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.     

气孔运动中pH 对保卫细胞壁弹性模量的影响

保卫细胞壁的特性对气孔运动有重要的影响. 以前的研究多集中于保卫细胞壁的解剖结构, 对气孔运动中保卫细胞壁物理性质的改变了解很少. 本研究以蚕豆叶片表皮条为材料,运用细胞压力探针技术, 对气孔运动中不同pH下的保卫细胞壁弹性模量(ε)进行了测量. 研究发现, 当pH 从8.60 降至6.50 时, 保卫细胞壁的弹性模量从7.098 Pa 降至5.690 Pa. 气孔运动中, 较低的保卫细胞壁弹性模量有利于保卫细胞改变体积, 进而有助于气孔运动的完成. 从保卫细胞通过调控细胞壁pH 改变细胞壁弹性模量的角度来分析气孔运动机理, 对于完善气孔运动机理假说, 进而深刻理解气孔运动, 具有重要的意义.     

一氧化氮参与茉莉酸诱导蚕豆气孔关闭的信号转导

用一氧化氮(NO)特异性荧光探针DAF-2DA结合激光共聚焦显微技术证明蚕豆气孔保卫细胞中存在NO. 从以下几个方面证明NO可能参与JA调控气孔运动的信号转导过程: (ⅰ) 外源JA促进叶片气孔保卫细胞NO的合成; (ⅱ) JA和NO都能够诱导气孔关闭, 并具有浓度效应; (ⅲ) 低浓度的NO和JA之间在诱导气孔关闭上存在一定的加合效应; (ⅳ) NO的清除剂PTIO可大大减弱JA诱导蚕豆气孔关闭的作用, 一氧化氮合酶(NOS)抑制剂L-NAME能够抑制JA 诱导的蚕豆气孔关闭效应, 也可以抑制JA诱导保卫细胞中NO的产生. 推测JA处理诱导保卫细胞中NO的产生主要来源于NOS合成途径.     

热带巨型叶植物芭蕉叶片内结构异质性

叶片是植物进行光合作用的主要场所,叶片面积是决定叶片光合作用的重要因子之一.以往对于叶片的解剖结构和生理功能的研究中,常常忽略同一叶片不同部位的结构及功能的差异,尤其是对于某些巨大叶片的结构和功能的异质性更是缺乏了解.为什么具有巨大叶片的植物在自然界十分稀少仍然是科学之谜.本研究选取了具有典型巨型叶片的单子叶植物芭蕉(Musa balbisiana Colla)作为实验材料,测定了叶片不同部位的结构和解剖特征.结果发现,沿主脉方向从叶片基部到叶片尖端,主脉导管直径、叶片厚度、保卫细胞长度呈剧烈下降趋势,比叶重在上部约1/2处呈下降趋势,而栅栏组织和海绵组织的比(P/S值)和气孔密度呈增长趋势,叶绿素含量、叶脉密度和气孔面积指数则无明显变化.沿平行脉从叶片中部到叶片两侧边缘,叶片厚度和比叶重呈现剧烈下降趋势,叶绿素含量、气孔密度和气孔面积指数在边缘约1/3范围内剧烈下降,栅栏组织和海绵组织的比和叶脉密度则呈现上升的趋势.从叶基到叶顶端主脉的导管直径急剧减少可能会影响叶片顶端的水分供应,而叶片两侧边缘气孔面积指数的明显减小、再加上大叶片水汽界面层厚会使边缘部位蒸腾散热功能受到抑制,从而抑制该部位的生理功能,这些因素可能导致芭蕉叶片面积不能继续增大.与叶片小一些的海芋大型叶相比,芭蕉叶内结构的异质性更加强烈.     

基于叶片气孔导度提升的冬小麦冠层阻抗估算模型的应用和对比

为了筛选适合华北典型地区冠层阻抗基于叶片气孔导度的提升方法,依据两个生长季的冬小麦田间试验资料,以Leuning-Ball和Jarvis叶片气孔导度模型为基础,构建了冠层阻抗估算模型,对比了不同冠层阻抗估算模型的应用效果.结果表明:冬小麦叶片气孔阻抗日变化整体高于冠层阻抗,两者具有显著的尺度差异性;Leuning-Ball气孔导度模型能够更好地解释气孔导度对环境因子的响应;以光合有效辐射作为尺度转换因子,基于Leuning-Ball气孔导度模型提升的冠层阻抗估算模型能够有效地模拟冠层阻抗,可应用于华北典型地区冬小麦水汽传输阻抗尺度提升研究.     

拟南芥微管结合蛋白WDL3参与ABA诱导的气孔关闭过程

以拟南芥WDL3RNA干扰株系(WDL3RNAi)和Tubulin5A-YFP植株等为材料,从叶片的失水率、气孔开度、保卫细胞微管骨架动态排布以及Ca~(2+)流动等不同角度探究在脱落酸(abscisic acid, ABA)诱导的气孔关闭信号通路中,微管结合蛋白WDL3与微管骨架以及Ca~(2+)之间的功能关系,深入了解气孔运动机理.结果表明:(1)相同条件下,WDL3RNAi的叶片蒸腾速率明显慢于野生型.(2)气孔开度实验中,WDL3RNAi对ABA信号比野生型更敏感,气孔关闭更快;微管稳定剂紫杉醇(Paclitaxel)可部分阻碍ABA的作用,微管解聚剂黄草消(Oryzalin)则进一步促进ABA诱导的气孔关闭,但WDL3 RNAi与野生型之间仍存在显著差异;激光共聚焦扫描显微镜观察发现, ABA条件下WDL3 RNAi保卫细胞内微管解聚明显加快,微管成束程度(bundling)显著降低.(3)胞内Ca~(2+)螯合剂BAPTA与ABA共同处理,野生型和WDL3RNAi的气孔关闭均受到不同程度的抑制,关闭减缓,处理前后差异显著.亚细胞结构观察发现, BAPTA阻碍了ABA引起的保卫细胞微管解聚,但WDL3 RNAi与野生型相比,依然维持相对较高的微管解聚比例.此外,非损伤微测技术检测发现,ABA引起的保卫细胞Ca~(2+)内流在WDL3RNAi中较野生型的流速更快,流量加大,显示Ca~(2+)在该信号通路中具有重要作用.综上实验结果表明,微管结合蛋白WDL3通过与微管骨架及Ca~(2+)相互作用参与ABA诱导的气孔关闭过程.     

NO 介导的H2S 合成参与乙烯诱导的拟南芥气孔关闭

以拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 野生型和突变体为材料, 利用激光共聚焦显微技术、实时定量PCR 和分光光度法, 结合药理学实验, 探讨两种气体信号分子硫化氢 (hydrogensulfide, H₂S) 和一氧化氮 (nitric oxide, NO) 在乙烯 (ethylene, Eth) 调控气孔运动中的相互关系. 结果表明, H₂S 合成抑制剂能明显抑制乙烯诱导的拟南芥气孔关闭; 乙烯能够显著增加拟南芥叶片的H₂S 含量, 提高L-/D-半胱氨酸脱巯基酶 (磷酸吡哆盐依赖性酶) (L-/D-cysteinedesulfhydrase, L-/D-CDes) 活性及AtL-CDes 和AtD-CDes 的转录水平; 清除NO 可减弱乙烯的诱导效应; 乙烯亦可明显诱导Atnoa1 突变体叶片H₂S 的积累, 但对Atnia1,nia2 突变体没有明显作用; H₂S 合成抑制剂对乙烯诱导气孔保卫细胞和叶片的NO 水平升高以及硝酸还原酶(nitrate reductase, NR) 活性增强没有明显影响, 同样乙烯可以诱导Atl-cdes 和Atd-cdes 突变体保卫细胞NO 水平升高, 说明H₂S 和NO 均参与乙烯诱导的拟南芥叶片气孔关闭, 且NO 可能位于H₂S 上游参与调控这一信号通路.     

植物生命的通道

我们用肉眼观察植物的叶片表面时．会发现上面可能有清晰或模糊的叶脉。看上去很多植物的叶片表面似乎是光滑平整的，然而在显微镜下观察，我们会发现它是凹凸不平的，而且有很多微小的孔散布于叶片表面，那就是植物的气孔。这些气孔是植物的生命通道，植物用它来呼吸，控制气体以及与外界进行能量交换。     

MAP激酶调节蚕豆保卫细胞中ABA诱导的H2O2产生

已知许多蛋白激酶及蛋白磷酸酶参与了ABA诱导的气孔关闭信号转导过程, 而H2O2是ABA信号转导链的下游信号成分.运用表皮条生物学分析和激光共聚焦扫描技术, 研究促细胞分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)对蚕豆保卫细胞中ABA诱导H2O2产生的调节作用.用MEK1/2专一抑制剂(PD98059)处理蚕豆叶片的下表皮, 抑制了ABA诱导保卫细胞内H2O2的产生和气孔关闭.ABA和H2O2诱导气孔关闭后, 再用PD98059处理, 可以使关闭的气孔重新开放, 与之相对应的是PD98059使ABA诱导的、已增强了的H2O2探针荧光强度降低.而且PD98059不能阻断水杨酸诱导的H2O2的产生及其气孔的关闭, 因此, MEH1/2调节ABA诱导保卫细胞中H2O2产生和积累具有专一性.总之, PD98059通过抑制ABA诱导的H2O2的产生并清除其积累而阻断了ABA诱导的气孔关闭.因此, MAPK的激活在保卫细胞H2O2信号的产生、放大及其专一性应答信号刺激的反应中有着重要的调节作用.     

钙调素依赖型蛋白激酶在烟草中的免疫定位

应用钙调素依赖型蛋白激酶（ＣａＭＫ）抗体从免疫学上研究了ＣａＭＫ在烟草不同组织中的分布规律。结果表明ＣａＭＫ主要分布于发育早期的花药、发育中的胚珠和幼胚、侧根原基、芽的顶端分生组织和叶原基、成熟叶片中的叶肉细胞及维管束中，在叶片表皮毛顶端细胞气孔保卫细胞中也有大量的ＣａＭＫ分布。成熟的茎和根部分没有明显的ＣａＭＫ分布。烟草中ＣａＭＫ的分布规律与前人报道的有关ＣａＭ的分布规律一致，显示ＣａＭＫ介导的     

植物气孔计算生物学模型及其应用

气孔作为植物与外界进行碳、水交换的重要器官,将光合作用所需要的二氧化碳导入植物体内,并且通过蒸腾作用将水分散失到大气中.因此,深入了解气孔行为、有效调控气孔开度,对于提高植物的光合作用和水分利用效率具有深远的意义.气孔运动是由离子的运输、积累和释放所驱动的保卫细胞体积变化所引起的.然而,复杂的离子交换机制阻碍了人们对气孔运作机制的深入了解.定量系统的计算生物学分析方法为探索微观离子运输与宏观气孔生理活动之间的联系提供了一种有效的研究手段.通过系统整合保卫细胞离子运输、信号传导和离子稳态平衡等相关信息建立定量动态保卫细胞模型,可以为研究者在细胞和分子层面上对保卫细胞离子运输和气孔行为的研究工作提供有效的指导.本文通过回顾气孔建模工作的发展历程和研究现状,比较了传统经验、半经验的气孔模型和新式计算生物学模型,提出进一步发展气孔计算生物学促进计算生物学在我国农业领域的发展.     

多种胁迫下拟南芥气孔“开”和“闭”突变体鉴定及遗传初步分析

保卫细胞可以整合和处理多种复杂的环境信号刺激, 从而使气孔处在合适的开闭状态以适应外界环境的变化. 但是保卫细胞对多种刺激反应过程中许多中间成分及其信号转导的细节知之甚少. 利用远红外成像仪, 建立起气孔反应的筛选体系, 在不伤害植物的前提下, 对经化学诱变的拟南芥幼苗进行多种胁迫信号(干旱、H₂O₂及CO₂等)单独或复合处理, 以幼苗叶片温度高于或低于正常植株0.5℃以上为筛选指标, 通过对大约6万株诱变后的拟南芥M2代幼苗进行筛选, 得到了40多株拟南芥气孔突变体. 经过对这些突变体后代进行生理和杂交遗传分析, 发现所得突变体为隐性单基因突变所致, 并且突变体对气孔关闭的调节上都与野生型有明显的差异. 这些突变体的获得为探索保卫细胞内复杂的信号转导网络提供了良好的遗传材料.     

微管骨架与异三聚体G蛋白协同参与ABA诱导的气孔运动

以拟南芥野生型、G蛋白α亚基缺失突变体(gpa1-3,gpa1-4)及带有GFP-α-tubulin-6标记的gpa1突变体等为材料,利用药理学实验、激光共聚焦扫描显微镜观察、非损伤微测等方法研究在ABA诱导气孔运动的信息传递通路中,异三聚体G蛋白与微管骨架之间的功能关系,深入了解气孔运动机理.结果表明:gpa1突变体叶片蒸腾失水率高于野生型.气孔开度实验中,突变体对ABA抑制气孔开放作用不敏感,但微管特异性解聚剂Oryzalin在一定程度上可恢复其对ABA的响应.Ca~(2+)螯合剂BAPTA-AM与Oryzalin共同处理时,无论野生型还是突变体,ABA的作用均会被进一步削弱.激光共聚焦扫描显微镜下观察,ABA处理后,野生型保卫细胞中辐射状规则排布的微管比例急剧下降,解聚态微管大幅度增加;gpa1突变体没有出现如此明显的动态转换,仍多停滞在聚合态.ABA与BAPTA-AM共同处理,野生型植株不同微管排布类型的保卫细胞所占比例随之发生显著改变,gpa1突变体无明显变化.非损伤微测实验发现,突变体中ABA抑制光下保卫细胞Ca~(2+)外流作用不明显,但再加以微管解聚剂Oryzalin处理,Ca~(2+)外流即明显下降.以上结果显示,在G蛋白介导的ABA抑制气孔开放信号通路中,下游有保卫细胞微管骨架和Ca~(2+)的共同参与.     

气孔开放时保卫细胞液泡中某些高聚物解聚对渗透调节的作用

电子显微镜观察显示: 蚕豆(V. faba L)叶片气孔开放前后, 保卫细胞液泡(GCV)中颗粒的平均体积下降了约3个数量级, 而分布密度增加了约2个数量级. 同时用激光共聚焦显微术的荧光比值法对气孔开放过程的跟踪测定说明, 在第1个可分辨的气孔开放动作前10 ~ 30 s时GCV的pH有一个约-0.5单位的变化, 一个快速的气孔开放过程紧随其后, 在约100 ~ 200 s的时间内达到稳定的约12 μm的开度. 提出了一个由-ΔpH变化诱导的与GCV 内某些高聚物解聚有关的渗透调节模式. 该模式所描述的渗透调节过程避免了传统“化学渗透”假说所依赖的耗能巨大的逆浓度梯度的跨膜运输, 是对气孔运动的多元调控假说的补充, 同时也为植物中其他快速运动机理的研究拓宽了思路.     

水稻早衰叶突变体es-t的遗传分析与精细定位

突变体es-t 是经EMS诱变处理日本晴后筛选获得的, 该突变体主要表现为叶片从苗期开始黄化, 叶绿素含量显著降低, 随着其生长发育发黄的叶片伴有铁锈色的小斑点, 尤以叶尖和叶缘为甚, 表现严重的早衰现象, 故将之命名为es-t (early senescence-temporary). 扫描电子显微镜显示, 突变体叶片表面比野生型的光滑, 且气孔周围缺乏硅质化突起; 另外, 突变体的叶绿体发育不正常, 含有大量大颗粒的淀粉粒; 组织切片则显示突变体的厚壁细胞及维管束的发育表现异常. 遗传分析表明, es-t 为新发现的早衰突变体, 受一隐性基因控制, 借助图位克隆的手段将之定位于42.1 kb 的物理区间内, 为进一步克隆该基因并阐明叶片早衰的分子机制奠定基础.     

毛白杨叶片SO_2急性损伤时呼吸障碍与低水平化学发光相关性研究

近年来对SO_2损伤机制的研究结果证实,通过气孔进入叶片的SO_2会进行:SO_2十H_2O→H_2SO_3(?)H~ HSO_3~-(?)2H~ SO_3~(2-)的毒性反应,致使细胞内H~ 的释放,同时在SO_3~(2-)氧化为SO_4~(2-)的过程中产生大量的活性氧自由基(如OH,O_2~-,H_2O_2等)毒害细胞.因此,有必要研究SO_2侵入叶片后的损伤机制和过程.用毛白杨叶片的低水平化学发光(简称LCL)来检测SO_2的污染,马玉琴等人研究已有良好开端.通过薰蒸实验,发现在SO_2急性损伤条件下,叶片的     

蚕豆α类扩张蛋白VfEXPA1 参与调节气孔运动

与其他种类的植物细胞不同, 保卫细胞可以反复地进行扩张收缩运动, 进而达成气孔的开放和关闭. 在这个过程中, 调节保卫细胞细胞壁松弛的机理却不清楚. 从蚕豆表皮条中克隆了一个α类扩张蛋白, 并命名为VfEXPA1. VfEXPA1 的表达受暗处理和水淹处理的影响,但光照和ABA 的处理并不改变VfEXPA1 的表达. 进一步, 在烟草中过表达了VfEXPA1.VfEXPA1 过表达植株中蒸腾和光合速率显著增加, 且光诱导的气孔开放速度也大大高于野生型. 实验结果表明, 气孔保卫细胞特异表达的扩张蛋白VfEXPA1 调控了气孔开放过程.     

气孔保卫细胞微管对质膜上钾离子通道的调节作用

利用膜片钳技术探讨了气孔保卫细胞微管对质膜上钾离子通道的可能调节作用。在细胞内分别加入微管解聚剂甲基胺草磷与微管稳定剂紫杉醇均显著地抑制保卫细胞全细胞内向钾电流。结果表明,保卫细胞质膜上内向钾离子通道的正常活性有赖于细胞微管的正常解聚／聚合的动态变化,微管系统对钾离子通道的调节可能是细胞骨架调控气孔运动的生理机理之一。     

鹤庆栎(Quercus heqingensis n.sp.)的发现及其在古大气CO_2浓度重建中的应用

在云南鹤庆上上新统三营组中发现大量壳斗科栎属高山栎组植物(Quercus sect.Heterobalanus)叶片化石.这些标本主脉呈"Z"字微弯,基部粗壮,至叶尖变细,二级脉羽状互生,且互相平行,在近叶缘1/3~1/2处分叉;上表皮有单、多细胞毛基,无气孔,表皮细胞多为近四边形;下表皮只有单细胞毛基和环列型气孔器,表皮细胞为近四边形或五边形.这些特征虽然与毛脉高山栎(Q.rehderiana)、帽斗栎(Q.guyavifolia)及古帽斗栎(Q.preguyavifolia)等现生种和化石种比较相似,但仍与它们存在叶表皮毛密度和毛基类型的差异,故将其定为新种——鹤庆栎(Quercus heqingensis n.sp.).将鹤庆栎的气孔指数应用于已建立的其现存最近亲缘类群(Nearest Living Relatives,NLRs)——帽斗栎的气孔指数与大气pCO_2的关系式,定量重建出晚上新世时期的古大气CO_2浓度分别为263.42±24.86 ppm(沿海拔梯度采集样品重建结果)和234.25±22.49 ppm(历史标本样品重建结果),与前人结果相比基本一致,经过海拔校正后则十分吻合.同时进一步证明了晚上新世时期的古大气CO_2浓度低于现代水平,为利用现存最近亲缘类群作为代理(proxies)重建古大气CO_2浓度提供了可靠的证据.     

拟南芥保卫细胞微管骨架的重排参与NO诱导的气孔关闭

以GFP:α-tubulin-6转基因拟南芥为材料, 利用药理学实验及激光扫描共聚焦显微技术研究了微管骨架在NO诱导气孔关闭过程中的动态变化及其可能的调控机制. 结果表明: (ⅰ) 微管特异性抑制剂长春花碱和NO供体SNP均能诱导气孔关闭, 并且长春花碱能加强SNP对气孔开度的抑制作用, 而微管稳定剂紫杉醇则部分抑制了NO对气孔关闭的诱导作用; (ⅱ) 开放气孔保卫细胞中, 大量周质微管从保卫细胞的背壁向腹壁呈辐射状整齐规则地排布, 并且几乎所有微管纤维都与保卫细胞腹壁成90°垂直; (ⅲ) 同一条件下保卫细胞经外源NO供体SNP光下处理30 min, 保卫细胞内整齐的辐射状微管逐步散乱, 微管部分解聚, 纤维数量减少, 部分交错扭曲, 排布方式也由与腹壁垂直转变为倾斜, 说明微管骨架可能参与了NO诱导的气孔关闭; (ⅳ) 进一步研究发现, 胞内Ca²⁺螯合剂BAPTA-AM可以大幅度削弱由NO诱导的气孔关闭作用, 而对长春花碱诱导的气孔关闭无明显影响; 开放气孔的保卫细胞经SNP处理后, 再施加BAPTA-AM, 散乱的微管骨架排布随处理时间延长逐步趋于正常, 到30 min时基本恢复成辐射状, 与对照相比无明显区别, 表明在NO对微管排布的调节机制中有Ca²⁺参与. 综合以上结果推测, 在NO调控的气孔运动中, NO可能是通过调节胞内Ca²⁺来促进微管骨架系统的重排, 进而影响气孔的开关运动.