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Plantarray植物生理表型平台:保卫细胞研究

发布时间:2022-05-19 点击量:174

气孔控制叶片内部空气空间和外部大气之间的气态通量。保卫细胞决定气孔孔径,并且必须运行以确保光合作用的CO2吸收(A)和水分流失以及最终植物水分利用效率(WUE)之间的适当平衡。A和气孔导度(gs)之间的强相关性被充分记录并经常观察到,但促进这种关系的潜在机制、可能的信号和代谢物目前尚不清楚。在这篇综述中,我们评估了当前关于叶肉驱动信号的文献,这些信号可能与叶肉碳同化协调气孔行为。我们探索了包括蔗糖和苹果酸在内的各种代谢物(来自几个潜在来源;包括保卫细胞光合作用)的可能作用,以及新的证据表明通过操纵保卫细胞内的蔗糖代谢来改善WUE。最后,我们讨论了可用于潜在操纵细胞特异性代谢的新工具和技术,包括保卫细胞和叶肉细胞,以阐明叶肉衍生的信号,这些信号将叶肉CO2需求与气孔行为相协调,从而提供对这些过程的机械理解因为这可以确定潜在的操作目标,以提高植物WUE和作物产量。

叶肉和气孔之间的协调

gs和A之间的密切相关性经常在CO2浓度和光强度范围内观察到,最初提出胞间CO2浓度(Ci)有助于维持叶肉光合作用与气孔孔径的协调(图1)。Ci不仅取决于气孔孔径和从大气进入叶片的气体通量,还取决于通过叶肉光合作用消耗的CO2。光诱导内部CO2(Ci)的光合消耗,从而打开气孔。因此,Ci协调光合响应和叶肉对CO2的需求与气孔导度是一个有吸引力的假设。然而,一些研究表明,气孔对CO2(包括Ci)的响应太小,因此不足以解释观察到的响应光的gs相对较大的变化。这一证据,以及在表皮果皮中气孔对光和二氧化碳作出反应的观察结果,导致了保卫细胞本身的直接感知和信号转导的建议。然而,文献中并没有达成共识,对于完整的叶子和孤立的表皮,报告的气孔对光和CO2浓度的反应通常不同。此外,在同一物种中,但在不同的实验室中,已经观察到气孔导度变化幅度和速度的差异。由于这些原因,尚未明确建立协调和促进光合作用(A)和gs之间密切关系的潜在机制和信号。

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图1.叶片横截面示意图,显示连接叶肉和保卫细胞并影响气孔行为的可能机制

叶肉信号

有人提出,保卫细胞的反应与叶肉光合作用活动的产物有关,通过一个可扩散的因子,即“叶肉信号"。这一假设的推动力是叶肉光合能力与gs之间的密切关系,这是在各种条件下观察到的。叶肉驱动信号的想法并不是一个新想法。1954年Heath& Russell提出,有一种间接的化学或电信号从表皮或叶肉细胞传递来影响气孔行为。随后的研究表明,该信号是光合作用的代谢产物,它平衡了Rubisco和电子传输限制之间的光合作用。对活性叶肉驱动信号在气孔反应中的作用的支持来自对表皮果皮进行的实验。这些研究表明红光或 CO2浓度对气孔孔径没有影响,或者报告了通常在几个小时内反应较慢和/或减少敏感性与完整叶片中报告的反应相比。然而,应该指出的是,虽然一些研究报告了光和CO2对表皮中气孔反应的影响很小,但有许多优秀的研究和大量文献表明表皮和保护层中的光和CO2的气孔反应显着细胞原生质体。迄今为止,Lee&Bowling命名为“stomatin"的信号仍然难以捉摸(图1)。

反对Ci以外的叶肉驱动信号的论据

有许多反对叶肉驱动信号协调叶肉光合作用与气孔行为的论点。Roelfsema在有和没有叶肉照明的情况下照亮单个保卫细胞,以及蚕豆的白化区域和 绿藻叶子的杂色区域,以证明如果底层叶肉也被照亮,保卫细胞只对红光作出反应。这些研究支持气孔响应中叶肉驱动信号的想法,然而,作者将响应分配给Ci中叶肉驱动的变化。对Ci介导的气孔反应的进一步支持来自对高温1(HT1) 突变体的研究,该突变体在编码蛋白激酶的基因中携带突变。Hashimoto表明ht1突变体的气孔对蓝光有反应,但缺乏红光和CO2反应,因此表明红光和CO2气孔反应之间存在协调,表明Ci驱动的协调。

保卫细胞渗透调节和蔗糖作用的证据

蔗糖被认为是参与叶肉光合作用和保卫细胞渗透调节之间协调的潜在代谢物。然而,在探索涉及蔗糖信号的潜在机制之前,重要的是概述气孔渗透调节以及糖在保卫细胞和气孔行为中的作用和来源,因为这些也有可能提供信号或机制/途径。

淀粉降解

淀粉夜间在保卫细胞中积累,并在整个光照期间缓慢消失。如上所述,这一观察是淀粉-糖假说的基础,后来又成为淀粉-苹果酸假说的基础。有证据表明,淀粉-糖和淀粉-苹果酸这两个代谢过程依赖于光质量,蓝光会刺激淀粉分解为Suc而不是产生苹果酸。通常假设在保卫细胞中发现的淀粉来自底层叶肉中光合作用的终产物(例如Suc),叶肉被输入保卫细胞。这本身提供了叶肉光合作用和保卫细胞功能之间的长期联系,但从一天到下一天在时间上是分开的。Ritte 等通过鉴定单糖-H+同向转运蛋白的活性提供了保卫细胞特异性糖转运的证据。拟南芥中H+-单糖同向转运体AtSTP1的表达在夜间很高,支持夜间吸收 Suc以进行淀粉合成。然而,有趣的是注意到在中午左右观察到的AtSTP1表达的瞬时昼夜调节增加表明渗透调节的作用。不过,应该指出的是,拟南芥保卫细胞中的淀粉在清晨几乎不存在,因此不同物种的代谢和气孔反应可能不同。

Suc的保卫细胞光合产物

大多数保卫细胞含有功能性叶绿体,兜兰属物种是这一规则的例外之一,它没有叶绿体但具有功能性气孔。多年来,人们还知道在保卫细胞叶绿体中发生线性电子传输,尽管光系统I的高数量和活性被认为表明循环电子流的高速率并支持了ATP生产可能提供质膜所需能量的观点离子摄取所需的质子泵。或者,电子传递产生的能量和还原剂(ATP和NADPH)可用于减少淀粉降解产生的草酰乙酸(OAA)和苹果酸(Outlaw, 2003),这与气孔孔径的增加有关。最广泛接受的共识是,即使通过卡尔文循环固定CO2发生在保卫细胞中,对气孔开放的渗透要求的贡献也很小,而且对于任何重要功能来说都太低,有报告表明只有2%对保卫细胞渗透调节的贡献。然而,尽管进行了数十年的研究,保卫细胞叶绿体的作用及其在为气孔调整提供能量或Suc或作为使叶肉光合作用和气孔行为之间协调的信号机制方面的潜力仍然未知,需要进一步研究。

从叶肉中导入的保卫细胞Suc

除了发挥渗透作用外,糖在保卫细胞中的机制尚不清楚。如上所述,糖可能为气孔打开提供能量,并补充碳水化合物储存,如淀粉。然而利用光合作用受损的转基因植物进行的研究质疑了光合作用产生的Suc(来自保卫细胞或叶肉细胞)在气孔开放中的作用。在这些研究中,如果光合驱动的Suc打开气孔,通过卡尔文循环中关键酶活性的降低而降低的光合作用不会降低气孔导度。相反,由于sedoheptulose-1,7-双磷酸酶(SBPase)活性降低而导致光合作用降低的植物(RuBP再生中的一种关键酶,对光合作用具有高控制系数,因此对Suc的产生)表现出更大的气孔导度趋势。

糖感应与代谢

Suc是大多数植物物种中最常运输的光同化物。一旦进入细胞,Suc可能会被代谢、储存在液泡中或转化为质体中的淀粉。为了在细胞内代谢Suc,需要两个预处理步骤:(1) 通过Suc裂解酶(也可能释放 UDP-葡萄糖)将Suc裂解为其衍生物葡萄糖和果糖,以及(2)葡萄糖的磷酸化和果糖通过糖磷酸化酶、己糖激酶(HXK)和果糖激酶(FRK)。磷酸化的己糖、葡萄糖-P 和果糖-P 然后作为中枢代谢过程的初始必需底物,例如糖酵解、能量产生和有机分子的形成。

苹果酸作为叶肉驱动信号的重要性

除蔗糖外,苹果酸还可以作为气孔打开和关闭的渗透剂,为K+离子提供反离子。保卫细胞中苹果酸的产生也与这些细胞中的电子传递和淀粉降解有关。早期研究表明,保卫细胞内电子传递产生的能量和还原剂可以支持通过磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC) CO2固定产生苹果酸,淀粉一天中的分解提供了所需的碳骨架。据报道,随着辐照度PEPc活性的增加,结合NADP或NAD 依赖性苹果酸脱氢酶活性的增加导致苹果酸在保卫细胞中积累和气孔开放。使用磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC)抑制剂 3,3-二氯-2-二羟基膦酰基甲基-2-丙烯酸 (DCDP) 在蚕豆的表皮条带中抑制苹果酸合成可防止由于苹果酸减少而导致的气孔打开以响应光照。在光照下应用时,DCDP减少了气孔孔径以及保卫细胞苹果酸盐浓度的降低,证实了甲酸盐在保卫细胞开放中的渗透作用。

水通道蛋白的作用

除了糖/苹果酸和离子通道在调节气孔运动中的潜在作用外,水通道蛋白也与气孔孔径的控制有关。水通道蛋白编码细胞内和质膜的水通道,在保水方面发挥着至关重要的作用。在气孔中,水流是保卫细胞膨胀的一个重要方面,水含量的变化对这些细胞的渗透势有更广泛的影响。此外,一些水通道蛋白还被描述为除了碳水化合物路由外还参与CO2、H2O2、硼和硅的运输,因此涉及多种功能,如碳固定、营养转运和细胞信号传导,从而在叶肉和气孔导度之间的相互作用中发挥作用。

保卫细胞操作和未来可能的方向

为了理解叶肉和保卫细胞代谢之间的联系,基因工程提供了一个独特的机会,不仅可以剖析气孔生理学和功能,还可以剖析每种细胞类型在控制气孔代谢、气孔开放方面的具体作用和用水效率。Lawson&Blatt回顾了改变气孔数量和大小以改善WUE 的复杂性,并强调保卫细胞功能可以抵消解剖变化。然而,他们还指出,操纵保卫细胞代谢是在保持光合作用速率的同时增加 WUE的潜在目标。

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图2.己糖激酶的保护细胞特异性表达减少了茄属植物的整株蒸腾作用并提高了水分利用效率(WUE)

糖在保卫细胞功能中的作用也得到了深入研究。然而关于保卫细胞中糖的起源,对比结果仍然存在争议。KST1的启动子是一种保卫细胞特异性启动子,已被用于驱动番茄保卫细胞中HXK的表达。转化的茄属植物和植物的净光合作用不受影响生长,而相对于野生型对照植物,蒸腾作用减少(图2)。这提高了植物的瞬时用水效率(IWUE)。这些结果表明,在保卫细胞中表达HXK可能是提高植物WUE的有效方法

在这篇综述中,我们讨论了调节保卫细胞-叶肉相互作用的一些关键特征。从现有研究中可以清楚地看出,这些关系是复杂的,涉及多种机制和信号响应。因此,综合方法将使我们能够解开这些途径中的每一个的关键组成部分,并确定它们如何相互关联,为未来的操纵提供可能的潜在目标。


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