楊 波，田 露，王蘭蘭

(沈陽師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽110034)

脫落酸(Abscisic acid，ABA)是一種重要的植物激素。當(dāng)受到生物和非生物脅迫時(shí)，植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一系列復(fù)雜的防御機(jī)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(fā)芽和側(cè)根生長，提高植物對(duì)病菌入侵和環(huán)境脅迫的耐受程度［2-4］。ABA在植物的整個(gè)生長發(fā)育過程中是一個(gè)“抗逆誘導(dǎo)因子”，對(duì)氣孔運(yùn)動(dòng)、水分調(diào)節(jié)、光合作用、衰老及對(duì)逆境適應(yīng)等生理過程都有明顯的調(diào)控作用。內(nèi)源ABA水平的提高和外源ABA的處理都能明顯增加植物對(duì)環(huán)境脅迫的抗性［5］。

氣孔本質(zhì)上是氣孔復(fù)合體的簡稱，通常是由一對(duì)啞鈴形或腎形的保衛(wèi)細(xì)胞以及它們之間的孔隙構(gòu)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(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。氣孔雖然很小，但是它對(duì)于植物水分利用、物質(zhì)代謝、營養(yǎng)吸收等以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用不可小覷［7］。氣孔是依據(jù)光合作用同化的CO2量和蒸騰失水量來調(diào)控氣孔的開閉。氣孔運(yùn)動(dòng)的方式看似簡單，但蘊(yùn)涵著十分復(fù)雜的生理過程，涉及保衛(wèi)細(xì)胞對(duì)內(nèi)外環(huán)境的感應(yīng)、信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)、離子的跨膜運(yùn)輸?shù)纫幌盗羞^程?？梢哉f，植物各種重要的生理生化活動(dòng)都與氣孔運(yùn)動(dòng)有著密切的關(guān)系［8］。

ABA在調(diào)節(jié)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(nèi)的ABA生物合成，也擴(kuò)大了ABA在植物體內(nèi)的分布范圍［15］。保衛(wèi)細(xì)胞膨壓增加吸水膨脹和膨壓降低失水收縮是導(dǎo)致氣孔運(yùn)動(dòng)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(huì)遭到破壞，導(dǎo)致細(xì)胞死亡［1］。通過對(duì)保衛(wèi)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的研究表明，ABA能直接導(dǎo)致保衛(wèi)細(xì)胞發(fā)生形態(tài)學(xué)彎曲，致使氣孔關(guān)閉［16］，阻止水分散失。提高植物抗旱能力是氣孔關(guān)閉的首要作用。在逆境脅迫下，ABA在植物體內(nèi)的含量迅速增加，并且與受體結(jié)合，通過跨膜運(yùn)輸，經(jīng)下游信號(hào)第二信使Ca2+、H2O2、NO等進(jìn)行傳遞并且放大，控制氣孔運(yùn)動(dòng)。

1 與ABA相關(guān)的植物氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)

植物氣孔運(yùn)動(dòng)受自身遺傳和外界環(huán)境因素的影響。水分、溫度、光照、CO2濃度等環(huán)境因素對(duì)氣孔運(yùn)動(dòng)有重要影響。植物將感知的外界環(huán)境信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部信號(hào)，從而控制氣孔的張開與關(guān)閉。

1.1 Ca2+對(duì)氣孔運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié) 研究證明，Ca2+在保衛(wèi)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)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(dǎo)氣孔關(guān)閉可能存在2種不同的信號(hào)途徑:鈣離子依賴型誘導(dǎo)和非鈣離子依賴型誘導(dǎo)［18］，其中依賴于Ca2+的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程是主要類型。依賴于Ca2+信號(hào)途徑是指ABA與保衛(wèi)細(xì)胞受體結(jié)合后，細(xì)胞質(zhì)膜上的Ca2+通道被H2O2激活，由H2O2激活的Ca2+通道引起Ca2+內(nèi)流及完整的保衛(wèi)細(xì)胞中胞質(zhì)自由鈣離子濃度升高［19］，因而引發(fā)一系列反應(yīng)，最終導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。在ABA誘導(dǎo)的玉米保衛(wèi)細(xì)胞氣孔關(guān)閉的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，鈣離子扮演著重要的角色［20］。絕大部分的鈣以結(jié)合態(tài)的形式存在于細(xì)胞內(nèi)，貯存在葉粒體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、液泡等部位。它們都是細(xì)胞內(nèi)的“鈣庫”。當(dāng)細(xì)胞受到外界環(huán)境刺激時(shí)，從質(zhì)外體經(jīng)質(zhì)膜或胞內(nèi)“鈣庫”向胞液運(yùn)輸?shù)腃a2+量增加，胞質(zhì)中Ca2+濃度提高后，通過激活Ca2+調(diào)節(jié)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(jié)合，再通過激酶將Ca2+濃度變化中所蘊(yùn)含的外部信息表達(dá)為生理生化過程，完成信息傳遞之后，Ca2+通過細(xì)胞中濃度調(diào)節(jié)又回落到靜息態(tài)水平，此時(shí)Ca2+與受體蛋白分離［21］。這樣通過胞質(zhì)內(nèi)Ca2+的濃度變化，可以把細(xì)胞外的信息傳遞到細(xì)胞內(nèi)，調(diào)節(jié)相應(yīng)的生理活動(dòng)［22］。隨著膜片鉗技術(shù)的廣泛應(yīng)用與改進(jìn)，一些學(xué)者已檢測(cè)到植物細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)Ca2+通道活性的改變。Hamilton等［23］在大豆保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜上檢測(cè)到通透Ca2+的單通道電流，得出ABA可增加Ca2+電流，而胞質(zhì)自由鈣離子濃度則抑制Ca2+電流。此外，胞內(nèi)Ca2+濃度增加對(duì)電壓的變化敏感，說明保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜上可能存在一個(gè)受細(xì)胞膜超級(jí)化和ABA調(diào)控的內(nèi)流Ca2+通道。ABI1和ABI2是一類Ca2+調(diào)節(jié)的磷酸酶，通過磷酸化反應(yīng)把ABA連接到Ca2+之間的信號(hào)傳遞。ABI1和ABI2抑制ABA對(duì)Ca2+產(chǎn)生影響，且具有反饋負(fù)調(diào)控作用［24］。環(huán)腺苷二磷酸核糖(Cyclic adenosine diphosphate ribose，cADPR)也參與 ABA 調(diào)控的 Ca2+運(yùn)輸［25］。在不依賴Ca2+的途徑中，ABA可引起保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)H2O2的積累，使胞質(zhì)堿化，有效地抑制質(zhì)膜K+內(nèi)向通道，活化K+外向通道，導(dǎo)致保衛(wèi)細(xì)胞K+濃度降低，細(xì)胞膨壓減小，氣孔關(guān)閉［26-27］。ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑無論是否依賴Ca2+，都需要作用于離子通道，調(diào)節(jié)胞內(nèi)離子濃度以控制氣孔開閉［28］。

1.2 H2O2對(duì)氣孔運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié) 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(wèi)細(xì)胞響應(yīng)ABA的下游物質(zhì)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(jīng)歧化反應(yīng)后形成的H2O2通過某種通道進(jìn)入胞質(zhì)內(nèi)［7］。NADPH是NOX介導(dǎo)產(chǎn)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(yàn)中，首次證明了ABA可以誘導(dǎo)氣孔保衛(wèi)細(xì)胞中合成H2O2。NADPH氧化酶是調(diào)節(jié)H2O2產(chǎn)生的關(guān)鍵酶。ABA通過激活絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶OST1誘導(dǎo)H2O2的合成，擬南芥AtOST1基因突變體經(jīng)ABA的處理后不產(chǎn)生H2O2且氣孔不關(guān)閉，但是外源H2O2能夠誘導(dǎo)突變體的氣孔關(guān)閉［32］。Bright等［33］研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥中 ABA 誘導(dǎo)的氣孔關(guān)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(jìn)保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)源H2O2的形成，又能誘導(dǎo)氣孔關(guān)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(guān)閉，其機(jī)制是H2O2抑制保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)向K+通道，激活外向K+通道，使K+外流引起保衛(wèi)細(xì)胞滲透壓的降低，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。

1.3 NO對(duì)氣孔運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié) 信號(hào)分子NO在植物發(fā)育、生長、衰老、細(xì)胞程序性死亡、抗病及對(duì)逆境脅迫等不同形式的應(yīng)答中有很大的作用［36］。NO參與ABA誘導(dǎo)植物氣孔關(guān)閉的過程。NO是植物體內(nèi)普遍存在的一種內(nèi)源物質(zhì)，在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間的信息傳遞方面起重要作用［37］。一些學(xué)者的研究結(jié)果證實(shí)，ABA可誘導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞中NO含量的增加。蠶豆、豌豆、擬南芥的保衛(wèi)細(xì)胞和其他表皮細(xì)胞中的NO在ABA誘導(dǎo)下迅速合成［33-38］，且NO的生物合成是ABA誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉所必需的。NO可能通過激活質(zhì)膜上的Cl-通道、抑制質(zhì)膜K+內(nèi)流通道和調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase，MAPK)的活性參與ABA的氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制［39-42］。外源NO和ABA誘導(dǎo)楊樹離體葉片氣孔關(guān)閉時(shí)具有劑量效應(yīng)。NO能加強(qiáng)ABA誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉的作用。NO清除劑(c-PTIO)能極大程度地減弱NO和ABA 對(duì)氣孔關(guān)閉的誘導(dǎo)作用［43］。Li等［44］試驗(yàn)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(rèn)為，ABA和NO誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉需要cADPR和環(huán)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(nèi)鈣庫釋放Ca2+，因而實(shí)現(xiàn)氣孔關(guān)閉。

2 展望

脫落酸作為作物體內(nèi)的一種重要激素，在提高作物抗逆性的同時(shí)還能夠提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)等。利用ABA調(diào)節(jié)作物的抗逆性將是農(nóng)業(yè)抗災(zāi)、減災(zāi)研究的重要方向之一［45］。經(jīng)過多年研究，各國學(xué)者對(duì)ABA這個(gè)重要的植物激素已有較深入的了解。植物在進(jìn)化過程中形成了一種比較完善的適應(yīng)不良環(huán)境的機(jī)制。外界逆境條件能觸發(fā)不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。植物傳遞ABA各信號(hào)途徑之間是怎樣相互協(xié)調(diào)，從而使細(xì)胞快速產(chǎn)生生理反應(yīng)，仍亟待解決。另外，關(guān)于ABA誘導(dǎo)氣孔運(yùn)動(dòng)的研究大多數(shù)通過外源ABA。這并不能非常確切地模擬內(nèi)源ABA的作用，與內(nèi)源ABA相比存在一定的差異。植物細(xì)胞生命活動(dòng)的重要過程之一是細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，但是對(duì)ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的具體作用機(jī)制等尚不十分明確。

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