脫落酸調節植物氣孔運動機制的研究進展

摘要 脫落酸可誘導氣孔關閉，降低植物體內水分損耗。關于脫落酸調控氣孔運動的作用方式尚不明確。該研究介紹了脫落酸下游信號Ca2+、H2O2和NO對氣孔運動的調節。這對于進一步研究脫落酸信號轉導的具體作用機制具有重要的意義。

關鍵詞 脫落酸；氣孔運動；保衛細胞；研究進展

中圖分類號 S184 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）25-08483-03

Abstract Abscisic acid induces stomatal closure and reduces water loss in plant. It is unclear about the way of abscisic acid regulating stomatal movement. This view introduces the downstream signals Ca2+， H2O2 and NO of abscisic acid regulation of stomatal movement， which has great significance in abscisic acid signal transduction mechanism for the further research.

Key words Abscisic acid； Stomatal movement； Guard cell； Research progress

脫落酸（Abscisic acid，ABA）是一種重要的植物激素。當受到生物和非生物脅迫時，植物體內會產生一系列復雜的防御機制[1]。ABA在植物的生長過程中起重要的作用，例如抑制種子發芽和側根生長，提高植物對病菌入侵和環境脅迫的耐受程度[2-4]。ABA在植物的整個生長發育過程中是一個“抗逆誘導因子”，對氣孔運動、水分調節、光合作用、衰老及對逆境適應等生理過程都有明顯的調控作用。內源ABA水平的提高和外源ABA的處理都能明顯增加植物對環境脅迫的抗性[5]。

氣孔本質上是氣孔復合體的簡稱，通常是由一對啞鈴形或腎形的保衛細胞以及它們之間的孔隙構成[6]。大部分植物的氣孔位于葉片表面。氣孔通過控制植物與外界的水分和氣體交換來適應復雜多變的環境。氣孔雖然很小，但是它對于植物水分利用、物質代謝、營養吸收等以及整個生態系統的調節作用不可小覷[7]。氣孔是依據光合作用同化的CO2量和蒸騰失水量來調控氣孔的開閉。氣孔運動的方式看似簡單，但蘊涵著十分復雜的生理過程，涉及保衛細胞對內外環境的感應、信號的轉導、離子的跨膜運輸等一系列過程。可以說，植物各種重要的生理生化活動都與氣孔運動有著密切的關系[8]。

ABA在調節氣孔開閉、減少水分散失方面起重要作用[9-14]。干旱脅迫、鹽堿脅迫、溫度脅迫等非生物脅迫增加了植物體內的ABA生物合成，也擴大了ABA在植物體內的分布范圍[15]。保衛細胞膨壓增加吸水膨脹和膨壓降低失水收縮是導致氣孔運動的直接原因。如果植物通過氣孔失去的水量大于從根部攝取的水量，那么植物組織就會遭到破壞，導致細胞死亡[1]。通過對保衛細胞信號轉導途徑的研究表明，ABA能直接導致保衛細胞發生形態學彎曲，致使氣孔關閉[16]，阻止水分散失。提高植物抗旱能力是氣孔關閉的首要作用。在逆境脅迫下，ABA在植物體內的含量迅速增加，并且與受體結合，通過跨膜運輸，經下游信號第二信使Ca2+、H2O2、NO等進行傳遞并且放大，控制氣孔運動。

1 與ABA相關的植物氣孔運動調節

植物氣孔運動受自身遺傳和外界環境因素的影響。水分、溫度、光照、CO2濃度等環境因素對氣孔運動有重要影響。植物將感知的外界環境信號轉變為內部信號，從而控制氣孔的張開與關閉。

1.1 Ca2+對氣孔運動的調節

研究證明，Ca2+在保衛細胞信號轉導過程中發揮著不容小視的作用。ABA能夠迅速提高胞液中游離鈣離子的濃度[17]，從而抑制氣孔張開。ABA誘導氣孔關閉可能存在2種不同的信號途徑：鈣離子依賴型誘導和非鈣離子依賴型誘導[18]，其中依賴于Ca2+的信號轉導過程是主要類型。依賴于Ca2+信號途徑是指ABA與保衛細胞受體結合后，細胞質膜上的Ca2+通道被H2O2激活，由H2O2激活的Ca2+通道引起Ca2+內流及完整的保衛細胞中胞質自由鈣離子濃度升高[19]，因而引發一系列反應，最終導致氣孔關閉。在ABA誘導的玉米保衛細胞氣孔關閉的信號轉導過程中，鈣離子扮演著重要的角色[20]。絕大部分的鈣以結合態的形式存在于細胞內，貯存在葉粒體、線粒體、內質網、液泡等部位。它們都是細胞內的“鈣庫”。當細胞受到外界環境刺激時，從質外體經質膜或胞內“鈣庫”向胞液運輸的Ca2+量增加，胞質中Ca2+濃度提高后，通過激活Ca2+調節的靶酶，Ca2+依賴的蛋白激酶（pKCa2+或CDPK）或蛋白磷酸酶，或與Ca2+受體蛋白結合，再通過激酶將Ca2+濃度變化中所蘊含的外部信息表達為生理生化過程，完成信息傳遞之后，Ca2+通過細胞中濃度調節又回落到靜息態水平，此時Ca2+與受體蛋白分離[21]。這樣通過胞質內Ca2+的濃度變化，可以把細胞外的信息傳遞到細胞內，調節相應的生理活動[22]。隨著膜片鉗技術的廣泛應用與改進，一些學者已檢測到植物細胞質膜內Ca2+通道活性的改變。Hamilton等[23]在大豆保衛細胞質膜上檢測到通透Ca2+的單通道電流，得出ABA可增加Ca2+電流，而胞質自由鈣離子濃度則抑制Ca2+電流。此外，胞內Ca2+ 濃度增加對電壓的變化敏感，說明保衛細胞質膜上可能存在一個受細胞膜超級化和ABA調控的內流Ca2+通道。ABI1和ABI2是一類Ca2+調節的磷酸酶，通過磷酸化反應把ABA連接到Ca2+之間的信號傳遞。ABI1和ABI2抑制ABA對Ca2+產生影響，且具有反饋負調控作用[24]。環腺苷二磷酸核糖（Cyclic adenosine diphosphate ribose，cADPR）也參與ABA調控的Ca2+運輸[25]。在不依賴Ca2+的途徑中，ABA 可引起保衛細胞內H2O2的積累，使胞質堿化，有效地抑制質膜K+內向通道，活化K+外向通道，導致保衛細胞K+濃度降低，細胞膨壓減小，氣孔關閉[26-27]。ABA誘導的氣孔關閉信號轉導途徑無論是否依賴Ca2+，都需要作用于離子通道，調節胞內離子濃度以控制氣孔開閉[28]。

1.2 H2O2對氣孔運動的調節

H2O2是活性氧（Reactive oxygen species，ROS）的一種，是植物中重要的第二信使之一，也是保衛細胞響應ABA的下游物質之一[29]。H2O2的來源有很多，早期的研究主要集中在煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NOX）上[23]。NOX催化氧氣和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）生成超氧陰離子自由基，超氧陰離子自由基經歧化反應后形成的H2O2通過某種通道進入胞質內[7]。NADPH是NOX介導產生H2O2的重要底物[30]。Zhang等[26，31]在擬南芥和蠶豆表皮外源ABA處理的試驗中，首次證明了ABA可以誘導氣孔保衛細胞中合成H2O2。NADPH氧化酶是調節H2O2產生的關鍵酶。ABA 通過激活絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶OST1誘導H2O2的合成，擬南芥AtOST1基因突變體經ABA的處理后不產生H2O2且氣孔不關閉，但是外源H2O2能夠誘導突變體的氣孔關閉[32]。Bright等[33]研究發現，在擬南芥中ABA誘導的氣孔關閉依賴于H2O2的合成。韓燕等[34]研究表明，滲透脅迫及外源ABA處理既能促進保衛細胞內源H2O2的形成，又能誘導氣孔關閉。安國勇等[35]證明，不同濃度的H2O2可抑制蠶豆葉片氣孔張開，10 mmol/L H2O2最有效，10 μmol/L仍使氣孔關閉，其機制是H2O2抑制保衛細胞質膜內向K+通道，激活外向K+通道，使K+外流引起保衛細胞滲透壓的降低，導致氣孔關閉。

1.3 NO對氣孔運動的調節

信號分子NO在植物發育、生長、衰老、細胞程序性死亡、抗病及對逆境脅迫等不同形式的應答中有很大的作用[36]。NO參與ABA誘導植物氣孔關閉的過程。NO是植物體內普遍存在的一種內源物質，在細胞內和細胞間的信息傳遞方面起重要作用[37]。一些學者的研究結果證實，ABA可誘導保衛細胞中NO含量的增加。蠶豆、豌豆、擬南芥的保衛細胞和其他表皮細胞中的NO在ABA誘導下迅速合成[33-38]，且NO的生物合成是ABA誘導氣孔關閉所必需的。NO可能通過激活質膜上的Cl-通道、抑制質膜K+內流通道和調節保衛細胞絲裂原活化蛋白激酶（Mitogenactivated protein kinase，MAPK）的活性參與ABA的氣孔運動調節機制[39-42]。外源NO和ABA誘導楊樹離體葉片氣孔關閉時具有劑量效應。NO能加強 ABA 誘導氣孔關閉的作用。NO清除劑（cPTIO）能極大程度地減弱NO和ABA對氣孔關閉的誘導作用[43]。Li等[44]試驗表明，NO也可以抑制油菜等植物葉片氣孔張開，使氣孔開度減小。Neill等[39]認為，ABA和NO誘導的氣孔關閉需要cADPR和環磷酸鳥苷（Cyclic guanosine monophosphate，cGMP）的合成。Desikan等[42]研究表明，NO以依賴cADPR的方式促使胞內鈣庫釋放Ca2+，因而實現氣孔關閉。

2 展望

脫落酸作為作物體內的一種重要激素，在提高作物抗逆性的同時還能夠提高作物的產量和品質等。利用ABA調節作物的抗逆性將是農業抗災、減災研究的重要方向之一[45]。經過多年研究，各國學者對ABA這個重要的植物激素已有較深入的了解。植物在進化過程中形成了一種比較完善的適應不良環境的機制。外界逆境條件能觸發不同的信號轉導途徑。植物傳遞ABA各信號途徑之間是怎樣相互協調，從而使細胞快速產生生理反應，仍亟待解決。另外，關于ABA誘導氣孔運動的研究大多數通過外源ABA。這并不能非常確切地模擬內源ABA的作用，與內源ABA相比存在一定的差異。植物細胞生命活動的重要過程之一是細胞的信號轉導，但是對ABA信號轉導的具體作用機制等尚不十分明確。

參考文獻

[1] LIM C W，BAEK W，LIM S，et al.ABA signal transduction from ABA receptors to ion channels [J].Genes Genomics，2012，34（4）：345-353.

[2] TON J，FLORS V，MAUCHMANI B.The multifaceted role of ABA in disease resistance [J].Trends in Plant Science，2009，14（6）：310-317.

[3] ROBERTSEILANIANTZ A，NAVARRO L，BARI R，et al.Pathological hormone imbalances [J].Current Opinion in Plant Biology，2007，10（4）：372-379.

[4] FINKELSTEIN R R，GAMPALA S S，ROCK C D.Abscisic acid signaling in seeds and seedlings [J].Plant Cell，2002，14（Sl）：15-45.

[5] 王福森，李晶，溫寶陽，等.黑龍江省楊樹栽培歷史、現狀及發展趨勢 [J].防護林科技，2003，54（1）：54-56.

[6] 成雪峰.植物氣孔及其運動機理概述 [J].生物學教學，2013，38（12）：7-8.

[7] 高春娟，夏曉劍，師愷，等.植物氣孔對全球環境變化的響應及其調控防御機制[J].植物生理學報，2012，48（1）：19-28.

[8] 楊金華，杜克久.植物葉片氣孔運動機制研究進展 [J].河北林果研究，2011，26（1）：47-52.

[9] WILKINSON S，DAVIES W J.Drought，ozone，ABA and ethylene：new insights from cell to plant to community [J].Plant Cell and Environment，2010，33（4）：510-525.

[10] ASSMANN S M.Open stomatal opens the door to ABA signaling in Arabidopsis guard cells [J].Trends in Plant Science，2003，8（4）：151-153.

[11] HUBBARD K E，NISHIMURA N，HITOMI K，et al.Earlyabscisic acid signal transduction mechanisms：newly discovered components and newly emerging questions [J].Genes Development，2010，24：1695-1708.

[12] POPKO J，HANSCH R，MENDEL R R，et al.The role of abscisic acid and auxin in the response of poplar to abiotic stress [J].Plant Biology，2010，12（2）：242-258.

[13] CUTLER S R，RODRIGUEZ P L，FINKELSTEIN R R，et al.Abscisic acid：emergence of a coresignaling network [J].Annual Review of Plant Biological，2010，61：651-679.

[14] WASILEWSKA A，VLAD F，SIRICHANDRA C，et al.An update on abscisic acid signaling in plants and more [J].Molecular Plant，2008，1（2）：198-217.

[15] WILKINSON S，DAVIES W J.ABAbased chemical signalling：the coordination of responses tostress in plants [J].Plant Cell and Environment，2002，25（2）：195-210.

[16] LIANG J S，ZHANG J H，WONG M H.How do roots control xylem sap ABA concentration in response to soil drying？[J].Plant and Cell Physiology，1997，38（1）：10-16.

[17] MCAINSH M R，BROWNLEE C，HETHERINGTON A M.Abscisic acidinduced elevation of guard cell cytosolic Ca2+ precedes stomatal closure [J].Nature，1990，343：186-188.

[18] GILROY S，READ N D，TREWAVAS A J.Elevation of cytoplasmic Ca2+ by caged calcium or caged inositol triphosphate initiates stomatal closure [J].Nature，1990，346：769-771.

[19] PEI Z M，MURATA Y，BENNING G，et al.Calcium channels activated by hydrogen peroxide mediate abscisic acid signaling in guard cells [J].Nature，2000，406：731-734.

[20] 劉子會，張紅梅，郭秀林.ABA 誘導的玉米保衛細胞胞質鈣離子濃度的變化[J].中國農業科學，2008，41（10）：3357-3362.

[21] 呂東.ATHK1參與ABA誘導氣孔關閉的信號轉導過程 [D].開封：河南大學，2012：1-8.

[22] SCHROEDER J I，KWAK J M，ALLEN G J.Guard cell abscisic acid signaling and engineering drought hardiness in plants [J].Nature，2001，410：327-330.

[23] HAMILTON D W A，HILLS A，KOHLER B.Ca2+ channels at the plasma membrane of stomatal guard are activated by hyperpolarization and abscisic acid [J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2000，97：4967-4972.

[24] MERLOT S，GOSTI F，GUERRIER D，et al.The ABI1 and ABI2 protein phosphatases 2C act in a negative feedback regulatory loop of the abscisic acid signaling pathway [J].Plant Cell，2001，25：295-303.

[25] LECKIA C P，MCAINSH M R，ALLEN G J，et al.Abscisic acidinduced stomatal closure mediated by cyclic ADPribose [J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，1998，95：15837-15842.

[26] ZHANG X，MIAO Y C，AN G Y，et al.K+ channels inhibited by hydrogen peroxide mediate abscisic acid signaling in guard cells [J].Cell Research，2001，11（3）：195-202.

[27] BLATT M R.Reassessing roles for Ca2+ in guard cell singalling [J].Journal of Experimental Botany，1999，50：989-999.

[28] 熊俊蘭，譚瑞，孔海燕，等.植物ABAH2O2介導的氣孔關閉[J].植物生理學報，2012，48（8）：739-746.

[29] PITZSCHKE A，HIRT H.Mitogenactivated protein kinases and reactive oxygen species signaling in plants [J].Plant Physiological，2006，141（2）：351-356.

[30] MURATA Y，PEI Z M，MORI I C，et al.Abscisic acid activation of plasma membrane Ca2+ channels in guard cells requires cytosolic NAD（P）H and is differentially disrupted upstream and downstream of reactive oxygen species production in abi11 and abi21 protein phosphatase 2C Mutants [J].Plant Cell，2001，13（11）：2513-2523.

[31] MIAO Y C，SONG C P，DONG F C，et al.ABAinduced hydrogen peroxide generation in guard cells of Vicia faba [J].Acta Phytophysiologica Sinica，2000，26（1）：53-58.

[32] MUSTILLI A C，MERLOT S，VAVASSEUR A，et al.Arabidopsis OST1 protein kinase mediates the regulation of stomatal aperture by abscisic acid and acts up stream of reactive oxygen species production [J].Plant Cell，2002，14（12）：3089-3099.

[33] BRIGHT J，DESIKAN R，HANCOCK J T，et al.ABAinduced NO generation and stomatal closure in Arabidopsis are dependent on H2O2 synthesis [J].The Plant Journal，2006，45（1）：113-122.

[34] 韓燕，佘小平.NO，H2O2介導根系滲透脅迫和脫落酸誘導的氣孔關閉 [J].陜西師范大學學報：自然科學版，2007，35（4）：83-87.

[35] 安國勇，宋純鵬，張驍，等.過氧化氫對蠶豆氣孔運動和質膜K+通道的影響[J].植物生理學報，2000，26（5）：458-463.

[36] LAMATTINA L，GARCIAMATTA C，GRAZIANO M，et al.Nitric oxide：the versatility of an extensive signal molecule [J].Annual Review of Plant Biological，2003，54：109-136.

[37] 錢寶云，李霞.植物氣孔運動調節的新進展[J].植物研究，2013，33（1）：120-128.

[38] 呂東，張驍，江靜.NO可能作為H2O2的下游信號介導ABA誘導的蠶豆氣孔關閉 [J].植物生理與分子生物學學報，2005，31（1）：62-70.

[39] NEILL S J，DESIKAN R，CLARKE A.Nitric oxide is a novel component of abscisic acid signaling in stomatal guard cells [J].Plant Physiology，2002，128：13-16.

[40] NEILL S J，DESIKAN R，CLARKE A，et al.Hydrogen peroxide and nitric oxide as signalling molecules in plants [J].Journal of Experimental Botany，2002，53（327）：1237-1247.

[41] GARCIAMATA C，GAY R，SOKOLVSKI S，et al.Nitric oxide regulate K+ and Cl- channels in guard cells through a subset of abscisic scidevoked signaling pathways [J].Proceedings of the National Academy of Sciences，2003，100：1116-1121.

[42] DESIKAN R，CHEUNG M K，BRIGHT J，et al.ABA，hydrogen peroxide and nitric oxide signalling in stomatal guard cells [J].Journal of Experimental Botany，2004，55（395）：205-212.

[43] 王淼，李秋榮，付士磊，等.一氧化氮是脫落酸誘導楊樹葉片氣孔關閉的信號分子[J].應用生態學報，2004，15（10）：1776-1780.

[44] LI Y，YIN H，WANG Q，et al.Oligochitosan induced Brassica napus L.production of NO and H2O2 and their physiological function [J].Carbohydrate Polymers，2009，75（4）：612-617.

[45] 郝格格，孫忠富，張錄強，等.脫落酸在植物逆境脅迫研究中的進展[J].中國農學通報，2009，25（18）：212-215.