激素对植物气孔发育的调控研究(2)

　　BIN2可 磷 酸 化MKK4、MKK5,也可影响MKK3和MKK6的活性[28].同时BIN2也可直接与YDA和SPCH进行结合，直接控制SPCH1[25].

　　2.2生长素与气孔发育

　　生长素广泛参与植物发育的调节，协调器官和细胞的分布模式。生长素信号途径目前报道的有2种，即以AUXIN BINDING PROTEIN1（ABP1）为受体 的 途 径 和TRANSPORT INHIBITOR RESIST-ANT1/AUXIN SIGNALLING F-BOX（TIR1/AFB）为受体的信号途径。生长素作为分子桥连接和稳定其 受 体SCFTIR1/AFB1-5和AUXIN/INDOLE ACETICACID（Aux/IAAs）蛋白之间的相互作用，从而导致后者泛素化降解，释放出与Aux/IAAs蛋白形成二聚体而 受 到 抑 制 的AUXIN RESPONSE FACTORS（ARFs）蛋白，而ARFs参与生长素响应基因的转录调节。植物进化出复杂的机制来控制生长素的时空分布及动态平衡，其中活性和极性的细胞以及细胞的极性运输尤为重要，并受PINFORMED（PIN）蛋白和ATP-BINDING CASSETTE SUB-FAMILY（ABCB）家族的多个成员共同介导[30-31].在气孔发育过程中，生长素极性运输和信号参与控制气孔干细胞的数目和前体细胞从不等分裂向均等分裂的转换。生长素外运的阻断，如pin多突变体（pin1,3,4,7;pin2,3,4,7等）、gnom突变体（GNOM蛋白介导了生长素转运蛋白PINs在膜间的运转）都表现出气孔分布模式的异常，后者甚至发生了气孔形态上的改变。化学地阻断或打破体内生长素转运过程也会影响气孔发育，如用Brefeldin A（BFA），一种抑制GNOM蛋白对生长素外运载体胞内运转和生长素极性运输造成影响的化合物，能导致干细胞分布的异常聚集；而抑制生长素外运的化合物NPA,也能诱发气孔簇的形成。此外，生长素受体及信号途径相关的突变体（如abp1、tir1-1afb多突变体）都有气孔表型。利用位于细胞膜上的PIN3-GFP和位于细胞核中的DR5和DII作为探针，通过time lapse技术，Le等[32]监测了气孔发育中生长素转运及信号的动态变化，进一步揭示了生长素在决定气孔世系干细胞命运和气孔分布模式方面的作用。最近，Zhang等[33]又揭示了生长素在气孔发育中的作用是通过MONOPTEROS（MP）/ARF5对叶肉细胞中移动的多肽信号基因STOMAGEN的转录调节实现。

　　2.3脱落酸与气孔发育

　　长久以来，ABA作为胁迫响应激素，在逆境调节下迅速调节气孔关闭的作用得到广泛研究[34],多种植物中都有关于ABA和干旱胁迫影响气孔发育的报道。在小麦（Triticum aestivum Linn.）中，叶片上气孔的数目和铺列细胞（pavement cell,PV）的大小在水分胁迫或者外施ABA时都下降[35].在紫露草（Tradescantia reflexa）中，外源ABA引起气孔和PV细胞密度的下降，而气孔指数上升[36].还有气孔密度与叶片ABA浓度相关[34],以及气孔发育与干旱程度相关的报道[37].这些有关气孔密度对ABA或/和水分胁迫反应的差异性结果，可能与ABA处理或者干旱处理的时间有关，处理的时间不仅可能影响气孔还影响周围PV细胞的发育。

　　近来Tanaka等[38]证实，在拟南芥中ABA不仅能调节气孔功能，也调节气孔发育。

　　ABA生物合成相关的突变体气孔的密度发生改变，如黄氧素脱氢酶基因突变而导致ABA缺乏的aba2-2突变体子叶背轴面气孔密度增加，而催化ABA分解关键酶的双突变cyp707a1、cyp707a3子叶气孔密度极大下降，这些说明ABA是限制气孔密度的重要因子。

　　进一步研究发现，SPCH和MUTE的表达在ABA相关的突变体中都发生了改变，ABA作用于SPCH和MUTE的上游调节气孔发育[39].

　　2.4赤霉素与气孔发育

　　GA对生长在低营养培养基的拟南芥幼苗胚轴的气孔发育起关键调节作用。用阻断GA生物合成的试剂多效唑（PAC,PACLOBUTRAZOL）处理拟南芥幼苗，胚轴气孔发育受到抑制，而子叶中的气孔则无变化，说明GA在胚轴和子叶中对于气孔的发育调控影响是通过不同途径来实现的。而且GA缺失突变体ga1-1只在子叶中有气孔，胚轴中没有，其胚轴中的气孔缺失表型可被外源GA3恢复。不过到目前为止，GA调节气孔发育的具体位点及机理尚不明确。

　　另外，GA的生理功能主要通过DELLA蛋白来实现[40].作为GA反应的负向调节蛋白，DEL-LA能结合多种转录因子，如与PIF3和PIF4结合调节胚轴在暗中的伸长[41],与MYB1调节种子形成过程中α-淀粉酶的活性[42].气孔发育的3种关 键bHLH转录因子 （SPCH/MUTE/FAMA）是否也受DELLA蛋白的调节，还需要进一步研究。

　　2.5乙烯与气孔发育

　　用乙烯合成前体1-氨基环丙烷-1-羧酸（1-amin-ocyclopropane-1-carboxylic acid,ACC）处理拟南芥幼苗，子叶表皮气孔密度和气孔分布模式发生改变。

　　如果在外加ACC处理的同时再添加抑制ACC氧化酶 活 性 的 氨 基 乙 基 乙 烯 基 甘 氨 酸 （aminoe-thoxyvinylglycine,AVG）或者用抑制乙烯和受体结合的Ag2+处理植株后，气孔数目和分布模式恢复正常。同时，乙烯信号途径中关键调节蛋白CONSTI-TUTIVE TRIPLE RESPONSE1（CTR1）[43],其突变体ctr1具有类似外源ACC处理野生型的子叶气孔表型，且外加AVG不能使其恢复正常。此外，短时的外源乙烯处理，能引起暗中生长的黄瓜（Cucu-mis sativus Linn.）下胚轴气孔增多和异常聚集及表皮毛形态变异。乙烯处理同时改变了某些细胞的命运及细胞分裂的极性，导致气孔簇和分支表皮毛的形 成[44-46].2003年，Saibo等[40]报道GA调节拟南芥（Arabidopsis thaliana）胚轴气孔发育时，曾提及乙烯和IAA能协同促进GA1作用。作者认为，由于乙烯不敏感突变体etr1-1的气孔密度与野生型类似，乙烯可能不是最重要的调节因素。但在胚轴气孔发育过程中，IAA和GA同时添加时对气孔形成的强烈诱导作用在etr1-1中消失了，说明在野生型中GA和IAA对气孔发育的调节需要完整的乙烯信号途径[40].

　　3 小结

　　BR、生长素、乙烯、ABA和1都作用于气孔发育，它们在气孔发育中的调节作用开始被揭示出来，但它们之间是否按顺序作用，和/或最终靶向同样的关键靶标，如MPK级联YDA和bHLH转录因子SPCH,目前还不清楚。不同的激素可能作用于气孔发育的不同阶段，多种激素也可能同时作用于同一细胞学过程。生长素、BR、GA和ABA似乎参与气孔发育中不同的方面，同时又有交叉，以一种相互渗透的方式而不是分层的方式发挥作用。生长素通过调节来自叶肉的胞位信号STOMAGEN而控制表皮气孔 的 发 育，而BR调 节 胞 内 的YDA-MAPK级 联 信 号 过 程 及SPCH蛋 白 的 稳 定 性，ABA则 可 能 将 外 界 环 境 因 子 如 水 分 和SPCH/MUTE的转录调节连接起来，而GA信号途径的DELLA则可能连接了生长素和乙烯等其他激素信号。植物体内复杂调控网络的存在，加上激素信号级联往往涉及自身生物合成的反馈调节，使得激素途径的交叉调节既难以界定，富有挑战，又值得深入研究。而气孔发育过程由于其多元化的调节过程，简单易操作的特点，为这一研究提供了一个良好的平台。

　　另外，多种环境因子，如CO2浓度、光、温度和湿 度 等，都 能 直 接 或 间 接 地 影 响 气 孔 开 闭 状态[36-38,47-49],同时还能通过激素信号途径调节气孔发育而改变气孔密度。其中，YDA和SPCH可能扮演交叉点的角色，汇集着光、温、湿度各种外界环境刺激和内部各种激素信号途径。植物发育的灵活性和可塑性，发育和功能之间的反馈调节，都在气孔这一研究背景下得到了充分体现。而这些相互作用和机理，还远远没有研究清楚。