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蓝光诱导气孔开放 生物科学与技术学院王慧慧2007年5月 光是控制气孔运动的最主要环境信号 通常气孔在光下开放 暗中关闭 用光合电子传递的抑制剂DCMU处理叶片 只能部分抑制气孔在光下开放 这表明气孔开放除保卫细胞叶绿体的光合作用外还有其他反应参与 图红光背景下气孔对蓝光的反应用饱和的红光照射鸭跖草的离体表皮 在气孔开度达定值时给於蓝光照射 会使气孔孔径明显增加 Schwartz Zeiger 1984 在双光实验中 首先用红光饱和保卫细胞叶绿体的光合作用 在红光照射使气孔开度达定值时如果再给予蓝光照射 会进一步引起气孔开度明显增加 测定红光背景下蓝光促进气孔开放的作用光谱 观察到在400 500nm区域内呈现出特征性的 三指 图案 threefinger pattern 这些研究结果表明气孔对光的反应除了保卫细胞光合作用以外还包括蓝光反应 气孔对蓝光的反应发生在保卫细胞中 快速且可逆 一 蓝光激活保卫细胞质膜中的质子泵 蓝光通过激活保卫细胞质膜中的质子泵和诱导有机溶解物 如蔗糖 的合成来调节保卫细胞的渗透势 引起保卫细胞吸水膨胀 从而导致气孔开放 在以保卫细胞原生质体为材料的双光实验中 在饱和红光照射的背景下 蓝光的照射会激活质膜H ATPase引起H 流出细胞 使悬浮原生质体的介质的H 浓度提高而发生酸化 图30s蓝光脉冲刺激下蚕豆保卫细胞原生质体悬浮介质的酸化作用 Shimazakietal 1986 蓝光激活H ATPase建立的质膜H 电化学势梯度可驱动离子的跨膜转移从而调节保卫细胞的渗透势 保卫细胞的渗透势通常由K 以及相关平衡离子的浓度变化来调节 当气孔开放时 保卫细胞K 浓度从关闭时的100mM提高到400 800mM 浓度变化幅度与植物种类及试验条件有关 很多植物中 保卫细胞中由K 的积累所具有的正电荷需运入Cl 和苹果酸2 等负离子来平衡 二 参与蓝光诱导气孔开放的光受体 一直以来向光素被广泛认为是保卫细胞中的蓝光受体 ToshinoriKinoshita Nature 2001 然而对phot1 phot2双突变体的研究表明在缺乏向光素的条件下 其仍然保持了专一性的蓝光反应 我国杨洪全等人 发现拟南芥的cry1 cry2双突变体的气孔表现减弱的对蓝光的反应 而过量表达CRY1的转基因植株 CRY1 ovx 的气孔表现对蓝光的超敏感反应 这些研究结果表明隐花色素也参与了蓝光诱导的气孔开放 JianMao Hong QuanYang PNAS 2005 E ConfocalimagesofstomataoftheWT cry1 cry2 cry1cry2 CRY1 ovx andCRY2 ovxplants Epidermalstripswereilluminatedwith5molm2s1bluelightunderbackground50molm2s1redlightfor3h F StomatalaperturesunderdifferentlightconditionsintheWT cry1 cry2 cry1cry2 CRY1 ovx andCRY2 ovxplants Stomatalopeningwasinducedby50molm2s1redlightand20molm2s1bluelightplus50molm2s1redlight StomataoftheWTplantsopensignificantlywiderthanthoseofthecry1singleandcry1cry2doublemutantunder20molm2s1bluelightplus50molm2s1redlightrespectively G Fluenceratedependencyofstomatalopeninginresponsetobluelight Themeasurementsrepresentstomatalaperturesobtainedatdifferentfluenceratesofbluelightunderbackground50molm2s1redlight 一些研究表明玉米黄素在蓝光诱导的气孔开放反应中起了核心的作用 玉米黄素是叶绿体叶黄素循环的三种成分之一 它保护了光合色素免受过量的激发能量破坏 由入射辐射作用导致的保卫细胞中玉米黄素含量的变化明显不同于叶肉细胞中的变化 玉米黄素介导了保卫细胞中蓝光的光感受主要证据如下 玉米黄素吸收光谱与蓝光诱导气孔开放的作用光谱基本相一致 图10 18蓝光诱导气孔开放的作用光谱与玉米黄素吸收光谱 A 蓝光诱导气孔开放的作用光谱 背景光为红光 B 以乙醇为溶剂的玉米黄素吸收光谱 Karlsson1986 图10 19保卫细胞中玉米黄素含量与光合有效辐射及气孔开度较为一致 A 温室中栽培的番茄叶蚕豆叶叶肉细胞和保卫细胞中玉米黄素的日变化 以及到达叶片表面的光合有效辐射的日变化 B 被用来测定玉米黄素含量的同一叶片气孔开度的日变化 Srivastava Zeiger 1995 保卫细胞中含有比叶肉细胞多的玉米黄素 气孔开度随保卫细胞中玉米黄素含量增高而增大 玉米黄素的形成可以被二硫苏糖醇 DTT 阻断 DTT做为一种还原剂可以将S S键还原为 SH基团从而有效地抑制了将紫黄素转换为玉米黄素的酶的活性 蓝光诱导的气孔开放能够被3mMDTT完全抑制 这种抑制效应依赖其浓度 拟南芥玉米黄素缺陷型突变体npq1 nonphotochemicalquenching 由于缺乏紫黄素脱环氧化酶 不能将紫黄素转变成玉米黄素 因而不论是叶肉细胞叶绿体还是保卫细胞叶绿体都不能够积累玉米黄素 实验表明npq1突变体的气孔缺乏专一性的蓝光反应 三 蓝光诱导气孔开放的调控 H ATPase的C端有一个调控此酶活性的自抑制结构域 autoinhibitorydomain C端的自抑制结构域被认为是通过阻挡其催化位点来降低酶活性的 在蓝光照射下 H ATPase对ATP显示出较低的Km和较高的Vmax 这表明蓝光激活了H ATPase H ATPase的活化包括C端结构域丝氨酸和苏氨酸发生磷酸化反应 C端结构域的磷酸化能够使C端自抑制结构域离开酶的催化位点 一种14 3 3蛋白已被发现能够与保卫细胞H ATPase磷酸化的C端结合 但是14 3 3蛋白并不与非磷酸化的C端结合 14 3 3蛋白是真核生物中的泛素调节蛋白 它可以与一系列靶蛋白相互作用 在植物中 14 3 3蛋白在调控关键性代谢酶的活性上起了重要的作用 最近也有研究证实蓝光下保卫细胞向光素发生磷酸化并与14 3 3蛋白结合 ToshinoriKinoshita PlantPhysiol 2003 14 3 3proteinsareconservedphosphopeptide bindingproteins 14 3 3proteinsexistasdimers witheachmonomerabletobindatargetpeptidesequencewithinthegroovecreatedontheconservedinnerfaceoftheprotein Shownhereare a sideand b frontviewsofamolecularmodelofahuman14 3 3zmonomerwithaboundphosphopeptideshowninblack Genericfunctionof14 3 3proteins Proteinsphosphorylatedonserineresidueswithinspecificmotifsbecometargetsfor14 3 3binding Interactioncanresultinanalteredbehaviourofthetargetproteinthroughoneofarangeofdifferentmechanismsthataresummarisedinthefigure 我国杨洪全等人研究发现缺乏COP1的拟南芥cop1 ConstitutivePhotomorphogenesis 突变体的气孔在黑暗条件下表现组成型开放的表型 即其气孔开度与在蓝光 红光和远红光条件下的开度相当 由此证明COP1是气孔开放的主要负调控因子 JianMao Hong QuanYang PNAS 2005 Fig Stomataopeningofthecop1mutant GUS CCT1 andGUS CCT2plantsindarknessandunderdifferentlightconditions A Confocalimagesshowingthatstomataofthecop1 4mutant GUS CCT1 andGUS CCT2plantsareconstitutivelyopenindarkness andopenwiderthanthoseoftheWTunder50molm2s1red 50molm2s1far red and5molm2s1bluelightplus50molm2s1redlight B Stomatalaperturesinthecop1mutant GUS CCT1 andGUS CCT2plantsunderthesameconditionsinA COP1蛋白是一个分子量为76kD的核蛋白 它由3个特殊的结构域组成即环形锌指结合域 卷曲螺旋形结构域和WD 40重复序列 并含有一个核定位信号和一个新型细胞质定位信号 它是光调控植物发育的分子开关 核内COP1通过与特异转录因子相互作用来调节光形态建成 杨洪全等人通过构建cry1 cry2 cop1和phot1 phot2 cop1三突变体 并分析了在蓝光下这2个三突变体的气孔开度 发现与cop1的单突变体的表型相似 即气孔完全开放 由此从遗传上证明了COP1在CRY和PHOT信号转导途径的下游起作用 即CRY和PHOT介导的蓝光信号都必须经过COP1来完成对气孔开放的调节 JianMao Hong QuanYang PNAS 2005 SignalingpathwaysillustratingcoactionsofCRYandPHOTintheregulationofstomatalopeningpresumablythroughnegativeregulationofCOP1 SolidlineindicatesthedefineddirectCRY COP1interaction andthedashedlinedenotesthepresumptiveinteractions X postulatedintermediatesignalingpartner s actingbetweenphototropinsandCOP1 目前已有实验证据表明蓝光下cry可以和COP1结合 从而抑制了COP1的活性 气孔开放 图蓝光下隐花色素抑制了COP1的活性 在这一作用模型中 两个相同的隐花色素分子通过其N端光吸收结构域 CNTs 结合形成二聚体 通过其C端结构域 CCTs 与COP1的WD40结构域结合 在黑暗中 隐花色素同源二聚体处于无活性状态 使得COP1抑制光信号转导 然而在吸收了蓝光后 隐花色素N端结构域发生电子转移反应 导致C端结构域构象改变进而引起分子间自磷酸化反应 并最终激活了隐花色素 活化了的隐花色素通过某种目前尚未确定的机制抑制了COP1的活性 三角形代表了每个隐花色素分子生色团的结合位点 蓝光诱导气孔开放的信号转导级联放大途径的几个关键性的步骤已被阐明 此外 还可能有其他的信号传导途径参与此过程 蛋白激酶 磷酸酶 三磷酸肌醇 IP3 以及钙调素等都可能与蓝光诱导的气孔开放有关 因此在细胞质中的信息传递过程是相当复杂的 蓝光调控气孔运动信号转导 LightRegulationofStomatalMovement Annu Rev PlantBiol 2007 58 219 47 红光与蓝光调控气孔运动 四 绿光可以逆转蓝光诱导的气孔开放 最近研究发现绿光可以逆转蓝光诱导的气孔开放 这一反应类似于光敏色素红光 远红光可逆反应 Figure1Greenlightreversalofbluelight stimulatedopeningincontinuouslightexperiments Stomatawereilluminatedwith10 molm 2s 1bluelightgivenaloneortogetherwithgreenlightof10or20 molm 2s 1 Resultsareshownasthepercentreductionoftheopeningstimulatedbybluelight Theinsetshowstheaveragefinalaperturevalues DataafterFrechillaetal 2000 蓝光诱导气孔开放的绿光逆转作用光谱非常类似于蓝光诱导气孔开放的作用光谱 但是红移 向光谱长波长的红光条带移动 了大约90nm Figure2Actionspectrumfortheinhibitionofbluelight stimulatedstomatalopeningbygreenlightinViciafaba InhibitioncurvessimilartothatshowninFigure1wereobtainedforeachwavelengthandtheactionspectrumwasobtainedbycalculatingthefluencerateoflightatthatwavelengthnecessarytoobtain50 inhibition greencurve DataafterFrechillaetal 2000 Theactionspectrumforbluelight stimulatedopening bluecurve isshownforcomparison