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。