；植物细胞的伸长生长与扩大生长都依赖 细胞膨压的维持。某些植物具有的感性运动的基础是源于某些特定细胞群的膨压变化。例如含羞 草( m i m o s ap u d i c a ) 羽状复叶发生感震运动的直接原因是叶褥细胞膨压的快速变化。还有如捕 蝇草( d i o n a e am u s c i p u l a ) 之捕虫器官的运动，以及攀援植物卷须和某些植物雄蕊花丝和雌蕊 柱头的感性运动等都与细胞的膨压调节有关( 娄成后，1 9 5 5 ) 。 液泡充水维持细胞膨压，是使植物保持挺立状态的根本原因；若液泡失水，植物体就发生萎 蔫。膨压还在细胞的延伸生长中起作用。如将轮藻放在高渗的溶液中，使膨压丧失则细胞的延 仲生长明显地减小；细胞的延伸只发生在具有一定膨压的细胞。棉花纤维细胞( 单细胞种皮毛) 是在开花后1 5 2 0 天内，由于液泡膨压的作用使细胞迅速伸长，使这种细胞晟后的长：直径比是 3 0 0 0 4 0 0 0 倍；如果这时液泡内的水和溶质供应不足，膨压降低，则绵纤维的长度就会受到严重 影响。 膨压也是细胞壁建构和增生的个重要因素。当细胞膨压减小时，装载着纤维素前体物质的 9 中国农业大学硕士学位论文 文献综述 囊泡流不可能输送到质膜，即使与质膜相连，囊泡内的物质也不可能释放到细胞壁中；只有当液 泡具有正常膨压时，这些囊泡流才能与质膜融合，并将其内部物质释放到细胞壁中。 1 2 5 衬质势(