Mesophyll photosynthesis and guard cell metabolism impacts on stomatal behaviour

葉肉光合作用和保衛(wèi)細(xì)胞代謝對(duì)氣孔行為的影響

氣孔控制葉片內(nèi)部空氣空間和外部大氣之間的氣態(tài)通量。保衛(wèi)細(xì)胞決定氣孔孔徑，并且必須運(yùn)行以確保光合作用的CO₂吸收(A)和水分流失以及最終植物水分利用效率(WUE)之間的適當(dāng)平衡。A和氣孔導(dǎo)度(gs)之間的強(qiáng)相關(guān)性被充分記錄并經(jīng)常觀察到，但促進(jìn)這種關(guān)系的潛在機(jī)制、可能的信號(hào)和代謝物目前尚不清楚。在這篇綜述中，我們?cè)u(píng)估了當(dāng)前關(guān)于葉肉驅(qū)動(dòng)信號(hào)的文獻(xiàn)，這些信號(hào)可能與葉肉碳同化協(xié)調(diào)氣孔行為。我們探索了包括蔗糖和蘋果酸在內(nèi)的各種代謝物（來(lái)自幾個(gè)潛在來(lái)源；包括保衛(wèi)細(xì)胞光合作用）的可能作用，以及新的證據(jù)表明通過(guò)操縱保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)的蔗糖代謝來(lái)改善WUE。最后，我們討論了可用于潛在操縱細(xì)胞特異性代謝的新工具和技術(shù)，包括保衛(wèi)細(xì)胞和葉肉細(xì)胞，以闡明葉肉衍生的信號(hào)，這些信號(hào)將葉肉CO₂需求與氣孔行為相協(xié)調(diào)，從而提供對(duì)這些過(guò)程的機(jī)械理解因?yàn)檫@可以確定潛在的操作目標(biāo)，以提高植物WUE和作物產(chǎn)量。

葉肉和氣孔之間的協(xié)調(diào)

gs和A之間的密切相關(guān)性經(jīng)常在CO2濃度和光強(qiáng)度范圍內(nèi)觀察到，最初提出胞間CO2濃度(Ci)有助于維持葉肉光合作用與氣孔孔徑的協(xié)調(diào)（圖1）。Ci不僅取決于氣孔孔徑和從大氣進(jìn)入葉片的氣體通量，還取決于通過(guò)葉肉光合作用消耗的CO₂。光誘導(dǎo)內(nèi)部CO₂(Ci)的光合消耗，從而打開(kāi)氣孔。因此，Ci協(xié)調(diào)光合響應(yīng)和葉肉對(duì)CO2的需求與氣孔導(dǎo)度是一個(gè)有吸引力的假設(shè)。然而，一些研究表明，氣孔對(duì)CO2（包括Ci）的響應(yīng)太小，因此不足以解釋觀察到的響應(yīng)光的gs相對(duì)較大的變化。這一證據(jù)，以及在表皮果皮中氣孔對(duì)光和二氧化碳作出反應(yīng)的觀察結(jié)果，導(dǎo)致了保衛(wèi)細(xì)胞本身的直接感知和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的建議。然而，文獻(xiàn)中并沒(méi)有達(dá)成共識(shí)，對(duì)于完整的葉子和孤立的表皮，報(bào)告的氣孔對(duì)光和CO2濃度的反應(yīng)通常不同。此外，在同一物種中，但在不同的實(shí)驗(yàn)室中，已經(jīng)觀察到氣孔導(dǎo)度變化幅度和速度的差異。由于這些原因，尚未明確建立協(xié)調(diào)和促進(jìn)光合作用(A)和gs之間密切關(guān)系的潛在機(jī)制和信號(hào)。

圖1.葉片橫截面示意圖，顯示連接葉肉和保衛(wèi)細(xì)胞并影響氣孔行為的可能機(jī)制

葉肉信號(hào)

有人提出，保衛(wèi)細(xì)胞的反應(yīng)與葉肉光合作用活動(dòng)的產(chǎn)物有關(guān)，通過(guò)一個(gè)可擴(kuò)散的因子，即“葉肉信號(hào)”。這一假設(shè)的推動(dòng)力是葉肉光合能力與gs之間的密切關(guān)系，這是在各種條件下觀察到的。葉肉驅(qū)動(dòng)信號(hào)的想法并不是一個(gè)新想法。1954年Heath& Russell提出，有一種間接的化學(xué)或電信號(hào)從表皮或葉肉細(xì)胞傳遞來(lái)影響氣孔行為。隨后的研究表明，該信號(hào)是光合作用的代謝產(chǎn)物，它平衡了Rubisco和電子傳輸限制之間的光合作用。對(duì)活性葉肉驅(qū)動(dòng)信號(hào)在氣孔反應(yīng)中的作用的支持來(lái)自對(duì)表皮果皮進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。這些研究表明紅光或 CO₂濃度對(duì)氣孔孔徑?jīng)]有影響，或者報(bào)告了通常在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)反應(yīng)較慢和/或減少敏感性與完整葉片中報(bào)告的反應(yīng)相比。然而，應(yīng)該指出的是，雖然一些研究報(bào)告了光和CO₂對(duì)表皮中氣孔反應(yīng)的影響很小，但有許多優(yōu)秀的研究和大量文獻(xiàn)表明表皮和保護(hù)層中的光和CO₂的氣孔反應(yīng)顯著細(xì)胞原生質(zhì)體。迄今為止，Lee&Bowling命名為“stomatin”的信號(hào)仍然難以捉摸（圖1）。

反對(duì)Ci以外的葉肉驅(qū)動(dòng)信號(hào)的論據(jù)

有許多反對(duì)葉肉驅(qū)動(dòng)信號(hào)協(xié)調(diào)葉肉光合作用與氣孔行為的論點(diǎn)。Roelfsema在有和沒(méi)有葉肉照明的情況下照亮單個(gè)保衛(wèi)細(xì)胞，以及蠶豆的白化區(qū)域和 綠藻葉子的雜色區(qū)域，以證明如果底層葉肉也被照亮，保衛(wèi)細(xì)胞只對(duì)紅光作出反應(yīng)。這些研究支持氣孔響應(yīng)中葉肉驅(qū)動(dòng)信號(hào)的想法，然而，作者將響應(yīng)分配給Ci中葉肉驅(qū)動(dòng)的變化。對(duì)Ci介導(dǎo)的氣孔反應(yīng)的進(jìn)一步支持來(lái)自對(duì)高溫1(HT1) 突變體的研究，該突變體在編碼蛋白激酶的基因中攜帶突變。Hashimoto表明ht1突變體的氣孔對(duì)藍(lán)光有反應(yīng)，但缺乏紅光和CO₂反應(yīng)，因此表明紅光和CO₂氣孔反應(yīng)之間存在協(xié)調(diào)，表明Ci驅(qū)動(dòng)的協(xié)調(diào)。

保衛(wèi)細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)和蔗糖作用的證據(jù)

蔗糖被認(rèn)為是參與葉肉光合作用和保衛(wèi)細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)之間協(xié)調(diào)的潛在代謝物。然而，在探索涉及蔗糖信號(hào)的潛在機(jī)制之前，重要的是概述氣孔滲透調(diào)節(jié)以及糖在保衛(wèi)細(xì)胞和氣孔行為中的作用和來(lái)源，因?yàn)檫@些也有可能提供信號(hào)或機(jī)制/途徑。

淀粉降解

淀粉夜間在保衛(wèi)細(xì)胞中積累，并在整個(gè)光照期間緩慢消失。如上所述，這一觀察是淀粉-糖假說(shuō)的基礎(chǔ)，后來(lái)又成為淀粉-蘋果酸假說(shuō)的基礎(chǔ)。有證據(jù)表明，淀粉-糖和淀粉-蘋果酸這兩個(gè)代謝過(guò)程依賴于光質(zhì)量，藍(lán)光會(huì)刺激淀粉分解為Suc而不是產(chǎn)生蘋果酸。通常假設(shè)在保衛(wèi)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的淀粉來(lái)自底層葉肉中光合作用的終產(chǎn)物（例如Suc），葉肉被輸入保衛(wèi)細(xì)胞。這本身提供了葉肉光合作用和保衛(wèi)細(xì)胞功能之間的長(zhǎng)期聯(lián)系，但從一天到下一天在時(shí)間上是分開(kāi)的。Ritte 等通過(guò)鑒定單糖-H+同向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性提供了保衛(wèi)細(xì)胞特異性糖轉(zhuǎn)運(yùn)的證據(jù)。擬南芥中H+-單糖同向轉(zhuǎn)運(yùn)體AtSTP1的表達(dá)在夜間很高，支持夜間吸收 Suc以進(jìn)行淀粉合成。然而，有趣的是注意到在中午左右觀察到的AtSTP1表達(dá)的瞬時(shí)晝夜調(diào)節(jié)增加表明滲透調(diào)節(jié)的作用。不過(guò)，應(yīng)該指出的是，擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞中的淀粉在清晨幾乎不存在，因此不同物種的代謝和氣孔反應(yīng)可能不同。

Suc的保衛(wèi)細(xì)胞光合產(chǎn)物

大多數(shù)保衛(wèi)細(xì)胞含有功能性葉綠體，兜蘭屬物種是這一規(guī)則的例外之一，它沒(méi)有葉綠體但具有功能性氣孔。多年來(lái)，人們還知道在保衛(wèi)細(xì)胞葉綠體中發(fā)生線性電子傳輸，盡管光系統(tǒng)I的高數(shù)量和活性被認(rèn)為表明循環(huán)電子流的高速率并支持了ATP生產(chǎn)可能提供質(zhì)膜所需能量的觀點(diǎn)離子攝取所需的質(zhì)子泵。或者，電子傳遞產(chǎn)生的能量和還原劑（ATP和NADPH）可用于減少淀粉降解產(chǎn)生的草酰乙酸(OAA)和蘋果酸(Outlaw, 2003)，這與氣孔孔徑的增加有關(guān)。最廣泛接受的共識(shí)是，即使通過(guò)卡爾文循環(huán)固定CO₂發(fā)生在保衛(wèi)細(xì)胞中，對(duì)氣孔開(kāi)放的滲透要求的貢獻(xiàn)也很小，而且對(duì)于任何重要功能來(lái)說(shuō)都太低，有報(bào)告表明只有2%對(duì)保衛(wèi)細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)。然而，盡管進(jìn)行了數(shù)十年的研究，保衛(wèi)細(xì)胞葉綠體的作用及其在為氣孔調(diào)整提供能量或Suc或作為使葉肉光合作用和氣孔行為之間協(xié)調(diào)的信號(hào)機(jī)制方面的潛力仍然未知，需要進(jìn)一步研究。

從葉肉中導(dǎo)入的保衛(wèi)細(xì)胞Suc

除了發(fā)揮滲透作用外，糖在保衛(wèi)細(xì)胞中的機(jī)制尚不清楚。如上所述，糖可能為氣孔打開(kāi)提供能量，并補(bǔ)充碳水化合物儲(chǔ)存，如淀粉。然而利用光合作用受損的轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)行的研究質(zhì)疑了光合作用產(chǎn)生的Suc（來(lái)自保衛(wèi)細(xì)胞或葉肉細(xì)胞）在氣孔開(kāi)放中的作用。在這些研究中，如果光合驅(qū)動(dòng)的Suc打開(kāi)氣孔，通過(guò)卡爾文循環(huán)中關(guān)鍵酶活性的降低而降低的光合作用不會(huì)降低氣孔導(dǎo)度。相反，由于sedoheptulose-1,7-雙磷酸酶（SBPase）活性降低而導(dǎo)致光合作用降低的植物（RuBP再生中的一種關(guān)鍵酶，對(duì)光合作用具有高控制系數(shù)，因此對(duì)Suc的產(chǎn)生）表現(xiàn)出更大的氣孔導(dǎo)度趨勢(shì)。

糖感應(yīng)與代謝

Suc是大多數(shù)植物物種中最常運(yùn)輸?shù)墓馔�化物。一旦進(jìn)入細(xì)胞，Suc可能會(huì)被代謝、儲(chǔ)存在液泡中或轉(zhuǎn)化為質(zhì)體中的淀粉。為了在細(xì)胞內(nèi)代謝Suc，需要兩個(gè)預(yù)處理步驟：(1) 通過(guò)Suc裂解酶（也可能釋放 UDP-葡萄糖）將Suc裂解為其衍生物葡萄糖和果糖，以及(2)葡萄糖的磷酸化和果糖通過(guò)糖磷酸化酶、己糖激酶(HXK)和果糖激酶(FRK)。磷酸化的己糖、葡萄糖-P 和果糖-P 然后作為中樞代謝過(guò)程的初始必需底物，例如糖酵解、能量產(chǎn)生和有機(jī)分子的形成。

蘋果酸作為葉肉驅(qū)動(dòng)信號(hào)的重要性

除蔗糖外，蘋果酸還可以作為氣孔打開(kāi)和關(guān)閉的滲透劑，為K+離子提供反離子。保衛(wèi)細(xì)胞中蘋果酸的產(chǎn)生也與這些細(xì)胞中的電子傳遞和淀粉降解有關(guān)。早期研究表明，保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)電子傳遞產(chǎn)生的能量和還原劑可以支持通過(guò)磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC) CO₂固定產(chǎn)生蘋果酸，淀粉一天中的分解提供了所需的碳骨架。據(jù)報(bào)道，隨著輻照度PEPc活性的增加，結(jié)合NADP或NAD 依賴性蘋果酸脫氫酶活性的增加導(dǎo)致蘋果酸在保衛(wèi)細(xì)胞中積累和氣孔開(kāi)放。使用磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC)抑制劑 3,3-二氯-2-二羥基膦酰基甲基-2-丙烯酸 (DCDP) 在蠶豆的表皮條帶中抑制蘋果酸合成可防止由于蘋果酸減少而導(dǎo)致的氣孔打開(kāi)以響應(yīng)光照。在光照下應(yīng)用時(shí)，DCDP減少了氣孔孔徑以及保衛(wèi)細(xì)胞蘋果酸鹽濃度的降低，證實(shí)了甲酸鹽在保衛(wèi)細(xì)胞開(kāi)放中的滲透作用。

水通道蛋白的作用

除了糖/蘋果酸和離子通道在調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動(dòng)中的潛在作用外，水通道蛋白也與氣孔孔徑的控制有關(guān)。水通道蛋白編碼細(xì)胞內(nèi)和質(zhì)膜的水通道，在保水方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在氣孔中，水流是保衛(wèi)細(xì)胞膨脹的一個(gè)重要方面，水含量的變化對(duì)這些細(xì)胞的滲透勢(shì)有更廣泛的影響。此外，一些水通道蛋白還被描述為除了碳水化合物路由外還參與CO₂、H2O₂、硼和硅的運(yùn)輸，因此涉及多種功能，如碳固定、營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)，從而在葉肉和氣孔導(dǎo)度之間的相互作用中發(fā)揮作用。

保衛(wèi)細(xì)胞操作和未來(lái)可能的方向

為了理解葉肉和保衛(wèi)細(xì)胞代謝之間的聯(lián)系，基因工程提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)，不僅可以剖析氣孔生理學(xué)和功能，還可以剖析每種細(xì)胞類型在控制氣孔代謝、氣孔開(kāi)放方面的具體作用和用水效率。Lawson&Blatt回顧了改變氣孔數(shù)量和大小以改善WUE 的復(fù)雜性，并強(qiáng)調(diào)保衛(wèi)細(xì)胞功能可以抵消解剖變化。然而，他們還指出，操縱保衛(wèi)細(xì)胞代謝是在保持光合作用速率的同時(shí)增加 WUE的潛在目標(biāo)。

圖2.己糖激酶的保護(hù)細(xì)胞特異性表達(dá)減少了茄屬植物的整株蒸騰作用并提高了水分利用效率(WUE)

糖在保衛(wèi)細(xì)胞功能中的作用也得到了深入研究。然而關(guān)于保衛(wèi)細(xì)胞中糖的起源，對(duì)比結(jié)果仍然存在爭(zhēng)議。KST1的啟動(dòng)子是一種保衛(wèi)細(xì)胞特異性啟動(dòng)子，已被用于驅(qū)動(dòng)番茄保衛(wèi)細(xì)胞中HXK的表達(dá)。轉(zhuǎn)化的茄屬植物和植物的凈光合作用不受影響生長(zhǎng)，而相對(duì)于野生型對(duì)照植物，蒸騰作用減少（圖2）。這提高了植物的瞬時(shí)用水效率(IWUE)。這些結(jié)果表明，在保衛(wèi)細(xì)胞中獨(dú)家表達(dá)HXK可能是提高植物WUE的有效方法。

在這篇綜述中，我們討論了調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞-葉肉相互作用的一些關(guān)鍵特征。從現(xiàn)有研究中可以清楚地看出，這些關(guān)系是復(fù)雜的，涉及多種機(jī)制和信號(hào)響應(yīng)。因此，綜合方法將使我們能夠解開(kāi)這些途徑中的每一個(gè)的關(guān)鍵組成部分，并確定它們?nèi)绾蜗嗷リP(guān)聯(lián)，為未來(lái)的操縱提供可能的潛在目標(biāo)。