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，植物體內(nèi)會產(chǎn)生一系列復(fù)雜的防御機制［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，提高植物對病菌入侵和環(huán)境脅迫的耐受程度［2-4］。ABA在植物的整個生長發(fā)育過程中是一個“抗逆誘導(dǎo)因子”，對氣孔運動、水分調(diào)節(jié)、光合作用、衰老及對逆境適應(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，但是它對于植物水分利用、物質(zhì)代謝、營養(yǎng)吸收等以及整個生態(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。氣孔運動的方式看似簡單，但蘊涵著十分復(fù)雜的生理過程，涉及保衛(wèi)細(xì)胞對內(nèi)外環(huán)境的感應(yīng)、信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)、離子的跨膜運輸?shù)纫幌盗羞^程?？梢哉f，植物各種重要的生理生化活動都與氣孔運動有著密切的關(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)致氣孔運動的直接原因。如果植物通過氣孔失去的水量大于從根部攝取的水量，那么植物組織就會遭到破壞，導(dǎo)致細(xì)胞死亡［1］。通過對保衛(wèi)細(xì)胞信號轉(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，通過跨膜運輸，經(jīng)下游信號第二信使Ca2+、H2O2、NO等進行傳遞并且放大，控制氣孔運動。

1 與ABA相關(guān)的植物氣孔運動調(diào)節(jié)

植物氣孔運動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)境因素對氣孔運動有重要影響。植物將感知的外界環(huán)境信號轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部信號，從而控制氣孔的張開與關(guān)閉。

1.1 Ca2+對氣孔運動的調(diào)節(jié) 研究證明，Ca2+在保衛(wèi)細(xì)胞信號轉(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+的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程是主要類型。依賴于Ca2+信號途徑是指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，從質(zhì)外體經(jīng)質(zhì)膜或胞內(nèi)“鈣庫”向胞液運輸?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+濃度變化中所蘊含的外部信息表達為生理生化過程，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［22］。隨著膜片鉗技術(shù)的廣泛應(yīng)用與改進，一些學(xué)者已檢測到植物細(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)膜上可能存在一個受細(xì)胞膜超級化和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+之間的信號傳遞。ABI1和ABI2抑制ABA對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對氣孔運動的調(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對氣孔運動的調(diào)節(jié) 信號分子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，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的氣孔運動調(diào)節(jié)機制［39-42］。外源NO和ABA誘導(dǎo)楊樹離體葉片氣孔關(guān)閉時具有劑量效應(yīng)。NO能加強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 對氣孔關(guān)閉的誘導(dǎo)作用［43］。Li等［44］試驗表明，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ABA這個重要的植物激素已有較深入的了解。植物在進化過程中形成了一種比較完善的適應(yīng)不良環(huán)境的機制。外界逆境條件能觸發(fā)不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。植物傳遞ABA各信號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)氣孔運動的研究大多數(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)胞生命活動的重要過程之一是細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，但是對ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的具體作用機制等尚不十分明確。

［1］LIM C W，BAEK W，LIM S，et al.ABA signal transduction from ABA receptors to ion channels［J］.Genes ＆ Genomics，2012，34(4):345-353.

［2］TON J，F(xiàn)LORS V，MAUCH-MANI B.The multifaceted role of ABA in disease resistance［J］.Trends in Plant Science，2009，14(6):310-317.

［3］ ROBERT-SEILANIANTZ A，NAVARRO L，BARI R，et al.Pathological hormone imbalances［J］.Current Opinion in Plant Biology，2007，10(4):372-379.

［4］FINKELSTEIN R R，GAMPALA S S，ROCK C D.Abscisic acid signaling in seeds and seedlings［J］.Plant Cell，2002，14(Sl):15-45.

［5］王福森，李晶，溫寶陽，等.黑龍江省楊樹栽培歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.防護林科技，2003，54(1):54-56.

［6］成雪峰.植物氣孔及其運動機理概述［J］.生物學(xué)教學(xué)，2013，38(12):7-8.

［7］高春娟，夏曉劍，師愷，等.植物氣孔對全球環(huán)境變化的響應(yīng)及其調(diào)控防御機制［J］.植物生理學(xué)報，2012，48(1):19-28.

［8］楊金華，杜克久.植物葉片氣孔運動機制研究進展［J］.河北林果研究，2011，26(1):47-52.

［9］WILKINSON S，DAVIES W J.Drought，ozone，ABA and ethylene:new insights from cell to plant to community［J］.Plant Cell and Environment，2010，33(4):510-525.

［10］ASSMANN S M.Open stomatal opens the door to ABA signaling in Arabidopsis guard cells［J］.Trends in Plant Science，2003，8(4):151-153.

［11］HUBBARD K E，NISHIMURA N，HITOMI K，et al.Earlyabscisic acid signal transduction mechanisms:newly discovered components and newly emerging questions［J］.Genes ＆ Development，2010，24:1695-1708.

［12］POPKO J，HANSCH R，MENDEL R R，et al.The role of abscisic acid and auxin in the response of poplar to abiotic stress［J］.Plant Biology，2010，12(2):242-258.

［13］CUTLER S R，RODRIGUEZ P L，F(xiàn)INKELSTEIN R R，et al.Abscisic acid:emergence of a coresignaling network ［J］.Annual Review of Plant Biological，2010，61:651-679.

［14］WASILEWSKA A，VLAD F，SIRICHANDRA C，et al.An update on abscisic acid signaling in plants and more ［J］.Molecular Plant，2008，1(2):198-217.

［15］WILKINSON S，DAVIES W J.ABA-based chemical signalling:the co-ordination of responses tostress in plants［J］.Plant Cell and Environment，2002，25(2):195-210.

［16］LIANG J S，ZHANG J H，WONG M H.How do roots control xylem sap ABA concentration in response to soil drying?［J］.Plant and Cell Physiology，1997，38(1):10-16.

［17］MCAINSH M R，BROWNLEE C，HETHERINGTON A M.Abscisic acidinduced elevation of guard cell cytosolic Ca2+precedes stomatal closure［J］.Nature，1990，343:186-188.

［18］GILROY S，READ N D，TREWAVAS A J.Elevation of cytoplasmic Ca2+by caged calcium or caged inositol triphosphate initiates stomatal closure［J］.Nature，1990，346:769-771.

［19］PEI Z M，MURATA Y，BENNING G，et al.Calcium channels activated by hydrogen peroxide mediate abscisic acid signaling in guard cells［J］.Nature，2000，406:731-734.

［20］劉子會，張紅梅，郭秀林.ABA誘導(dǎo)的玉米保衛(wèi)細(xì)胞胞質(zhì)鈣離子濃度的變化［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，41(10):3357-3362.

［21］呂東.ATHK1參與ABA誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程［D］.開封:河南大學(xué)，2012:1-8.

［22］SCHROEDER J I，KWAK J M，ALLEN G J.Guard cell abscisic acid signaling and engineering drought hardiness in plants［J］.Nature，2001，410:327-330.

［23］HAMILTON D W A，HILLS A，KOHLER B.Ca2+channels at the plasma membrane of stomatal guard are activated by hyperpolarization and abscisic acid［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2000，97:4967-4972.

［24］MERLOT S，GOSTI F，GUERRIER D，et al.The ABI1 and ABI2 protein phosphatases 2C act in a negative feed-back regulatory loop of the abscisic acid signaling pathway［J］.Plant Cell，2001，25:295-303.

［25］LECKIA C P，MCAINSH M R，ALLEN G J，et al.Abscisic acid-induced stomatal closure mediated by cyclic ADP-ribose［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，1998，95:15837-15842.

［26］ZHANG X，MIAO Y C，AN G Y，et al.K+channels inhibited by hydrogen peroxide mediate abscisic acid signaling in guard cells［J］.Cell Research，2001，11(3):195-202.

［27］BLATT M R.Reassessing roles for Ca2+in guard cell singalling［J］.Journal of Experimental Botany，1999，50:989-999.

［28］熊俊蘭，譚瑞，孔海燕，等.植物ABA-H2O2介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉［J］.植物生理學(xué)報，2012，48(8):739-746.

［29］PITZSCHKE A，HIRT H.Mitogen-activated protein kinases and reactive oxygen species signaling in plants［J］.Plant Physiological，2006，141(2):351-356.

［30］MURATA Y，PEI Z M，MORI I C，et al.Abscisic acid activation of plasma membrane Ca2+channels in guard cells requires cytosolic NAD(P)H and is differentially disrupted upstream and downstream of reactive oxygen species production in abi1-1 and abi2-1 protein phosphatase 2C Mutants［J］.Plant Cell，2001，13(11):2513-2523.

［31］MIAO Y C，SONG C P，DONG F C，et al.ABA-induced hydrogen peroxide generation in guard cells ofVicia faba［J］.Acta Phytophysiologica Sinica，2000，26(1):53-58.

［32］MUSTILLI A C，MERLOT S，VAVASSEUR A，et al.ArabidopsisOST1 protein kinase mediates the regulation of stomatal aperture by abscisic acid and acts up stream of reactive oxygen species production ［J］.Plant Cell，2002，14(12):3089-3099.

［33］BRIGHT J，DESIKAN R，HANCOCK J T，et al.ABA-induced NO generation and stomatal closure inArabidopsisare dependent on H2O2synthesis［J］.The Plant Journal，2006，45(1):113-122.

［34］韓燕，佘小平.NO，H2O2介導(dǎo)根系滲透脅迫和脫落酸誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉［J］.陜西師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，35(4):83-87.

［35］安國勇，宋純鵬，張驍，等.過氧化氫對蠶豆氣孔運動和質(zhì)膜K+通道的影響［J］.植物生理學(xué)報，2000，26(5):458-463.

［36］LAMATTINA L，GARCIA-MATTA C，GRAZIANO M，et al.Nitric oxide:the versatility of an extensive signal molecule［J］.Annual Review of Plant Biological，2003，54:109-136.

［37］錢寶云，李霞.植物氣孔運動調(diào)節(jié)的新進展［J］.植物研究，2013，33(1):120-128.

［38］呂東，張驍，江靜.NO可能作為H2O2的下游信號介導(dǎo)ABA誘導(dǎo)的蠶豆氣孔關(guān)閉［J］.植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報，2005，31(1):62-70.

［39］NEILL S J，DESIKAN R，CLARKE A.Nitric oxide is a novel component of abscisic acid signaling in stomatal guard cells［J］.Plant Physiology，2002，128:13-16.

［40］NEILL S J，DESIKAN R，CLARKE A，et al.Hydrogen peroxide and nitric oxide as signalling molecules in plants［J］.Journal of Experimental Botany，2002，53(327):1237-1247.

［41］GARCIA-MATA C，GAY R，SOKOLVSKI S，et al.Nitric oxide regulate K+and Cl-channels in guard cells through a subset of abscisic scid-evoked signaling pathways［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences，2003，100:1116-1121.

［42］DESIKAN R，CHEUNG M K，BRIGHT J，et al.ABA，hydrogen peroxide and nitric oxide signalling in stomatal guard cells［J］.Journal of Experimental Botany，2004，55(395):205-212.

［43］王淼，李秋榮，付士磊，等.一氧化氮是脫落酸誘導(dǎo)楊樹葉片氣孔關(guān)閉的信號分子［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2004，15(10):1776-1780.

［44］LI Y，YIN H，WANG Q，et al.Oligochitosan inducedBrassica napusL.production of NO and H2O2and their physiological function ［J］.Carbohydrate Polymers，2009，75(4):612-617.

［45］郝格格，孫忠富，張錄強，等.脫落酸在植物逆境脅迫研究中的進展［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2009，25(18):212-215.