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。     

胞质pH变化介导乙烯诱导的拟南芥保卫细胞NO产生和气孔关闭

以拟南芥(Arabidopsis thaliana)为实验材料, 用药理学实验、激光共聚焦显微技术和分光光度法研究了保卫细胞胞质pH和一氧化氮(nitric oxide, NO)在乙烯(ethylene, Eth)调控气孔运动信号转导中的作用. 结果表明, 乙烯利和乙烯前体物ACC都能够引起保卫细胞内胞质pH和NO的水平升高; 弱酸(乙酸)以及质膜H+-ATP酶的抑制剂钒酸钠可以逆转乙烯诱导的拟南芥气孔关闭, 同时减弱乙烯所引起的NO含量增加和硝酸还原酶(nitrate reductase, NR)活性的增强; 而NO清除剂cPTIO对胞质pH无显著影响. 可以推测, NO和pH均参与乙烯诱导的拟南芥气孔关闭作用, 且胞质pH的变化(主要由质膜H⁺-ATPase引起的)可能位于NO (主要由NR途径产生)上游介导这一过程.     

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.     

从通道水平研究LaCl_3对萝卜液泡膜的影响

用膜片钳全液泡记录方式, 在萝卜液泡上成功地记录到慢液泡(SV)通道电流. 增大外液中钙离子的浓度, 记录到的电流信号也随之增大, 且激活电压向负电位方向移动. 外液中加入2.5 mmol/L LaCl3和4 mmol/L EGTA溶液时, SV电流明显被抑制; 而当不同浓度的LaCl3加入到电极内液中时发现, 高浓度的镧(>4×10-7 mol/L)对通道电流有强烈的抑制效应, 而低浓度的镧(≤4×10-7 mol/L)则促进通道电流, 这一促进效应为进一步研究稀土对植物生理活动的影响以及稀土微肥对农作物的增产效果在通道水平上提供了重要的依据.     

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.     

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.     

稀土元素镱对NIH3T3细胞外向钾电流的影响

利用全细胞膜片钳技术, 在非兴奋性小鼠成纤维细胞上记录到钙依赖性外向钾电流, 并研究了稀土镱离子对该电流大小以及激活和失活动力学的影响. 结果发现, 随着细胞内液中Ca²⁺浓度的增加, 外向钾电流逐渐增大, 当浓度增大到10⁻⁴ mol/L时电流基本上达到饱和. 细胞外液中的镱离子可浓度依赖性地抑制NIH3T3细胞外向钾电流, 胞外10⁻⁶ mol/L的Yb³⁺可改变钾电流激活曲线的半数激活电压V_h值, 使激活曲线左移, 但对其斜率因子k值影响不大, 而对其失活曲线的影响无统计学差异. 研究表明, 抑制钾电流, 可使细胞膜去极化, 细胞的兴奋性增加, 从而增加胞外Ca²⁺向胞内流动, 引起胞内Ca²⁺增加, 由此而诱发一系列的生理和分子生物学事件. 这一过程可能是稀土镱影响NIH3T3成纤维细胞分裂和生殖的作用机制之一.     

从通道水平研究LaCl3对萝卜液泡膜的影响

用膜片钳全液泡记录方式,在萝卜液泡上成功地记录到慢液泡(SV)通道电流.增大外液中钙离子的浓度,记录到的电流信号也随之增大,且激活电压向负电位方向移动.外液中加入2.5mmol/LLaCl3和4mmol/LEGTA溶液时,SV电流明显被抑制;而当不同浓度的LaCl3加入到电极内液中时发现,高浓度的镧(＞4×10-7mol/L)对通道电流有强烈的抑制效应,而低浓度的镧(≤4×10-7mol/L)则促进通道电流,这一促进效应为进一步研究稀土对植物生理活动的影响以及稀土微肥对农作物的增产效果在通道水平上提供了重要的依据.     

膜片钳法研究镧对心肌细胞钾通道的作用

用全细胞膜片钳技术研究了 La³⁺对大鼠心室肌细胞钾通道的作用机理. 灌流法酶解得到单个大鼠心室肌细胞, 给细胞施一跃迁电压可引出一非钙依赖性电压激活的外向钾电流. 将不同浓度的 La³⁺加入细胞外液后, 非钙依赖性电压激活的外向钾电流明显减小, 且随着浓度增加抑制作用增强. 心肌细胞钾通道电流作为心肌动作电位的主要复极化电流, 受到 La³⁺的抑制作用, 这提示在研究稀土生物效应时应该重视它对心脏功能的影响.     

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.     

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.     

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.     

Ca2+参与蚕豆保卫细胞中毒蕈碱型受体介导的乙酰胆碱信号转导

动物神经递质乙酰胆碱(ACh)也存在于植物体内, 并发挥多种重要生理功能. 一定浓度的ACh可诱导气孔开放. 以Ca²⁺荧光指示剂Fluo-3AM为探针, 利用激光共聚焦扫描显微镜观察ACh调控气孔运动中保卫细胞胞质Ca²⁺的动态变化. 结果证明, 外加ACh促使保卫细胞胞质Ca²⁺的瞬时增加. 毒蕈碱型乙酰胆碱受体(mAChR)的激活剂毒蕈碱与ACh的作用类似, 也能激活胞质Ca²⁺的瞬时增加; 反之, 毒蕈碱型受体的抑制剂阿托品预处理则抑制ACh诱导的Ca²⁺增加, 这与动物中mAChR的作用机制类似. 用EGTA螯合胞外Ca2+或用钌红阻断液泡Ca²⁺的释放, 结果表明ACh诱导的保卫细胞胞质Ca²⁺增加主要来源于胞内Ca²⁺库的Ca²⁺释放. 研究表明, 经过mAChR介导, Ca²⁺参与保卫细胞响应ACh刺激的信号转导.     

ATHK1位于过氧化氢下游并通过调节钙通道介导保卫细胞ABA信号转导

植物通过不断进化增强对环境中水分缺乏的抵抗能力.脱落酸在植物干旱和渗透胁迫反应中起到重要的作用.组氨酸激酶也被认为是作为感受子和调节子对水分亏缺作出反应.本研究结果显示,组氨酸激酶1介入了拟南芥脱落酸诱导的气孔信号转导,该酶此前被认为是一种渗透调节因子.ATHK1基因缺失突变体不能表现保卫细胞中正常的脱落酸反应,包括气孔关闭、过氧化氢产生以及钙内流.膜片钳及激光共聚焦结果显示,ATHK1在脱落酸诱导的气孔关闭过程中可能位于过氧化氢下游,并通过调节钙通道和保卫细胞钙震荡来起作用.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

氯化锂对急性分离的海马CA1锥形细胞外向钾电流的影响

研究表明锂盐具有神经保护功能, 但其作用的分子机理尚不十分明确. 利用全细胞膜片钳技术, 研究了氯化锂对急性分离的大鼠海马CA1锥形细胞电压依赖性钾通道电流的影响. 去极化脉冲刺激可以激活两种外向钾电流: 快速激活与失活的外向钾电流I_A和延迟整流钾电流I_K. 结果表明, 氯化锂可浓度依赖性地增大I_A, 其半数增大浓度(EC50)为22.8±5.45 μmol/L. 25 μmol/L氯化锂可使I_A的稳态激活曲线和稳态失活曲线向负电位方向移动, 但主要影响激活过程; I_K 的大小及激活过程均不受氯化锂的影响. 增大I_A可使细胞膜超极化, 细胞的兴奋性降低, 从而减少胞外Ca²⁺的内向流动, 这一过程可能是氯化锂神经保护功能的分子机理之一.