（植物学专业论文）气孔运动过程中保卫细胞液泡的动态及其与微丝骨架的关系.pdf

中文摘要 气孔运动调节植物与环境之问气馋和水分的交换 有研究表明 气孔运动过程中保卫细胞 的液泡大小和数目随气孔开度的变化而改变 微丝骨架在气孔运动过程中参与多种信号途径 但 是还不清楚液泡和微丝的动态变化细节 以及微丝骨絮与液泡动态之间的关系 本论文主要利用 共聚焦显微镜技术 结合荧光标记 绿色荧光蛋白等技术研究了保卫细胞液泡的动态变化及其在 气孔运动中的作用 以及徽丝骨架动态变化及其与液泡动态变化之问的关系 研究结果表明 蚕豆气孔关刚时 保卫细胞内存在许多球形的和管状的小液泡 在气孔开 放过程中 小液泡相互融合形成体积较大的液泡 当气孔关闭时 大液泡又重新变成许多小液泡 液泡融合的抑制剂e 一6 4 d 抑制蚕豆气孔保卫细胞液泡的融台 同时也抑制气孔的开放速度 拟南 芥a t v a m 3 s g r 彤基因编码蛋白s y p 2 2 定位在液泡膜上 参与小液泡的融合 利用拟南芥突变 体s g r 3 一 的研究结果表叫 山于s g r 3 基因的突变 使保卫细胞液泡的融合受到抑制 气孔的开 放谜度也明显比野生型的低 以上结果说明 小液泡相互融合有利丁 气孔的开放 研究发现蚕豆关闭气孔的保卫细胞中包含复杂的液泡膜结构 光切片的3 d 重组以及光缫白 宴验发现蚕豆保卫细胞的液泡可能是相互连通的 推测关闭气孔保卫细胞巾包含的复杂的液泡膜 结构可能作为液泡膜的储存形式 液泡相互连通的特点 能有利于水分和溶质在液泡间的流动 以适应气孔快速开闭运动中液泡体积快速变化的需要 利用转基因技术 研究了g r p m t a l l n 标记的烟草气孔保卫细胞的微丝骨架 发现无论在关 闭还是升放气孔的保卫细胞中 既存在网状的微丝骨架系统 也存在放射状排列的微丝骨架系统 但关闭与开放气孔保卫细胞中微丝t l l 毋 与分布也有明显差异 保卫细胞微丝排列l j 分布存在多样 性的特点可能与其功能有关 利用液泡和微丝的双标记技术和约理学方法研究了微丝骨架动态与液泡动态变化之问的关 系 发现c b 处理能使微丝骨架解聚 也明显加快液泡数目和体积的变化过程 同时加快了气孔 的开放速度 而p h a l l o i c l i n 处理则抑制微丝骨架解聚 减缓液泡体积和数量的变化过程和降低了 气孔的开放速度 进一步的研究发现烟草气孔保卫细胞中微丝骨架和液泡可能是共定位的 因此 微丝的解聚可能有利于液泡的融合 从而促进气孔的开放 而抑制微丝的解聚可能抑制液泡的融 合 从而抑制气孔的开放速度 本研究较详细地研究了保卫细胞液泡的动态变化及其在气孔运动过程中的作用 以及微丝 骨架的动态变化与液泡动态变化间的关系 为保卫细胞液泡的动态变化和微丝骨架参与气孔运动 的研究提供了新的证据和新的研究思路 关键词 气孔运动 保卫细胞 液泡 微丝 动态 a b s t r a c t s t o m a t a lm o v e m e n ti si m p o r t a n tf o rp l a n t st oe x c h a n g eg a sw i t he n v i r o n m e n t t h ep r o c e s s c o n t r i b u t e st ot h eo p t i m i z a t i o no ft h ep h o t o s y n t h e s i sa n dt r a n s p i r a t i o n s t u d i e sh a v es h o w e dt h a tt h e c h a n g eo fv a c u o l a rv o l u m ei ng u a r dc e l l si si n v o l v e di nt h es t o m a t a lm o v e m e n t t o w e v e r l i t t l ei s k n o w na b o u tt h er e g u l a t o r ym e c h a n i s mf o rt h er a p i dc h a n g e so ft h ev a c u o l a rv o l u m ei ng u a r dc e l l s d u r i n gs t o m a t a lm o v e m e n t a c t i nc y t o s k e l e t o no fg u a r dc e l l sa l s oi sd y n a m i c sa n di n v o l v e di nv a r i o u s s i g n a lp a t h w a yi nr e g u l a t i n gs t o m a t a lm o v e m e n t h o w e v e r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed y n a m i co f v a c u o l e sa n dt h a to fa c t i nc y t o s k e l e t o n a n dt h e i ri n t e r a c t i n gm e c h a n i s md u r i n gs t o m a t a lm o v e m e n ta r e u n c l e a r u s i n gc l s ma n dg f p l a b e l i n gt e c h n o l o g y w es t u d i e dt h ed y n a m i c sa n df u n c t i o no fv a c u o l e a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed y n a m i co f v a c u o l e sa n dt h a to f a c t i nc y t o s k e l e t o ni ng u a r dc e l ld u r i n g s t o m a t a jm o v e m e n t f h e r ea r em a n ys m a l ls p h e r i c a lv a c u o l e sa n dt u b u l a rv a c u o l e si ng u a r dc e l l so f c l o s e df i c i a 扣b a s t o m a t a a n dt h et u b u l a rv a c u o l e sl i n kt h es p h e r i c a lv a c u o l e s t h es m a l lv a c u o l e sa r ei r r e g u l a ra n d h a r b o rm a n yc o m p l e xm e m b r a n es t r u c t u r e si nl u m e no fv a c u o l e s s u c ha si n g r o w t h so ft o n o p l a s ta n d v e s i c l e s t h es m a l jv a c u o l e sa n dc o m p l e xm e m b r a n es y s t e m sa r ef u s e dw i t he a c ho t h e ro rw i t ht h e b i g g e rv a c u o l e st og e n e r a t et h el a r g ev a c u o l e sd u r i n gs t o m a t a lo p e n i n g r e v e r s e l y t h el a r g ev a c u o l e si n t h eg u a r dc e l l ss p l i ti n t os m a l l e rv a c u o l e sa n dg e n e r a t em a n yc o m p l e xm e m b r a n es t r u c t u r e si nt h e c l o s i n ga n dc l o s e ds t o m a t a v a c u o l ef u s i o ni n h i b i t o r e 一6 4 d c a ns i g n i f i c a n t l yi n h i b i tt h es t o m a t a l o p e n i n go f 衍c j 口卢b a f u r t h e r m o r e m u t a t i o no f t h e a r a b i d o p s i s t h a l i a n a s g r 3a l s o l e a d s t or e t a r d a t i o n o fv a c u o l a rf u s i o na n ds t o m a t a lo p e n i n g t h e s ee v i d e n c e si n d i c a t e dt h a tv a c u o l a rf u s i o ni s r e q u i r e df o r s t o m a t a lm o v e m e n t f r o mt h ed i s a p p e a r a n c eo ft h e c o m p l e xm e m b r a n e si nv a c u o l a rl u m e ni nt h e o p e n e ds t o m a t a w ea l s oc a ni n f e rt h a tt h e s em e m b r a n e ss e r v ea sar e s e r v o i ro f t o n o p l a s tf o rt h ec h a n g e s o fv a c u o l a rv o l u m ed u r i n gs t o m a t a lm o v e m e n t f r o mt h e3 dp r o j e c t i o no fm a n yo p t i c a ls e c t i o n sa n d p h o t o b l e a c h i n gb yc l s m w ef o u n dt h a tt h el u m e n so fd i f f e r e n tv a c u o l e si nag u a r dc e l lo ff i c i a 扣b a a r ei n t e r c o n n e c t e da n dt h e i rs a p sc a r lf l o wf r e e l y v a c u o l a rc o n t i n u u mi ng u a r dc e l l sm i g h tf u n c t i o ni n s t o m a t a lm o v e m e n tv i af a c i l i t a t i n gt h ed i f f u s i o no fs o l u t e sa n dw a t e ra m o n gt h ed i f f e r e n tp a r t so f g u a r d c e l l st om a i n t a i nt h eb a l a n c eo fo s m o t i cp o t e n t i a la n dt u r g o rp r e s s u r ei nt h ew h o l eg u a r dc e l l u s i n gt r a n s g e n i ct o b a c c o n i c o t i a n at o b a e u u m p l a n to v e r e x p r e s s i n gg f o m t a l i nd r i v e nb y3 5 s w eo b s e r v e dt h ef a c t i na r r a n g e m e n ta n dd i s t r i b u t i o ni ng u a r dc e l l so fs t a b l ea n dm o v i n gs t o m a t a t h e w e ba n dr a d i a lp a t i e r no ft h ef a c t i na r r a n g e m e n ti nc l o s e da n do p e n e ds t o m a t aw e r eo b s e r v e d t h e d i f f e r e n c eo fd i s t r i b u t i o no fa c t i no fg u a r dc e l l si nt h ec l o s e ds t o m a t aa n dt h eo p e n e dw a sa l s of o u n d t h ea c t i nw a sf o u n di nt h ec o r t i c a lp l a s m aa n dc y t o p l a s mi nc l o s e ds t o m a t a w h e r e a si tw a sm a i n l y l o c a t e di nt h ec o r t i c a lp l a s m ai no p e n e do n e sw ea l s of o u n dt h ee n d o p l a s m i cf a c t i ni n c r e a s e da n d c o r t i c a lf a c t i nd e c r e a s e da c c o r d i n g l yd u r i n gs t o m a t a lm o v e m e n ti n d u c e ds t o m a t a lc l o s i n gb ya b aa n d d a r k p h a r m a c o l o g i c a le x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tc y t o c h a l a s i nb w h i c hi n h i b i tt h ep o l y m e r i z a t i o no f f a c t i ni ng u a r dc e l l s f a c i l i t a t e sn o to n l yl i g h ta n df c i n d u c e ds t o m a t a lo p e n i n g b u ta l s ot h ec h a n g e s o fv a c u o l a rn u m b e ra n dv o l u m ed u r i n gs t o m a t a lo p e n i n gi nc o n t r a s t p h a l l o i d i n w h i c hp o l y m e r i z et h e f a c t i n i n h i b i t ss t o m a t a lo p e n i n ga n dv a c u o l a rc h a n g e si n d u c e dl i g h ta n df c b yd o b u l el a b e l i n g m e t h o d w ef o u n dt h a tt h ev a c u o l e sa n df a c t i ni ng u a r dc e l l so ft o b a c c os t o m a t aa r ec o l o c a l i z a t i o n p r o b a b l y c o m b i n i n gw i t ht h ep h a r m a c o l o g i c a lr e s u l t s w ei n f e r e d t h a tf a c t i nd e p 0 1 y m e r i z 小i u ni n g u a r dc e l l sf a c i l i t a t e st h ev a c u o i a rf u s i o l l t h u se n h a n c es t o m a t a lo p e n i n g a n dt h e r e t a r d a t i o nt h e v a c u o l a rf u s i o nb yi n h i b i t i n gf a c t i nd e p o l y m e z a t i o nl e a d st od o w r t r e g u l a t e ds t o m a t a lo p e n i n g t h ed y n m n i c sa n df u n c t i o no fv a c u o l e so fg u a r dc e l l sd u r i n gs t o m a t a lm o v e m e n t a n dt h e d y n a m i c sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev a c u o l e sa n df a c t i ni ng u a r dc e l l sw e r es t u d i e di n t h i sr e s e a r c h s o m en e we v i d e n c ef o rt h ev a e n o l e sa n da c t i nd y n a m i c si n v o l v e di ns t o m a t a lm o v e m e n tw e r ep r o v i d e d a n dan e wi d e af u rt h es t u d yo fa c t l nr e g u l a t i n gs t o m a t a lm o v e m e n tw a si n t r o d u c e d k e yw o r d s s t o m a t a lm o v e m e n t g u a mc e l l v a c u o l e f a c t i n d y n a m i c s l l i 缩写词 英文缩写英文名称 a b aa b s c i s i ca c i d c b c y t o c h a l a s i nb e 一6 4 d 2 s 3 s h a n s e p o x y s u c c i n y l l l e u c y l a m i d o 一3 一m e t h y l b u t a n ee t h y le s t e r f c f u s i c o c c i n f d a f l u o r e s c e i nd i a c e t a t e f i t cf l u o r e s c e i ni s o t h i o c y a n a t e f m4 6 4 n 一 3 一t r i e t h y l a m m o n i u m p r o p y l 一4 一 6 一 4 一 d i e t h y l a m i n p h e n y l h e x a t e n y l d i b r o m i d e g f pg r e e nf l u o r e s c e n tp r o t e i n m e s 2 n m o r p h o l i n o e t h a n e s u l f o n i ca c i d p b s p h o s p h a t eb u f f e rs o l u t i o n v i 独创性声明 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 同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 研究生签名 时间 珈旧f年占月加日 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不同方式在不同媒体上发表 传播学位论文的全部或部分内容 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 研究生签名 择恕 导师签名 圜 时间 时问 了咖 年g 月2 9 日 沙衍年6 月溯 中国农业大学博 学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 液泡及其在气孔运动中的作用 1 1 1 植物的液泡 液泡占到成熟植物细胞体积的9 0 是植物细胞中最显著的细胞器之 液泡的内含物主 要有无机离子 有机酸 糖 水解酶 储藏蛋白以及次生代谢物如生物碱 色素等 液泡是一种 多功能细胞器 参与调节细胞体积 膨压 胞质p i l 值和离子稳态以及细胞信号传递 衰老 抗 逆等 在植物的发育 多种生理和代谤 活动中起作用 液泡的种类 植物细胞的液泡根据内部的p h 值可分为两类酸性和中性两种 p h 值显酸性的液泡也称 为裂解性液泡 l y r i cv a c u o l e p h 大约为5o 5 5 之间 最小可达25 裂解性液泡几乎存在于所 有的植物组织r 卜 内含水解酶 类似于动物的溶酶体 其中含有的物质包括氨基酸 花色累 生 物碱 糖等 p i i 中性的液泡中 最多的是贮藏功能的液泡 p h 可以达到7 0 左右 能够储藏蛋 白赝和可溶性碳水化合物 主要存在于种子和起储藏功能的营养组织细胞中 此外也在其他植物 组织中 如烟草叶肉原生质体 d is a n s e b a s t i a n o e l 口 1 9 9 8 存在p h 中性的液泡 在盐生植物中 p h 中性的液泡可能储存无机盐离子 这两种液泡可能同时存在于同一个细胞中或者同一细胞的 不同发育阶段 p a r i se la l 1 9 9 6 s w a n s o ne ta l 1 9 9 8 液泡膜内在蛋白 t o n o p l a s t i n t r i n s i cp r o t e i n s t i p s 或称水孔蛋白 是液泡膜上最丰富的 转运蛋白 不同种类的液泡膜上含有不同种类的t i p 可以作为不同类型液泡的标记 储藏组织 液泡膜含有两种液泡膜内在蛋白 t i p 和8 t i p t o n o p l a s ti n t r i n s i cp r o t e i n d t i p 主要存在于储藏 蛋白质的蛋白质储藏液泡 p r o t e i ns t o r a g ev a c u o l e s p s v s 膜h h e r m a ne ta l 1 9 9 9 裂解性液 泡的液泡膜含3 t i p m a r r y 1 9 9 9 8 t i p 主要存在于储藏色素和营养性储藏蛋白 v e g e t a t i v e s t o r a g ep r o t e i n s v s p s 的液泡膜上 j a u he la l 1 9 9 8 两种不同类型的液泡是可以相互转变的 在 胚的发育早期 种子的储藏蛋白质主要积累在子叶细胞的液泡中 称为蛋白质储藏液泡 大多数 的研究发现起储藏蛋白质作用的液泡就是原先的裂解性液泡转变来的 h e r m a ne t a l 1 9 9 9 在种 子萌发时 储藏液泡相互融合 内部的营养物质分解参与植物细胞的生长 在营养物质耗尽后 储藏液泡转变为中央液泡 m a r l y 1 9 9 9 此外储藏液泡也可与溶解性液泡融合 1 n o u ee t a l1 9 9 5 在大麦根尖细胞中含有两种类型的液泡 储藏液泡膜上有内在蛋白 一t i p 酸性的溶解性液泡膜 上有内在蛋白y t i p 到厉期两种液泡膜内在蛋白能共定位到同一个液泡膜上 p a r i se t a l 1 9 9 6 表明两种液泡发生了融合 在菠菜中分离到一种膜内在蛋白s o 8 t i p 特异定位在除表皮细胞 包 括保卫细胞 和根韧皮部的薄壁细胞以及分生组织以外的其它营养组织液泡膜上 k a r l s s o ne la l 2 0 0 0 这种定位模式与拟南芥的y t i p 类似 l u d e v i d 口 她1 9 9 2 但是玉米的7 t i p z m t i p l 中国农业火学博士学位 睡文第一章文献综述 却主要定位在分生组织 表皮以及根的延长区细胞中 b a r r i e ue la l 1 9 9 8 c h a u m o n te la l 1 9 9 8 因此不同类型t i p 在不同液泡上的定位可能与液泡的不同发育阶段有关 k a r l s s o ne la l 2 0 0 0 冰花 m e s e m b r y a n t h e m u mc r y s t a l l i n u ml 是一种s a l t i n c l u d i n g 盐土植物 在高光或盐逆境 条件下 植物光合作用在c 3 型和景天酸代谢型之间转变 冰花叶肉细胞中同时存在两种类型的 液泡 酸性的液泡内积累有机酸 参与景天酸循环 中性液泡内积累无机盐 在忍耐盐胁迫中起 作用 e p i m a s h k oe ta l 2 0 0 4 两种液泡的体积能随植株的生理状态发生变化 当植物在强光照条 件下 酸性液泡的体积不断减小 而中性液泡的体积相应增大 e p i m a s h k oe t a l 2 0 0 4 含羞草叶枕的马达细胞中含有人小刁i 同的两种液泡 一种液泡靠近细胞核 体积较小 含 有鞣酸 主要贮存c a 另 e e 体积大 占据中央位置 主要含有水分 膜上内在蛋白 t i p 和 i 一a t p a s e 的含量都较前一种液泡大 第二种液泡在马达细胞调节叶片运动过程中起主要作用 f l e u r a t l e s s a r de la 1 1 9 9 7 液泡的起源 高尔基体的膜囊分为c i s 膜囊 中间膜囊和t r a n s 膜囊 t g n 三部分 液泡来自于t g n 产 生的小泡 称为原液泡 p r o v a c u o l e p r o v a c u o l e 刚形成时的直径约为l o o n m 与t g n 的直径 1 5 r i m 相比要大的多 很快这些泡状的p r o v a c u o l e 转变成管状的p r o v a c u o l e 直径仍为1 0 0 n m 管 状p r o v a c u o l e 中含有许多小泡 可能是p r o v a c u o l e 膜向内折叠形成的 管状p r o v a c u o l e 产生指状 突起相互连接 包裹细胞质 形成a u t o p h a g o s o m e s a u t o p h a g o s o m e s 中的细胞质被水解后 液 泡就形成了 新形成的液泡体积较小 相互融合形成体积更火的液泡 m a r r y 1 9 9 9 液泡的另 o e 来源是滑面内质网 滑面内质网的膜囊积累一些蛋白质和酶 这些部位的膜上有v a t p a s e 和a t i p 当这些部位脱离内质网后形成原液泡 p r o v a c u o l e s 原液泡通过相互融合或者内吞某 些物质体积增大形成液泡 液泡内的物质有两个来源 一是胞内合成 另一个是通过内吞 运输途径包括内质网台成的 储藏蛋白质通过小泡的形式运输到液泡中 来自质膜的细胞内吞物质 液泡自体吞噬的物质 直 接从细胞质运输到液泡中的物质 m a r r y 1 9 9 9 此外在种皮细胞中还观察到 滑面内质网的管 网结构能包围一部分细胞质 形成笼状结构 进而与原先的液泡融合 或者自己发育成液泡 液泡的形态 液泡的大小 形状和数量随细胞的生长 分化和衰老 细胞所处的不同状态而变不断变化 m a r c y1 9 9 9 一般分生组织细胞液泡体积小数量多 而分化后随细胞的生长液泡数量减少 在 细胞体积中所占的比例也越来越大 生长停止的细胞中 一般只有一个大液泡 有的细胞中央液 泡的体积占到细胞总体积9 0 以上 但是在成熟的保卫细胞中液泡占原生质体积相对较小的部分 f a r a d a ye ld 1 9 8 2 种子胚发育中后期 子叶细胞的液泡中积累贮藏蛋白 蛋白质积累前 液 泡数量少 液泡在积累蛋白质的同时发生分裂的现象 即由 个大液泡分隔出许多小的液泡 i l e r m a ne t a l 1 9 9 9 蛋白质在这些小液泡中同时积累 一股认为液泡是具有平滑表面的球形结构 但是这种观点正受到越来越多的挑战 例如烟草 中国农业大学博士学位论文 第一章文献综述 原生质体细胞中液泡表面呈现一种动态的波浪形结构 v e r b e l e ne l a l l 9 9 8 最近利用冷冻固定和 低温替代 活体标记或者g f p 标记结台共聚焦显微镜技术以及三维重构技术进一步确认液泡的形 态是不规则的 正在发育的拟南芥小孢子和花粉中 y a m a m o t oe ta t 2 0 0 3 表达d e t a t i p g f p 的拟南芥下胚轴表皮细胞 c u t l e re ta l 2 0 0 0 都观察到液泡膜向内折叠 拟南芥子叶细胞中液泡 膜向内折霍在液泡内部形成小泡 b l u b 结构 s a i t oe ta l 2 0 0 2 拟南芥莲座叶表皮细胞中液泡 膜向液泡内折叠卷曲形成小泡或桶状的内膜结构 u e m u r a le t a t 2 0 0 2 管状液泡是除球状液泡外最为常见的液泡形态 利用洋葱表皮细胞液泡自发荧光的特点 p a l e v i t ze t a t 发现刚刚分化完成的幼期保卫细胞的液泡是管状网络 成熟后液泡变为球形 p a l e v i t z e la l 1 9 8 1 张开气孔的保卫细胞中有一个或几个较大的液泡 而关闭的气孔保卫细胞中有许多 小的液泡 c o u o t g a s t e l i e re t a l 1 9 8 4 利用a c r i d i n eo r a n g e 标记液泡 结台共聚焦显微镜 观 察到培养的烟草原生质体细胞中 液泡是一种管状的结构 类似于内质网的网络 利用三维重构 技术发现液泡表面呈现一种波浪形结构 去液泡的燕麦原生质体的液泡再生过程中f n e w e l le ta l 1 9 9 8 正在分裂的烟草悬浮培养细胞 k u t s u n ae t a t 2 0 0 2 2 0 0 3 萌发的拟南芥花粉粒m i c k se t a l 2 0 0 4 等许多植物细胞中发现管状液泡 这些细胞的共同特征是正在分裂将要进行体积增大或者正 在快速生长的细胞 植物细胞在分裂完成后 细胞生长时体积的增加主要是通过液泡体积的增加 来实现 此时出现管状或者相连的液泡网络可能是一种液泡膜的储存 适应将来细胞生长过程中 液泡体积迅速增大时对液泡膜的需求 此外在c k i c k p e a 表皮毛细胞和烟草b y2 悬浮细胞分裂中期细胞巾存在起连接作用的管状 液泡 v a c u o l a r t u b u l a rc o n t i n u u m 可能有利于溶质在液泡不同部分之间运输f i a z z a r oa n d t h o m s o n1 9 9 6 或者起到保护或者稳定有丝分裂器的作用 k u t s u n ae la t2 0 0 3 1 1 2 液泡的功能 植物生存依赖完整功能的液泡 拟南芥v c l l 突变体是致死的 r o j oe la t 2 0 0 1 研究发现v c t l 突变体中不能形成液泡 而且 那些本来属于液泡内含物的成分被排出 0 质外体中 v c l l 基因主要在正在分裂和生长的组织中 表达 该基因突变使胚的细胞分裂和细胞伸长受到破坏 使胚发育成a u t o p h a g o s o m e s 突变体最 终在鱼雷胚阶段死亡 v c l i 和s y p 2 1 以及s y p 2 2 组成蛋白复合体 定位在液泡膜上 参与液 泡的融合 s u r p i na n dr a i k h e l 2 0 0 4 因此v c l l 突变体可能是由于营养物质的流动受到影响而使胚 的发育停止 维持细胞内的离子稳态并参与信号转导 维持细胞质内许多种无机离子 包括h k n a c d m 9 2 等 的种类和浓度的稳定是 植物细胞完成多种生理功能的重要保证 植物细胞内离子稳态的调节是通过离子进出质膜以及多 种内膜系统来完成的 而液泡是植物细胞中重要的离子库 尽管胞外环境的的p h 值可能有较大变化 但是细胞质的p h 值则相对稳定 r o b e r t se tn 1 9 8 2 当胞 p h 降低时 h 经质膜进入细胞质内 其中大部分被转移到液泡内 液泡是细胞内 3 中国农业大学博士学位论文第一章文献综述 的h 储存库 植物液泡膜上有两种质子泵h a t p a s ef v a t p a s e h h 焦磷酸酶 h p y r o p h o s p h a t a s e v p p a s e 利用a t p 水解提供的能量驱动质子的跨膜进入液泡 两种质子泵 活性降低后 胞质明显酸化 b r a u e re t a l 1 9 9 5 依赖两种质子泵建立液泡膜两侧的质子电化学势梯度 驱动质子偶联的溶质跨膜运输 在 植物生命活动过程中起重要作用 据计算 细胞消耗的能量中有5 0 是用于维持膜两侧电化学势 梯度 n e l s o n 1 9 9 4 液泡膜h a t p a s e 是多亚基复合体 它的亚基至少由2 6 个基因编码 s z ee l a t 2 0 0 2 拟南芥的d e t 3 突变体 由于液泡膜的v a t p a s e c 一亚基的表达减少6 0 酶的活性减小 液泡膜两侧的电化学势梯度减小 最明显的表型是幼苗在黑暗条件下生长时不再表现出黄化的特 征 下胚轴细胞的伸跃和茎端分生组织的活动都受到影响 外加的钙离子和过氧化氢对气孔关闭 的促进作用消失 s c h u m a c h e re ta lj 9 9 9 突变体的多种表型表明液泡膜的v a t p a s e 在植物的多个 生理活动过程中起作用 液泡膜的h 焦磷酸酶利用无机焦磷酸盐提供能量 因而节省细胞的a t p 在酵母中过表达植物的液泡膜的h 焦磷酸酶 a v p i d 能明显提高酵母液泡膜两侧的质子电化 学势梯度 j n a c i 和p e g 处理s u a e d as a l s a 叶片液泡膜上的v a t p a s e 的活性提高 数量增加 而h 焦磷酸酶 v p p a s e 的活性无太大改变 w a n ge t a t 2 0 0 1 但是在植物中过表达液泡膜的h 焦 磷酸酶 a v p i 能明显提高植物对盐和干旱的抗性 g a x i o l ae ta 2 0 0 1 可能也是通过提高液泡 膜两侧的质子电化学势梯度间接使抗性提高 拟南芥基因组中含有大约5 0 0 个协同转运蛋白 c o t r a n s p o n e r 基因 其中有许多是定位在液泡膜上的 并且直接或间接利用液泡膜两侧的质 子动力势运输阳离子 糖或者碳 氮化合物 g e i s l e re la t 2 0 0 2 植物液泡中含m m 级的钙离子 是植物细胞中钙离子的主要储存库 m u i r a n ds a n d e r s 1 9 9 7 已经从液泡膜上鉴定出电压门控的钙离子释放通道和i p 3 c a d p r 敏感的钙离子释放通道 a l i e ne l a l 1 9 9 5 以及钙泵 n c a 2 m a n t i p o r t e r 等将c a 运入液泡的通道蛋白 此外在液泡膜上还存在c j 的结合蛋白v c a b s m a c s h i m ae la t 2 0 0 1 液泡膜l 的这些c 2 转运蛋白在植物细胞信号转导以 及耐受渗透胁迫过程中起作用 c 一 是植物细胞中重要的信号转导成分 胞外信号的刺激通常表现为 c a 2 浓度的变化 参与调控许多牛理过程 尽管多种刺激信号都引起细胞内 c a 2 变化 但是不同刺激或者相同刺 激的不同强度引发的 c a 2 变化的动力学特征 包括变化幅度 频率 持续时间以及空间分布 不 相同 即钙信号具有时空特异性 称为钙记号 c a 2 s i g n a t u r e m c a i n s he t a l 1 9 9 5 如 c a 2 的瞬变 t r a n s i t e c a 2 i 振荡 c a o s c i l l a t i o n s 等 液泡膜上的c a 2 上转运蛋白在细胞产生 c a s i g n a t u r e 过程中起重要作用 r e d d ye la t 2 0 0 4 植物液泡膜的c a 2 m a n t i p o n e r 就是利用液泡膜两侧的质子动力势驱动c a 跨液泡膜运输 每有一个钙离子进入液泡需要三个质予摊出液泡 拟南芥的d e t 3 突变体 由于液泡膜的v a t p a s e c 亚基的表达减少6 0 液泡膜两侧的质子梯度减小 使c a i i a n t i p o r t e r 驱动的c a 2 进入液泡 的过程受阻 因而在胞 b c d 处理时 虽然保卫细胞中出现 c a 2 c y c 振荡现象 但是 c a 2 c y t t 辰荡 的参数发生改变 气孔不能正常关闭 a l l e ne ta t 2 0 0 0 表明液泡膜c a h a n t i p o r t e r z e c a 2 参与 的信号转导过程中起作用 现在已经从拟南芥和蚕豆中克隆 l j c a h a n t i p o r t e r 的基因c a x l 和 v c a x l h i r s c h ie t a t 1 9 9 6 u e o k a n a k a n i s h ie t a t 1 9 9 9 过表达拟南芥c a x i 的烟草液泡中c a 4 中国农业大学博士学位论文第 章文献综述 大量积累 而细胞的其他部分c a 2 十浓度减小 植株表现出c a 缺乏症 与对照丰甘比 转基因植株 更容易枯萎坏死 顶芽窑易死亡 根的伸长受到抑制呷i r s c h ie la l 1 9 9 9 而且对冷的敏感性降低 对高浓度i j m 9 2 k t 敏感 p j j l l c a 2 能减轻这些症状 表明液泡膜c a 2 切ra n t i p o r t e r 在维持细胞 内的c a z 稳态 n c a 参与的信号转导过程中起作用 k 是在细胞内重要的渗透调节物质 并参与许多生化过程 液泡是植物细胞内最 人的k 的 储存库 在维持细胞质内k 十浓度稳定方面起作用 研究发现 当胞外k 浓度发生变化时 胞质的 k 浓度相对稳定 但是液泡内的k 浓度变化很大 w a l k e re t a l l 9 9 6 已经在液泡膜上鉴定出多个 允许k 通过的通道 其中最为丰富的是快速激活 f a s t a c t i v a t i n g f v u 慢遮激活 s l o w a c t i v a t i n g s v 的液泡通道 s b a b a l ae l a l 2 0 0 3 这两种通道在植物不同的组织细胞中是普遍存在的 最 近又在拟南芥液泡膜上鉴定出一个双孔的k 通道a t k c 0 1 s c h 6 n k n e c h te ta l 2 0 0 2 此外在液泡膜 上还可能有其它类型的离子通道参与k 运输 如o s h a k l 0 属于k u p h a k a j p 家族 b a f i u e l o s e l a l 2 0 0 2 和n h x l 一个液泡膜上的n a h 交换器 e d u a r d oe l a l 2 0 0 0 参与细胞生长 植物固定在某个地方生活 为了尽可能夺得扩大光合面积和吸收面积 植物必须尽可能的 扩展地上部分和地下部分 通过增大液泡体积来增大细胞的体积是一种最经济的办法 细胞在分 化完成后 不是通过增加原生质的合成 而主要是通过液泡的增大来增大细胞体积 植物细胞要 想增大体积 必须首先克服细胞壁的束缚 这个力量来自于细胞的膨压 为了维持细胞的膨压 细胞必须主动运输溶质到液泡中以维持渗透势 这些溶质包括k n a c a m 9 2 c i s 0 4 2 p 0 4 n o 溶质从原生质主动运输到液泡内的动力来主要自丁植物液泡膜上有两种质子泵 h 一a t p a s e v a t p a s e f l h 一焦磷酸酶 h p y r o p h o s p h a t a s e v p p a s e 水解a t p 驱动质子的跨膜进 入液泡 建立的液泡膜两侧的质子电化学势梯度 拟南芥的d e t 3 突变体 由于液泡膜的v a t p a s ec 一 砸基的表达减少6 0 液泡膜两侧的质子梯度减小 影响细胞的延伸生长 植株牛长明显受到抑 制 比野生型植株矮d s e h u m a c h e re ta t 19 9 9 水分进入液泡则主要是通过液泡膜上的水通道蛋白 t i p s 液泡膜内在蛋白 q b n o p l a s t i n t r i n s i cp r o t e i n s t i p s 或称永孔蛋白 是液泡膜上最丰富的转运蛋白 大多数具 有传递水分的功能 b e t h k ee ta t 2 0 0 0 参与液泡体积的调节 利用分离的小泡进行体外实验发 现 由液泡膜形成的小泡的导水速率要高于质膜 表明液泡漠上水孔蛋白的密