Regulation of abscisic acid-induced stomatal closure and anion channels by guard cell AAPK kinase

Abscisic acid (ABA) stimulates stomatal closure and thus supports water conservation by plants during drought. Mass spectrometry-generated peptide sequence information was used to clone a Vicia faba complementary DNA, AAPK, encoding a guard cell-specific ABA-activated serine-threonine protein kinase (AAPK). Expression in transformed guard cells of AAPK altered by one amino acid (lysine 43 to alanine 43) renders stomata insensitive to ABA-induced closure by eliminating ABA activation of plasma membrane anion channels. This information should allow cell-specific, targeted biotechnological manipulation of crop water status.     

拟南芥二氧化碳突变体生理特性的分析

[目的]对2个已获得的拟南芥突变体：二氧化碳敏感突变体（cds1）和二氧化碳不敏感突变体（cdi1）进行一些生理特性分析,寻找它们同野生型之间的差异表型。[方法]利用表皮条生物学试验方法对拟南芥野生型和突变体叶片进行气孔开度、气孔密度和叶片失水率测定,同时采用培养基中添加脱落酸（ABA）、甘露醇（Man）和NaC l作为胁迫处理测定种子萌发率。[结果]2个突变体气孔密度同野生型基本一致,而气孔开度和叶片失水率则有明显差异。此外,种子萌发试验也表明cdi1对外源ABA、甘露醇和NaC l不敏感,而cds1则刚好相反。[结论]2个突变体同野生型之间生理特性存在一定的差异。     

异三聚体G蛋白在UV-B诱导拟南芥气孔关闭中的作用

【目的】了解异三聚体G蛋白在紫外线B（UV-B）辐射诱导气孔关闭中的作用,为进一步阐明植物细胞转导UV-B辐射信号的机制提供依据。【方法】以拟南芥（Arabidopsis thaliana）野生型、G蛋白α亚基基因缺失突变体及其超表达株系和组成活化型株系为材料,并结合药理学试验,通过气孔开度分析确定G蛋白在0.5 W•m-2 UV-B辐射诱导拟南芥叶片气孔关闭中的作用。【结果】细菌毒素试验表明,G蛋白抑制剂百日咳毒素（PTX）能显著抑制UV-B诱导的气孔关闭,而其活化剂霍乱毒素（CTX）能模拟UV-B的作用诱导可见光下叶片气孔关闭。遗传学试验显示,UV-B不能诱导异三聚体G蛋白α亚基GPA1功能缺失突变体gpa1-1和gpa1-2的气孔关闭,却能诱导其超表达株系wGα和组成活化型株系cGα的气孔关闭,且cGα在可见光下气孔开度明显小于野生型,在UV-B辐射初期其气孔关闭速度明显快于野生型。【结论】异三聚体G蛋白α亚基参与了UV-B辐射诱导拟南芥叶片气孔关闭的信号转导过程。     

马铃薯叶片气孔的开张与关闭同步伴随果胶的降解与合成

【目的】 比较气孔关闭与不同气孔密度开张之间叶片分化表达蛋白质及其积累变化,揭示果胶代谢如何调控气孔开张和关闭,为深入理解气孔的环境适应功能提供依据。【方法】 构建体内过量和抑制StEPF-2（EPIDERMAL PATTERNING FACTOR 2 from Solanum tuberosum）表达载体,以茎段为外植体,转化马铃薯克新1号植株,获得不同气孔密度的转化株系,以黑暗条件下气孔关闭为对照,采用RNA-seq和iTRAQ分别检测不同处理和对照叶片的基因和蛋白质表达谱,比较不同气孔密度分化表达的蛋白质,并通过StEPF-2标记的pulldown和LC-MS/MS结果确认,明确不同气孔密度特异诱导表达的胞壁果胶代谢参与的蛋白质。【结果】 叶片成熟过程中,随着气孔的关闭和开张,至少有14个蛋白质家族参与了保卫细胞壁果胶的代谢;黑暗条件下,气孔关闭时有5个蛋白质家族特异表达,分别是阻止HGs水解的多聚半乳糖醛酸酶抑制子（polygalacturonase inhibitor,PGI）、RG侧链合成的UDP-鼠李糖合成酶（rhamnose synthase,RHM）、半乳聚糖β-1,4半乳糖基转移酶（galactan β-1,4-galactosyltransferase,GALS）、UDP-D-葡萄糖醛-4-异构酶（UDP-D-glucuronate 4-epimerase,GAE）和聚半乳糖4-α-半乳糖转移酶（polygalacturonate 4-α-galacturonosyltransferase,GAUT）;光照条件下,在不同气孔密度的叶片中检出4个蛋白质家族特异表达,它们分别是降解果胶C6甲酯的果胶甲基酯酶（pectinmethylesterase,PME）、内切和末端水解果胶的多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase,PG）、α-半乳糖苷酶（α-galactosidase,AGAL）和类果胶裂解酶（pectate lyase-like,PLL）。另有5个蛋白质家族同时参与了气孔的开张和关闭,它们分别是阿拉伯半乳聚糖-蛋白质（aabinogalactan-protein,AGP）、果胶乙酰酯酶（pectinacetylesterase,PAE）、β-半乳糖苷酶（β-galactosidase,BGAL）、类枯草杆菌蛋白酶（subtilase-like,SBT）和果胶甲基酯酶抑制子（pectinesterase inhibitor,PMEI）。【结论】 光照条件下,PME催化果胶去甲酯,其后PG和PLL及AGAL分别内切和末端水解果胶,丧失结构的果胶在膨压下开裂,打开气孔;黑暗条件下,PGIP抑制果胶水解,RHM增强果胶侧链合成,结构完整的果胶自行膨胀,保持气孔关闭。     

Passive origins of stomatal control in vascular plants

Carbon and water flow between plants and the atmosphere is regulated by the opening and closing of minute stomatal pores in surfaces of leaves. By changing the aperture of stomata, plants regulate water loss and photosynthetic carbon gain in response to many environmental stimuli, but stomatal movements cannot yet be reliably predicted. We found that the complexity that characterizes stomatal control in seed plants is absent in early-diverging vascular plant lineages. Lycophyte and fern stomata are shown to lack key responses to abscisic acid and epidermal cell turgor, making their behavior highly predictable. These results indicate that a fundamental transition from passive to active metabolic control of plant water balance occurred after the divergence of ferns about 360 million years ago.     

Molecular mimicry regulates ABA signaling by SnRK2 kinases and PP2C phosphatases

Abscisic acid (ABA) is an essential hormone for plants to survive environmental stresses. At the center of the ABA signaling network is a subfamily of type 2C protein phosphatases (PP2Cs), which form exclusive interactions with ABA receptors and subfamily 2 Snfl-related kinase (SnRK2s). Here, we report a SnRK2-PP2C complex structure, which reveals marked similarity in PP2C recognition by SnRK2 and ABA receptors. In the complex, the kinase activation loop docks into the active site of PP2C, while the conserved ABA-sensing tryptophan of PP2C inserts into the kinase catalytic cleft, thus mimicking receptor-PP2C interactions. These structural results provide a simple mechanism that directly couples ABA binding to SnRK2 kinase activation and highlight a new paradigm of kinase-phosphatase regulation through mutual packing of their catalytic sites.     

植物转录因子NAP亚家族的研究进展

植物转录因子NAP（NAC-Like,Activated by AP3/PI）是近年来发现的一类与调控植物生长发育、控制叶片衰老以及响应外界环境胁迫等功能有关的转录因子,是NAC（NAM、ATAF1/2和CUC2）家族中的一个重要成员,也是一类植物特有的转录因子。转录因子NAP在结构上具有NAC家族的保守结构,即在N端具有保守的NAC区以及在C末端具有相对多样性的TAR区,但也有不同于其它NAC亚家族的一些特点,如其TAR区也有一定的保守性等;同时,NAP亚家族的基因表达产物主要集中在细胞核中,表明转录因子NAP是一个核蛋白;再者转录因子NAP的基因主要包括3个外显子和2个内含子。自从第一个转录因子NAP于1998年由Robert等在拟南芥中对控制花发育的AP3/PI的靶基因进行研究时发现以来,目前已在水稻、小麦、大豆、棉花、竹子、葡萄、番红花等植物中相继发现,表明NAP是存在于植物界中的一个特有的转录因子。转录因子NAP具有多种生物学功能,广泛参与植物种子、根、花等的生长发育,对植物生长发育过程起着重要的调节作用;与此同时,转录因子NAP也在叶片凋亡过程中起着举足轻重的作用,对叶片在衰老过程中涉及到的大分子物质的降解以及营养物质的再分配等过程起着重要的调控作用;而且,转录因子NAP对包括干旱、盐渍、冷害等外界环境胁迫有一定的响应,是一类参与调控植物体内各种生理反应的关键因子;同时,转录因子NAP也与植物尤其是农作物的品质有密切的关系,这也为农作物育种提供了一种新的思路和方法。最新研究表明,NAP主要受脱落酸和乙烯调控,已发现一个定位在高尔基体的PP2C家族中的成员SAG113为转录因子NAP的一个直接的靶基因,而且发现SAG113在控制气孔运动方面尤其是在衰老叶片中可能是ABA调控中的一个负调控元件,通过酵母杂交试验以及电泳迁移率变动分析技术得出转录因子NAP受到ABA的调控并直接与其靶基因SAG113启动子区域的一个特定的区域进行专一性的结合,即在衰老叶片中转录因子NAP通过ABA-NAP-SAG113 PP2C调节链提高其靶基因SAG113的表达,以及通过促进气孔开放从而导致水分丧失和通过足够的氧气进入到组织中使得乙烯释放进而使呼吸作用加快等加速叶片衰老的信号这一调控机制。文章主要对NAP转录因子的结构特点、生物学功能以及调控机制等方面在植物中的研究现况进行较为详细的阐述,以期为后续研究提供一定的参考。     

植物PP2C蛋白磷酸酶负调控ABA信号转导途径研究进展

PP2C(PP2C-type protein phosphatases)蛋白磷酸酶是一类丝氨酸/苏氨酸残基蛋白磷酸酶,植物体内目前已经发现了4种PP2C蛋白磷酸酶:ABI,AtP2C-HABl,AtPP2CA以及MP2C.大量的研究表明植物PP2C蛋白磷酸酶参与了ABA信号转导途径的负调控功能.就高等植物PP2C的分类及其对ABA信号转导途径的负调控功能的研究进展进行了综述.     

Drought-Induced Changes in Xylem Sap pH,ABA and Stomatal Conductance

Upstream signals potentially regulating evaporation and stomatal conductance were investigated using 6-8-leaf-old maize(Zea may L.)seedlings which were grown in a greenhouse.Pressure chamber was used to measure leaf water potential and to collect xylem sap.The pH of xylem sap in stems was higher than that in root,and the abscisic acid(ABA)concentration in stems was the highest in well-watered seedlings.The ABA concentration and pH of xylem sap in roots,stems and leaves increased,and the ABA concentration in leaves reached the maximum during drought stress.The treatment of roots with exogenous ABA solution(100 μmol L-1)increased xylem sap ABA concentration in all organs measured,and induced stomatal closure,but did not change ABA distribution among organs of maize seedlings.The combined effects of external pH buffer on pH,ABA of xylem sap and stomatal behavior indicated that pH,as a root-source signal to leaves under drought stress,regulated stomatal closure through accumulating ABA in leaves or guard cells.     

植物异三聚体G蛋白在细胞信号转导中的作用机制研究进展

对近年来植物异三聚体G蛋白在细胞跨膜信号转导过程中作用机制的研究进展进行了综述,重点阐述了植物异三聚体G蛋白在植物细胞信号转导、调节气孔运动、调控花粉萌发及花粉管伸长等方面的重要作用,展望了植物异三聚体G蛋白的研究前景及方向。     

叶片δ13 C与长期水分利用效率的关系

该文测定并研究了不同水分处理下,不同黑杨无性系的长期水分利用效率（WUEL）、叶片δ13C、光合作用、气孔及其相互关系.结果显示:无性系间WUEL、δ13C、光合作用、气孔都存在差异. 4个水分处理下J2、J6、J7、J8、J9都是WUEL较优的无性系,同时它们的δ13C高、净光合速率Pn和瞬时水分利用效率WUEi较高、气孔频度和气孔大小适中、上/下表皮气孔数目比大.气孔的差异是导致无性系间Pn和WUEi差异,并最终导致WUEL、δ13C差异的关键因子.δ13C和WUEL呈正相关,充分供水条件下相关性最好.      

ABA和PP333对国兰低温胁迫及恢复中光合作用和叶绿素荧光参数的影响

为探讨植物生长调节剂ABA和PP333对国兰低温胁迫下抗寒性的影响,以春兰名品‘宋梅’为试材,采用20 mg/L ABA和300 mg/L PP333对‘宋梅’幼苗叶片进行叶面喷施和灌根处理,于光照培养箱[昼温/夜温=(5±0.5)℃/(0±0.5)℃]中进行低温胁迫9天,然后转入正常条件[昼温/夜温=(22±0.5)℃/(15±0.5)℃]恢复12天,研究不同低温处理及恢复时间对国兰光合作用和叶绿素荧光参数的影响。结果表明：低温导致春兰幼苗叶片的叶绿素含量、叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、气孔限制值(Ls)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、光化学猝灭系数(qP)、光合电子传递量子效率(ФPSⅡ)、光适应下最大光化学效率(Fv′/Fm′)、光合电子传递速率(ETR)和光化学耗散能量(Prate)下降,胞间CO2浓度(Ci)、初始荧光(F0)和天线热耗散速率(Drate)则逐步上升,经ABA和PP333处理的植株指标波动幅度低于清水处理的植株,胁迫解除后能迅速恢复到对照水平,说明低温胁迫直接损伤光合机构使PSⅡ反应中心失活,而ABA和PP333可缓解PSⅡ反应中心受到的伤害,维持较高的光能捕捉能力和同化率,保证春兰幼苗叶片的光合作用能力。     

Mechanisms of Physiological Regulation for Improving Dryland Crop Water Use

This paper briefly reviews the physiological mechanisms for improving crop water use and water use efficiency in dryland farming regions of Loess Plateau on the basis of its environmental conditions and progress in crop water relations and the biological basis of water-saving agriculture, especially in non-uniform stomatal closure, ABA effects, communication between root and shoot, and water use efficiency. Root chemical signals about water shortage are feedforward effect which contributes to balanced water relations within the plant compartment of the soil-plant-atmosphere continuum. ABA production is increased in tissues during these stresses, and this causes a variety of physiological effects, including stomata closure in leaves. It is concluded that the root chemical signal ABA is very important to improve the crop water use efficiency in semi-arid area of Loess Plateau.     

SSU72参与气孔大小发育和干旱胁迫应答

植物在受到外界环境干旱胁迫时,会启动一系列的生理反应,包括气孔的关闭和ABA的产生,然而,植物如何平衡干旱胁迫和生命周期,并不清楚。SSU72编码C末端结构域(C-terminal domain , CTD)的磷酸化酶,抑制拟南芥(Arabidopsis thaliana)的开花时间。研究发现SSU72参与拟南芥的干旱胁迫应答,SSU72定位于细胞核中,功能缺失的SSU72失水速率快、气孔大,并且气孔的关闭对ABA不敏感;进一步检测下游的基因RD29B, RD22, RD29A 和 COR15A的表达水平,表明SSU72参与ABA和非ABA途径干旱基因的激活。因此,SSU72很可能是对环境适应的重要调节因子,平衡非生物胁迫和生长周期。     

脱落酸和多效唑对水分胁迫条件下小麦幼苗活性氧代谢的影响

本文以上培小麦幼苗为材料，研究了脱落酸（ＡＢＡ）和多效唑（ＰＰ３３３）对土壤于旱条件下小麦幼苗活性氧代谢的影响。结果表明，喷施ＡＢＡ和ＰＰ３３３后，过氧化物酶（ＰＯＤ）和过氧化氢酶（ＣＡＴ）活性升高加快；超氧物歧化酶（ＳＯＤ）活性前期上升缓慢，但后期超过对照；丙二醛（ＭＤＡ）含量减少，叶片含水量和水势提高。表明ＡＢＡ和ＰＰ３３３可以提高小麦幼苗的抗旱性，且ＰＰ３３３和ＡＢＡ的作用相似。     

抗蒸腾剂在苹果试管苗移栽中的应用研究

研究了长富─２苹果试管苗在移栽过程中的气孔运动、蒸腾速率的变化规律及移栽后喷洒抗蒸腾剂的效应。结果表明，移栽初期试管苗对外界条件变化比较敏感，蒸腾失水最多，是加强保温措施的关键时期；移栽后立即喷洒抗蒸腾剂，能显著抑制气孔开张，降低蒸腾速率，提高移栽成活率。     

3种黄连叶片表皮特征研究

通过对三角叶黄连、峨嵋黄连、味连等3种黄连的叶片气孔长度、气孔指数、气孔密度及气孔周围细胞数等表皮特征进行了比较研究,结果表明3种黄连叶片上下表皮细胞形状均为不规则型,叶片上表皮细胞垂周壁以波纹型为主;叶片下表皮细胞垂周壁有深波纹型、波纹型和浅波纹型,其中三角叶黄连以深波纹型为主。3种黄连叶片气孔分布在下表皮,属于无规则型。SSR测验气孔长度、气孔指数、气孔密度及气孔周围细胞数等均表现种内差异性比种间差异性大。     

多效唑、ABA对番茄叶片膜脂过氧化的影响

本文探讨了多效唑（ＰＰ３３３）、ＡＢＡ对番茄叶片衰老过程中叶绿素、可溶性蛋白质含量的影响，以及它们对正在生长的番茄叶片中超氧化物歧化酶（ＳＯＤ）、雨二醛（ＭＤＡ）含量和ＳＯＤ同工酶的影响。结果表明：多效唑能延缓番茄叶片衰老，而ＡＢＡ则促进衰老；ＡＢＡ、多效唑均能促进正在生长的番茄叶片ＳＯＤ活性上升，丙二醇含量下降，但ＳＯＤ同工酶谱没有改变。     

水分胁迫对茶树光合作用的影响

以铁观音茶树品种为材料,测定其干旱胁迫过程中叶片光合作用和脱落酸（ＡＢＡ）含量的变化．结果表明：离体叶片,轻度水分胁迫,气孔导度下降是净光合速率、蒸腾速率下降的主要原因;严重水分胁迫,净光合速率下降是由叶肉细胞光合能力下降引起的．土壤自然干旱过程中,茶树叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率随着土壤水势下降而逐渐下降,ＡＢＡ含量逐渐提高;在－３８ｋＰａ开始水分胁迫,临时性萎蔫点在－５０ｋＰａ,永久性萎蔫点在－５８ｋＰａ;气孔导度与ＡＢＡ含量呈显著的负相关;复胁迫茶树经过抗旱锻炼后,其抗旱能力明显提高．