【《植物气孔研究进展国内外文献综述》4400字】

植物气孔研究进展国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u30325植物气孔研究进展国内外文献综述 1293991.1植物气孔概述 1217581.2气孔运动 2200481.3HCF106（HighChlorophyllFluorescence106）蛋白与气孔运动的关系 6气孔是植物叶片表皮上由一对保卫细胞围成的小孔结构，它是植物进行气体交换和水分散失的主要场所，在植物光合作用和蒸腾过程中发挥重要作用。干旱胁迫能在一定程度上改变植物的气孔密度、气孔大小和气孔开度，从而引起植物光合作用和蒸腾作用的变化，最终影响植物的抗旱性。1.1植物气孔概述气孔是植物特有的表皮结构，通常位于植物茎叶等器官的表皮，由一对保卫细胞围绕一小孔形成。保卫细胞通过离子驱动的扩张来控制起孔的大小，从而使植物在尽可能少的水分散失的同时获得最大的光合效率。植物的气孔调节主要包括气孔发育和气孔运动两个方面。气孔的发育主要受各类表皮模式因子的调控，同时还受到激素、光照、水分、二氧化碳浓度等环境因素的影响。气孔运动主要是气孔的开闭，其本质是保卫细胞膨压的变化，具有一定的生物节律性。保卫细胞与周围细胞形成体积差异，也使得保卫细胞更易通过水分和离子交换改变细胞膨压，从而调节气孔孔径。保卫细胞可以不断地感知环境中的各种刺激，以及来自根部的远程信号，整合这些信号，最终将它们转化为自身膨压的变化。通过保卫细胞自身的松弛或收缩，使体积增加或减小，进而控制气孔的开闭，最终调节植物的光合作用和蒸腾作用，平衡二氧化碳的固定和水分的流失。气孔运动受到多种信号的调控，如光照强度、Ca2+、温度、湿度、ROS以及病原体等。因此，在胁迫条件下，许多植物都通过直接调节叶片气孔的开闭来减少水分散失或病原体的进入。目前，通过基因工程手段可以实现对气孔开度、密度及空间分布的调节，从而改变植物的生长和抗旱性。图1-1气孔运动的调控因素（SinghRetal.,2016）Figure1-1Stomatalmovementregulatoryfactors1.2气孔运动1.2.1ABA调节气孔运动ABA是与逆境关系最密切的植物激素。由ABA诱导的气孔关闭一直是逆境生物学研究的热点。在胁迫条件下，植物会在短时间内快速感受到来自环境的胁迫并产生ABA信号，通过第二信使及其下游蛋白激酶的信号转导过程，调控一系列基因的表达，从而建立防御系统帮助植物适应外界环境。ABA调控气孔关闭的过程依赖于保卫细胞分泌的K+、阴离子和其他的渗透调节物质。例如，为了应对干旱，ABA诱导保卫细胞胞质Ca2+浓度增加，气孔开度随之减小。而保卫细胞胞质Ca2+浓度的增加反过来激活慢速阴离子通道，并且抑制内向K+通道，导致离子外流，膨压减小，最终气孔关闭。气孔关闭的主要功能是避免水分过度流失，从而增加植物的耐旱性。ABA控制的过程是植物生存的必要条件，ABA缺失突变体易受水分胁迫的影响。图1-2ABA诱导气孔关闭的信号通路（Qijetal.,2018）Figure1-2ThesignalingpathwayofABAinducesstomatalclose1.2.2淀粉-糖代谢调控气孔运动20世纪40年代，人们普遍认为离子是打开气孔的主要渗透调节物质。然而，随着研究的不断深入，基于含糖量与气孔开度关系的研究逐渐受到重视。自2013年以来，研究表明，己糖激酶（HXK）可以感知到保卫细胞中高浓度的糖导致气孔关闭。外源施加不同浓度的糖（如蔗糖、葡萄糖等）可以降低番茄的气孔开度，但是ABA缺失的番茄突变体的气孔开度对外源施加的糖没有反应，说明糖介导的气孔关闭效应可能是由ABA在保卫细胞内触发的信号介导的。此外，有研究表明，蔗糖合成酶（可将蔗糖分解为UDP-葡萄糖和果糖）在保卫细胞中表达降低了保卫细胞的蔗糖含量，但促进了气孔开放，表明蔗糖的分解可能为呼吸提供底物，为气孔开放提供能量。近年来的研究表明，保卫细胞的淀粉代谢在调节气孔运动中起着重要作用。植物在应对高浓度的二氧化碳时，淀粉的合成可以减少渗透分子的含量，可能有助于气孔关闭。此外，保卫细胞中淀粉的降解对气孔开放的速度和生物量的产生也起着至关重要的作用。Horrer等（2016）通过一项新技术探索了保卫细胞每日淀粉循环的动态变化。结果发现，光照后1小时保卫细胞淀粉开始合成，持续到半夜，然后开始缓慢降解。黎明时，保卫细胞中大约一半的淀粉已经被降解。光照后，保卫细胞中的淀粉在1小时内迅速耗尽。保卫细胞的短期淀粉降解产生有机酸和糖，增大保卫细胞膨压，促进气孔开放。β-淀粉酶1（BAM1）在保卫细胞中优先表达，通过氧化还原调节激活淀粉降解。此外，研究发现，在轻度缺水的条件下bam1突变体气孔开度比野生型小，具有更好的抗逆性和更高的生物量。因此，保卫细胞淀粉的降解程度对适应环境刺激如生物胁迫引起的气孔运动至关重要，能够促使植物更好的提高水分利用效率。图1-3保卫细胞淀粉代谢调节气孔运动（DanielHetal.,2016）Figure1-3Starchmetabolismregulatesstomatalmovement1.2.3ROS与气孔运动前人研究表明低浓度的活性氧（ROS）可以作为信号分子调节植物的应激反应，例如气孔关闭、诱导防御基因的表达。ROS是所有需氧生物中普遍存在的代谢物，包括过氧化氢（H2O2）、单线态氧（1O2），超氧阴离子、自由基（·O2-）、羟自由基（·OH）等。在气孔运动过程中，活性氧首先在保卫细胞质外体产生（图1-4），然后通过信号传递激活阴离子通道。同时，ROS还可以氧化翻译后修饰作用调节多种蛋白质的活性实现对保卫细胞信号的精准调控。研究发现，H2O2在ABA介导的气孔关闭中起关键作用。在胁迫条件下，ABA合成增加，通过与PYL/PYR/RCAR结合激活一系列级联反应，最终激活OST1蛋白。OST1可以直接磷酸化阴离子通道SLAC1，从而促进阴离子流出和气孔关闭。此外，质膜NADPH氧化酶RbohF也是OST1的直接受体，OST1通过磷酸化RbohF促使O2.-的产生，随后形成H2O2。ROS被认为是气孔运动中整合胁迫和ABA信号的第二信使，它可以被AtGPX3和PP2C蛋白家族的ABI1和ABI2感知，AtGPX3被认为类似于酵母GPX-like酶ORP1，在保卫细胞中起活性氧传感器和清除剂的作用。AtGPX3可以与ABI2和ABI1相互作用，氧化的AtGPX3可以显著降低ABI2的磷酸酶活性。下游的活性氧受体MAPK组分MPK3、MPK9和MPK12被ABA和H2O2激活，参与ROS介导的ABA气孔关闭信号。此外，质膜受体样激酶GHR1在ABA和H2O2介导的气孔关闭中也起重要作用，GHR1通过磷酸化激活SLAC1，而ABI2拮抗GHR1对SLAC1的激活。前人研究表明，H2O2既可以促使气孔打开，也可以使气孔关闭。ROS在水杨酸（SA）介导的气孔关闭过程中起着重要作用。与ABA不同，SA通过过氧化物酶催化作用介导保卫细胞ROS的产生。研究发现，外源施加SHAM（过氧化物酶抑制剂）、SOD和CAT抑制ROS的积累后都能破坏SA诱导的气孔关闭。SA诱导气孔关闭的同时还会使K+通道失活。ROS还参与茉莉酸诱导的气孔关闭。植物激素茉莉酸甲酯（MeJA）被认为可以诱导保卫细胞ROS产生。在MeJA诱导的保卫细胞信号中，ROS的主要来源是NADPH氧化酶RbohD/RbohD。外源施加DPI（NADPH氧化酶抑制剂）可以抑制MeJA诱导的气孔关闭。同样，在NADPH氧化酶双突变体rbohdrbohf中，MeJA则不能诱导其气孔关闭。ROS参与ATP诱导的气孔开放。研究发现，在光照和黑暗条件下，细胞外ATP能促进拟南芥的气孔开放。ADP、GTP和弱水解的ATP类似物都表现出相似的作用，而AMP和腺苷则不影响气孔运动。ATP诱导的气孔开放可被NADPH氧化酶抑制剂（DPI）或脱氧剂二硫苏糖醇（DTT）阻断。，ATP诱导的气孔开放在NADPH氧化酶双突变体rbohdrbohf中也被破坏。外源施加ATP可触发保卫细胞中NADPH氧化酶介导的ROS产生。在rbohdrbohf突变体中，ATP诱导气孔开放，胞质ROS的爆发，Ca2+的流入和H+的流出等现象均被破坏。因此，ROS在ATP诱导的气孔开放过程中具有重要作用。此外，ROS也参与到BR、乙烯等调节的气孔运动过程，表明在气孔运动的调节中存在着交叉的信号通路，而H2O2承担着重要角色。图1-4ROS与气孔运动调控网络（DanielHetal.,2016）Figure1-4ROSinvolvedinstomatalmovementregulationnetwork1.2.4NO与气孔运动NO是一种游离基气体，由能释放NO气体的化合物产生，前人研究发现，在拟南芥、小麦、番茄等植物的气孔关闭过程中都有NO的参与。在气孔关闭的过程中，NO作为一个信号分子，除了防御病原体之外，还参与植物的生长发育。保卫细胞的NO增加，会使游离的Ca2+增加，从而抑制K+内流，促进阴离子流出，这些会导致保卫细胞膨压减小，气孔关闭。此外，NO也是茉莉酸甲酯（MJ）诱导的气孔关闭的信号分子之一。马敏等（2013）人发现，在暗诱导蚕豆气孔关闭的过程中，不仅有NO的参与，H2O2也参与其中，表明H2O2和NO可能存在相互的作用关系。同时还有研究发现，外源施加SA可以促进保卫细胞NO含量增加，同时诱导气孔关闭，而用NO清除剂CPTIO以及NO合成抑制剂处理后，气孔关闭效应被抑制。但是关于NO参与调节气孔运动的试验大部分是通过H2O2与NO相互作用实现的，这表明二者在调节气孔运动过程中存在协同作用。1.2.5G蛋白与在气孔运动中的作用G蛋白是GTP结合调节蛋白（GTPbindingregulatoryproteins）的简称。G蛋白最早是在动物细胞中发现，利用动物细胞的研究已经证明G蛋白在细胞信号转导，特别是跨膜细胞信号转导中起着重要作用。Jin等（2013）对异三聚体G蛋白突变体gpa1的研究发现，突变体的保卫细胞对ABA抑制的气孔开放不敏感，同时保卫细胞K+内流通道对ABA也不敏感，说明G蛋白的存在对ABA抑制气孔开放和K+内流通道是必要的。此外，研究还发现G蛋白是保卫细胞合成H2O2所必须的。霍乱霉素（CTX）可诱导保卫细胞产生H2O2，而H2O2合成酶抑制剂DPI和H2O2清除剂CAT可阻断这种作用。与野生型相比，gpa1突变体保卫细胞中H2O2含量较低，用胞外钙调素（ExtCAM）（可以诱导保卫细胞Ca2+升高从而促进气孔关闭）处理后，保卫细胞内的H2O2水平没有显著变化，表明G蛋白可能位于H2O2的上游，促进气孔关闭。1.3HCF106（HighChlorophyllFluorescence106）蛋白与气孔运动的关系质膜NADPH氧化酶产生的活性氧被认为是气孔关闭中诱导脱落酸信号的主要活性氧来源。然而，细胞壁相关过氧化物酶和过氧化物酶体产生的活性氧也有助于活性氧介导的气孔关闭。大量研究表明，ABA处理，细胞外Ca2+，臭氧和其他刺激导致气孔关闭后，叶绿体积累大量ROS。随后，人们提出叶绿体依赖活性氧积累调节气孔运动的假说。Zhang等（2001）研究发现，ABA处理后保卫细胞叶绿体附近ROS的积累明显早于细胞的其它部分，即使外源施加NADPH氧化酶抑制剂也不能完全阻断叶绿体ROS的积累。Weinl等（2008）认为叶绿体参与了Ca2+调节的气孔运动，但是叶绿体产生的活性氧是否参与了对胁迫条件的气孔调节尚不清楚。HCF106（HighChlorophyllFluorescence106）是叶绿体类囊体双精氨酸转运酶cpTat系统（Twin-Argininetranslocase）的组分之一，它是由一个定位于叶绿体的核基因编码的蛋白（ClineK,2007）。cpTat是由Tha4、HCF106和cpTatC转运蛋白组成的类囊体腔蛋白转运系统，负责将前体蛋白（如光合传递链PSI和PSII组分等）转运到类囊体膜或腔，每种复合蛋白质的无效突变体在苗期是都会黄化不能存活。前人研究表明，拟南芥HCF106基因无效突变体（null-mutant）会发生黄化无法存活，但由T-DNA插入HCF106基因上游启动子区域引起HCF106基因功能部分失活的突变体却能存活，并且突变体的抗旱节水能力增强。这可能是由于突变体保卫细胞积累高水平的ROS，进而导致气孔开度降低造成的。但是HCF106是如何影响叶绿体