论文部分内容阅读
气孔是植物表皮特化出的一种细胞结构，其开关和分布决定着植物和外界环境间的水分和气体交换，在调控植物光合作用和蒸腾作用中发挥着重要作用。随着对双子叶模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)气孔发育分子机理研究的逐步深入，人们已经初步勾勒出拟南芥气孔发育的基本过程及一些相关的信号传导途径。近些年的研究也表明气孔发育受到外界环境条件和内在激素水平的调控。油菜素甾醇类植物激素(BRs)调控植物生长发育的诸多方面。已有研究表明，BR信号抑制叶片气孔发育，其下游负调控因子BIN2可直接磷酸化MAPK级联途径中的YODA(YDA)，MKK4和MKK5，进而间接影响调控气孔发生的关键转录因子SPEECHLESS(SPCH)的蛋白稳定性。但也有报道证明，BIN2可以直接磷酸化SPCH导致蛋白降解;BR信号通过抑制BIN2的激酶活性来稳定SPCH蛋白，从而促进下胚轴气孔发育。因此，BR信号对气孔发育的调控可能存在器官特异的多种调控途径。 我们的研究也发现外源活性epibrassinolide(eBL)可促进下胚轴气孔的形成;而BR合成抑制剂brassinazole(BRZ)处理会降低下胚轴气孔数目。BR合成突变体det2-1和BR受体突变体bri1-4的下胚轴气孔数目较野生型均显著减少。外源eBL可恢复det2-1下胚轴气孔数目到野生型水平，但不能互补bri1-4下胚轴气孔数目降低的表型，而BRI1: BRI1-GFP可互补bri1-4下胚轴气孔数目的减少。这说明与BR信号抑制叶片气孔发育的作用不同，BR在下胚轴中起到促进气孔形成的作用。BRZ抑制下胚轴表皮中气孔世系基因TOO MANYMOUTHS(TMM)的表达，说明BR信号调控下胚轴气孔发育的起始进程。SPCH，TMM及周期蛋白CYCD4均参与下胚轴气孔发育起始的调控，外源eBL处理促进了功能缺失性突变体tmm-1及cycd4;1-2; cycd4;2-3的下胚轴气孔发育，但不能恢复spch-4下胚轴的气孔发生，说明SPCH是BR信号促进下胚轴气孔发育所必需的。进一步的RT-PCR及蛋白印迹结果验证了BR信号对SPCH蛋白水平而不是转录水平的调控作用。我们也发现，外源eBL处理YDA功能缺失突变体yda-10仍可提高其下胚轴气孔簇的数目及大小;而将bri1-4引入da-10则会降低后者下胚轴气孔簇的数目及大小，说明BR促进下胚轴气孔发育可不依赖于YDA介导的MAPK途径。这与BR信号在叶片中通过MAPK途径来调控气孔发育的作用机制不同，进一步证明了BR信号调控气孔发育机制的器官特异性。 TMM调控气孔发育也具有器官特异性，其功能缺失突变体tmm-1叶片上形成气孔簇，而在下胚轴上则不形成气孔。TMM的这种器官特异性调控是由于CHALLAH多肽家族（包括CHAL、CLL1、CLL2）对下胚轴气孔发育的特异调控而导致的。CHAL家族基因功能缺失能够恢复tmm下胚轴气孔及气孔簇的产生。我们的研究发现tmm在外源eBL作用下，其下胚轴同样可以形成气孔或气孔簇;内源提高BR信号（表达BRI1:BRI1-GFP）也可导致tmm下胚轴气孔的产生。因此，BR促进tmm下胚轴气孔发育可能是由于BR对CHAL家族基因存在负调控作用而导致的。 与tmm-1;chal2-1cll2-1相比，tmm-1;cll1-1;cll2-1和tmm-1;chal2-1; cll1-1对BRZ超敏感，10μM BRZ可完全抑制二者下胚轴气孔的产生，说明CHAL和CLL2可能参与了BR信号的响应。进一步RT-PCR结果表明，BR信号负调控CHAL及CLL2的表达，而不影响CLL1的表达。体外EMSA实验及体内的ChIP-qPCR实验表明，BZR1可直接结合于CHAL及CLL2的启动子区域来调控二者的转录。而显性突变形式的bzr1-1D不调控CHAL及CLL2的转录，且可阻断二者对BR信号的响应。SPCH:SPCH-GFP同样可以促进tmm下胚轴的气孔发育，且BR信号可通过抑制BIN2的激酶活性来稳定SPCH蛋白。我们发现，bzr1-1D会削弱tmm下胚轴气孔发育对外源eBL的响应，但不能完全抑制tmm对外源eBL的响应，说明BR信号是通过对BIN2-SPCH蛋白水平和BZR1-CHAL/CLL2转录水平两条途径的共同调控来促进tmm下胚轴气孔发育。 综上所述，BR信号在调控下胚轴气孔发育中采取了不同于叶片上的BIN2-MAPK途径，BR通过促进SPCH蛋白稳定性和抑制CHAL及CLL2转录，在蛋白和转录水平上对下胚轴气孔发生进行精细调控。