蚕豆气孔保卫细胞中的NOS类蛋白定位及其功能分析

利用免疫荧光显微镜技术和免疫胶体金标记技术确定蚕豆气孔保卫细胞中存在一氧化氮合酶(NOS)类似蛋白, NOS主要分布在气孔保卫细胞的细胞核、细胞质、叶绿体、线粒体以及细胞壁上. 局部灼伤和外源茉莉酸(JA)都能提高蚕豆叶片和表皮NOS活性和一氧化氮(NO)水平, NOS的活性变化与叶片中的NO的变化趋势基本一致; NOS抑制剂L-NAME可抑制JA诱导的NO水平的增加. 由此推测, NOS途径是伤胁迫和JA诱导形成NO的主要途径. 药理学实验表明适当增加Ca²⁺浓度能够提高叶片NOS的活性和NO的水平, 说明蚕豆叶片NOS活性和NO的分布具有一定的钙依赖性. 保卫细胞中NOS及其催化形成的NO可能通过对气孔运动的调节参与植物对逆境的响应.     

植物保卫细胞中毒蕈碱型乙酰胆碱受体的定位

动物神经传导中的递质乙酰胆碱（ACh)在植物的许多生理过程中起重要作用,但关于植物中乙酰胆碱受体的研究较少。用绿色荧光物质BODIPY FL标记的高亲和性配体ABT对气孔保卫细胞的毒蕈碱型乙酰胆碱受体（mAChR)进行定位研究。发现该受体存在于蚕豆和豌豆的保卫细胞质膜上,蚕豆保卫细胞内部显示出特异的荧光标记,推测该受体可能存在于保卫细胞叶绿体膜上,mAChR在保卫细胞上的定位为ACh调控气孔运动提供了新的可能的信号转导途径。     

Ca2+/CaM参与乙酰胆碱调控气孔运动的信号转导

动物神经递质乙酰胆碱也存在于植物中并参与气孔运动调控. Ca2+/CaM在气孔保卫细胞信号转导中作为第二信使起着重要的作用. 药理学实验证明, 在含Ca2+的介质中, Ca2+通道阻断剂尼群地平及异博定(NIF, Ver)和CaM抑制剂三氟拉嗪(TFP)及W7抑制乙酰胆碱诱导的气孔开放, 但在含K+的介质中不起作用, 推测Ca2+和CaM参与了乙酰胆碱调控气孔运动的信号转导.     

一氧化氮参与水杨酸对蚕豆气孔运动的调控

研究了一氧化氮(NO)在水杨酸(SA)诱导蚕豆气孔运动中的作用. 结果表明, 在一定范围内, SA和NO都可诱导气孔关闭. 100 mmol/L SA能够提高保卫细胞胞质中NO的水平, NO清除剂和一氧化氮合酶(NOS)抑制剂都能够降低SA引起的胞质NO的增加. 同时, NO的清除剂PTIO和NOS的抑制剂L-NAME几乎能够完全抵消SA诱导气孔关闭的效应. 推测SA通过NOS途径诱导形成NO, 进而诱导气孔关闭. 鸟氨酸环化酶的抑制剂ODQ和 cADPR的拮抗剂烟碱能够减弱SA和NO诱导气孔关闭的作用. 表明在SA和NO诱导气孔关闭的过程中可能需要有cGMP和cADPR介导.     

毒蕈碱型乙酰胆碱受体参与调控乙酰胆碱诱导的气孔开放

动物细胞中,神经递质乙酰胆碱功能的发挥要求乙酰胆碱的烟碱型或毒茜碱型受体参与,药理学实验证明：毒茜碱型受体的特异激活剂毒茜碱可诱导气孔开放,而其特异性抑制剂阿托品可阻断乙酰胆碱诱导的气孔开放。     

气孔运动调控中过氧化氢和一氧化氮信号途径的交叉作用

用NO荧光指示剂DAF-2DA测定了H 2 O 2 对蚕豆和鸭跖草气孔保卫细胞NO的影响;以蚕豆幼苗为材料研究了H 2 O 2 和NO在调控气孔运动中的相互关系.结果表明,H 2 O 2 能够诱导保卫细胞胞质NO的形成,其诱导作用可以被2-苯-4,4,5,5-四甲基咪唑-1-氧-3-氧化物(PTIO)所清除和N G -氮-L-精氨酸-甲酯(L-NAME)所阻断.推测保卫细胞中可能存在一氧化氮合酶(NOS)类似物.H 2 O 2 主要是通过NOS途径诱导产生NO.在10～100μmol/L范围内,NO的供体硝普钠(SNP)和H 2 O 2 都可诱导气孔关闭,并具明显的浓度效应.H 2 O 2 清除剂过氧化氢酶(CAT)能够完全抵消NO的诱导气孔关闭作用;H 2 O 2 合成抑制剂二苯基碘(DPI)可部分减弱NO诱导的气孔关闭.NO合酶抑制剂L-NAME和NO的清除剂与H 2 O 2 共处理时,H 2 O 2 诱导气孔关闭的作用被大大减弱.结果说明,在调控气孔运动中H 2 O 2 和NO具有相互依赖性,H 2 O 2 和NO信号分子具有信号自身放大功能,共同参与了对气孔运动的调控.     

Ca2+/CaM参与乙酰胆碱调控气孔运动的信号转导

动物神经递质乙酰胆碱也存在于植物中并参与气孔运动调控. Ca²⁺/CaM在气孔保卫细胞信号转导中作为第二信使起着重要的作用. 药理学实验证明, 在含Ca²⁺的介质中, Ca²⁺通道阻断剂尼群地平及异博定(NIF, Ver)和CaM抑制剂三氟拉嗪(TFP)及W7抑制乙酰胆碱诱导的气孔开放, 但在含K⁺的介质中不起作用, 推测Ca²⁺/和CaM参与了乙酰胆碱调控气孔运动的信号转导.     

乙酰胆碱在植物根冠间信息传递中的作用

以蚕豆幼苗为材料, 在分根实验保持植物地上部分水势基本不变的情况下, 轻度渗透胁迫可以引起根尖中单位时间内通过木质部汁液的上运量及叶片下表皮中乙酰胆碱(ACh)的含量明显下降, 并与蒸腾速率的变化有很高的相关性, 显示来自根的ACh的减少可能作为一种信号调控气孔的行为. 渗透胁迫可能影响根尖中ACh的合成或代谢, 进而影响到木质部汁液和下表皮中的ACh含量, 最终影响气孔行为. 为证明植物在根冠间传递正、负信号协调气孔行为, 以适应复杂多变的环境提供了证据.     

高等植物生长发育中同化物的转移

陆生高等植物(包括农作物)能够吸收外界原料,利用太阳辐射的能量合成生长发育所需的物质. 它的根、茎、叶分别处在土壤与大气中、阳光下, 分工经营: 根系吸收矿物质; 叶片吸收CO₂ 与太阳能以进行有机物的光合生产; 两者靠茎来支持与联络以及进行原料的调配. 植物能够自力更生正是依靠这样自行组建的“绿色工厂”, 人类以及所有高、低等动物,甚至微生物, 最终都要靠其产品来维持生活. 这“工厂”各“车间”(根、茎、叶、花、果实)的循序建立、规模的大小与定型, 无一不受环境中光、温、水、肥等的时空分布与变化的启发与调控; 而且某一“车间”的操作进行得顺利与否, 关系着生产全过程的进度.“绿色工厂”要靠各“车间”的协调发展、和衷共济, 才能发挥整体的行为, 充分利用外界资源, 抗拒逆境的胁迫.     

酪氨酸蛋白磷酸酶参与保卫细胞中ABA诱导产生H2O2的信号传递

酪氨酸蛋白磷酸酶(protein tyrosine phosphatases, PTPases)在动物细胞的信号转导中起着非常重要的作用, 但是人们对其在植物细胞中的功能却了解甚少. 在ABA调控气孔运动的信号转导中, H₂O₂和MAPK都是非常关键的下游信号组分, PTPases是MAPK的重要的调节因子, 而MAPK调节保卫细胞中ABA诱导H₂O₂的产生. 本研究结果表明, PTPases专一性抑制剂PAO不仅阻止ABA或H₂O₂诱导的蚕豆气孔关闭, 也可以使ABA或H₂O₂诱导关闭的气孔重新张开, 说明PTPases可能在H₂O₂的下游调节ABA诱导的蚕豆气孔关闭过程. PAO和H₂O₂都可以有效抑制蚕豆表皮细胞PTPases的活性, 加入还原剂DTT不能减弱PAO对PTPases的抑制作用, 但可以解除H₂O₂对PTPases的抑制作用, 即H₂O₂可使PTPases发生可逆失活. PAO也可抑制ABA诱导的蚕豆保卫细胞中H₂O₂的产生. 推测PTPases不仅可以通过调控MAPK来影响ABA诱导的蚕豆保卫细胞中H₂O₂的产生, 而且还可能作为H₂O₂信号分子的感受因子, 进一步放大和传递信息, 参与调节气孔的运动.