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1、第二章 气孔保卫细胞信号转导研究进展,气孔保卫细胞信号转导研究进展,第一节 气孔的结构特点及气孔保卫细胞信号 转导的研究意义 第二节 保卫细胞碳代谢与气孔运动 第三节 气孔保卫细胞信号转导,第一节 气孔的结构特点及气孔保卫细胞信号转导的研究意义,研究思路 实验设计 结果分析,一、研究意义,气孔是植物与环境间进行水分和气体交换的门户，是植物供食防渴的重要通道。 组成气孔的保卫细胞对环境条件非常敏感，可以通过水分的出入来调节气孔孔径大小，进而调控植物的蒸腾作用和光合作用等重要生理过程。,保卫细胞有其独特的结构,它与高等植物的其它大多数细胞不同,成熟的保卫细胞缺乏具有生理功能的胞间连丝,因而与其周围
2、的细胞是分离的,这种分离便于对单个细胞直接进行测定; 保卫细胞能对多种刺激如光(红光和蓝光) 、空气湿度、脱落酸(ABA) 、生长素等迅速作出反应,这些刺激可迅速改变离子的运输,引起无机渗透势的变化,并且同时发生保卫细胞体积的改变。,气孔保卫细胞作为研究植物细胞 信号转导的模式系统,3. 许多植物的表皮易被撕下，用表皮组织可直接观察。 4. 荧光指示剂法测定胞内Ca2+ 浓度和pH及膜片钳技术测定单通道电流成功地运用到保卫细胞中，推动了气孔运动信号转导途径的研究进程。,气孔的结构和其运动机理,保卫细胞的细胞壁是否一个重要的离子贮存库？ 外壁胞质连丝存在的普遍性和生理作用； 质膜上存在哪些激素或
3、其它信号的结合蛋白（受体？）及其和气孔敏感性的关系； 保卫细胞质膜和液泡膜上的各种离子通道及其和气孔运动的关系； 细胞骨架在气孔运动中的重要作用； 叶绿体和线粒体对气孔运动的主要贡献是什么？ 液泡和细胞核动态变化的功能意义?,气孔启闭运动机理的几个研究热点,调控气孔运动的信号分子：细胞骨架、CaM 、CDPK；ABA、H2O2、乙酰胆碱、茉莉酸（JA）、一氧化氮（NO）、 MAPK 等 Aquaporin、Expansin对气孔运动的调控机理,二、气孔的结构特点,1. 气孔的分布与基本结构 2. 保卫细胞壁的特化和气孔运动 3. 质膜 plasma membrane 4. 叶绿体 chloro
4、plast 5. 线粒体 mitochondra 6. 细胞骨架微管和微丝 7. 核 nucleus 8. 液泡,特点,气孔数目多，分布广。气孔数目，大小，分布因植物种类和生长环境而异。 气孔的面积小，蒸腾速率遵循小孔律。 保卫细胞的体积小，膨压变化迅速。 保卫细胞具有多种细胞器，特别是含有叶绿体，对气孔开闭有重要作用。 保卫细胞具有不均匀加厚的细胞壁及微纤丝结构。 保卫细胞与周围细胞联系紧密，便于物质及水分的交流,1.气孔的分布、种类与基本结构,1.1 分布： 气孔普遍存在于植物的叶片表皮上，有些植物的花瓣，萼片，以及苹果、葡萄等发育的果实表面以及马铃薯块茎中都有气孔存在。,1.2 气孔的基
5、本结构,一般由成对的保卫细胞（guard cell）组成,保卫细胞与邻近细胞或副卫细胞构成气孔复合体,气孔的基本结构,1.3 气孔的种类,肾形： 大多数双子叶植物和许多单子叶植物、裸子植物、蕨类和藓类的保卫细胞。,哑铃形： 禾本科植物和几种苔草Cyperaceae (莎草科) 的保卫细胞。,1.4 保卫细胞和叶肉细胞的某些结构比较,a, Pearson和 Mithorpe, 1974 b, Allaway 和Setterfield, 1972 c, Outlaw等，1980,2. 保卫细胞壁的特化和气孔运动,内侧壁（inner lateral wall）： 靠气孔下腔的壁。,背壁（dorsal
6、 wall）： 指和表皮细胞相邻的壁。,腹壁（ventral wall）： 和背壁相对、近孔处的壁。,外侧壁（outer lateral wall）： 靠叶片外表面的壁。,保卫细胞壁的特化和气孔运动,保卫细胞的壁各处厚薄不均： 肾形保卫细胞一般背壁薄而腹壁特别加厚； 哑铃形保卫细胞的球状末端壁较薄而中间棒状部分壁厚。 保卫细胞的壁有相当的弹性：壁的特异加厚和纤维素微纤丝的定向是保卫细胞不均匀膨胀和气孔运动中形状改变的主要决定因素。,气孔的保卫细胞纤维素的基本排布,肾形保卫细胞纤维素微纤丝从孔向周围呈辐射状定向， 哑铃形保卫细胞球状部分纤维素微纤丝从孔向外放射。,气孔运动最根本的结构基础是保卫细
7、胞壁中径向排列的微纤丝。,2.1 果胶质 ：,保卫细胞壁富含的胼胝质、木质素等带负电的多聚物分子有很强的吸附阳离子的能力，是一个离子暂时贮存的库，对气孔运动中大量离子出入保卫细胞，特别是对K的快速转运有重要意义。,2.2 壁角质层（cuticle）,通常在外侧壁厚，有阻止水分丢失的功能，水蒸气通过角质层的扩散速率一般很低。,2.3 胞间连丝和外壁胞质连丝 （plasmodesmata and ectadesmata）,在保卫细胞发育过程中，和相邻表皮细胞间存在胞间连丝，是同化物和离子交换的通道，外源的糖可能通过胞间连丝运入保卫细胞，保卫细胞可利用外源的糖在自己的叶绿体中合成淀粉后贮存。 在成熟
8、的保卫细胞与相邻表皮细胞间没有胞间连丝存在。,外壁胞质连丝是从保卫细胞原生质延伸出来的细胞质指状物。外连丝可能是叶片吸收、离子运输、角质层沉积或围孔蒸腾场所，也有认为只是一种赝象,3.质膜,保卫细胞质膜上的结合蛋白 保卫细胞质膜上的离子通道（ion channel） 水通道蛋白,保卫细胞PM H+ - ATPase,3.1保卫细胞质膜上的结合蛋白,3.1.1 脱落酸受体（结合蛋白）,保卫细胞质膜外侧和细胞内存在ABA高亲和力的结合蛋白，ABA和其受体蛋白或结合位点结合后，经一系列信号转导途径，引起渗透势变化。,不同的植物种类、器官和细胞类型可能存在不同的ABA结合蛋白，它们分别行使不同的功能。
9、,ABA 在保卫细胞上不仅有胞外作用位点,也有胞内作用位点,胞外pH的变化会对ABA 的存在形式产生影响。,在pH6. 5 下外用ABA ,气孔开度被抑制达98 % ,这提示ABA 对气孔的影响需胞外位点的参与。 在pH8. 0 下鸭跖草保卫细胞外用ABA ,只有57 %的气孔开度受抑制。向保卫细胞里注射ABA 则会使之关闭。,ABA受体,The flowering-time control protein FCA The Mg-chelatase H subunit ABAR the G proteincoupled receptor GCR2,ABA受体,FCA:F.A. Razem et
10、 al., Nature 439 (2006), pp. 290294 ABAR:Y.Y. Shen et al., Nature 443 (2006), pp. 823826 GCR2: X. Liu et al., Science 315 (2007), pp. 17121716,3.1.2 乙酰胆碱受体,荧光定位和免疫印迹鉴定表明,保卫细胞原生质体质膜上存在乙酰胆碱受体，受体激活剂和抑制剂的药理学实验证明其乙酰胆碱受体参与乙酰胆碱调控的气孔运动。,M型乙酰胆碱受体 BODIPY FL ABT标记,3.1.3 GTP 结合蛋白,编码小GTP 蛋白的rha1基因,主要在拟南芥和烟草叶片气孔保
11、卫细胞发育过程中表达（Terryn等, 1993），据报道可能不止一种G蛋白参与气孔运动调控中的保卫细胞信号转导。,3.1.4 光受体,光诱导气孔张开，蓝光可促进H分泌并诱导保卫细胞原生质体膨胀。,在保卫细胞中可能有两种或两种以上光受体，一种对蓝光作出反应，另一种对UVA 作出反应。其中一个是叶绿体中的类胡萝卜素，另一个可能是质膜上的黄素蛋白。,3.2保卫细胞质膜上的离子通道（ion channel）,3.1保卫细胞质膜上的结合蛋白,3.2.1 内向、外向K通道,3.2.2 质膜上的阴离子通道（anion channel）,3.2.3 钙离子通道,气孔保卫细胞上的离子通道,气孔保卫细胞上的通道
12、或载体,3.2.1 内向、外向K通道,内外K+通道都可被Ba2+阻断， 内向K+ 通道可被Al3所阻断。 外源Ca2+直接抑制内向K+通道， 胞质Ca2+也能抑制内向K+通道。 外向K+通道对Ca2+、G蛋白调节剂PTX和CTX及IP3都不敏感，但对胞内pH非常敏感，在胞质pH较高时被激活，而胞质酸化时受抑制。,3.2.2质膜上的阴离子通道（anion channel）,在保卫细胞质膜上存在三种阴离子通道,R型（Rapid type）阴离子通道,S型（Slow type）阴离子通道,SA（Stretch-activited）离子通道,可能参与调控气孔张开,可能在调控气孔关闭需要持续的阴离子外流
13、中起作用,是对膨压高度敏感的非专一性Ca2+通道，同时可以通透Cl和K，被认为对保卫细胞的渗透调节十分重要,3.2.3 钙离子通道.,胞内Ca 2+ 升高可能激活依赖Ca 2+ - CaM复合物的蛋白激酶(CDPK) 的活性； 胞内Ca 2+浓度变化也可能直接影响K + 通道的活性;胞内Ca 2+积累还可调节阴离子跨膜流出或刺激液泡内K+ 的释放; 胞内Ca 2+ 水平的升高还可能抑制PM H + ATPase 的活性,引起质膜去极化,从而调节气孔运动.,气孔保卫细胞上的钙离子通道,3.3 水通道蛋白,70年代初，首先在动物中发现，水通道蛋白（aquaporin, AQP or water c
14、hannel）或水孔。 92年鉴别出第一个水通道蛋白，证实由它介导水的跨膜转运。 95年发现拟南芥保卫细胞质膜上、 97年发现向日葵保卫细胞的液泡膜上都存在AQP。,水孔蛋白(Aquaporin),或称水通道(Water channel)蛋白的特点：,存在于细胞膜上专一运输水的内在性蛋白； 细胞通过膜上水孔蛋白开关及含量变化来调节水跨膜运输； 独立于离子通道和离子泵。,AQP1结构（四聚体）,分子量为2530KDa、 选择性、高效转运水分子的膜水通道蛋白称为水通道蛋白或水孔蛋白（aquaporins)。,AQP1结构,膜内在蛋白 ，由5 个短环(loop) 相连的6 个跨膜2螺旋及伸入细胞质的
15、N 端和C 端组成,植物体内主要存在三种类型 水孔蛋白：,1. 质膜水孔蛋白。,2. 液泡膜水孔蛋白。,3. 和大豆根瘤菌周膜上水通道蛋白NOD26类似的通道蛋白NLMS(NOD26-like-MIPs) 。,3.4 保卫细胞PM H+ - ATPase,PM H+ -ATPase 激活，膜超极化，气孔张开；反之,气孔关闭。,功能主要表现：,(1)产生质子驱动力即跨膜电化学势梯度pH 驱动了K+ 、Cl - 等的次生跨膜转运; ( 2) 调节胞质内pH ,质子泵活动使GC释放质子,胞内pH升高,酶活性提高,溶质浓度增加,气孔开放。,H- ATPase 参与了生长素刺激气孔开放的过程.,用膜片钳
16、技术检测GC 原生质体,发现5mol L - 1 2 ,4 - D 可增加质子泵产生的外流电流,这种电流出现需要胞内ATP 的存在,且PM H+ - ATPase 的抑制剂双环碳化二亚胺可使之消失。,光、激素、环境因子都可激活或抑制GC 质子泵的活性.,H+ - ATPase的专一抑制剂钒酸盐可抑制蓝光效应,；红光驱动的叶绿素反应,也可激活质膜上的质子泵.,二、气孔的结构特点,1.气孔的分布与基本结构 2.保卫细胞壁的特化和气孔运动 3.质膜 plasmalemma plasma membrane 4. 叶绿体 chloroplast 5. 线粒体 mitochondra 6. 细胞骨架微管和微丝 7. 核 nucleus 8.液泡,4. 叶绿体 chloroplast,多数植物的每个保卫细胞中有1015个叶绿体,叶肉细胞中的叶绿体数量在几十个到100个之间。 叶绿体内含大量淀粉粒，而且淀粉含量有昼夜的变化，白天气孔张开时，淀粉含量下降，夜间气孔关闭，淀粉积累。淀粉降解为合成有机阴离子提供碳骨架,
