植物氣孔發(fā)育分子機(jī)制研究進(jìn)展

劉 俊，郭志富

(1．丹東農(nóng)業(yè)科學(xué)院，遼寧鳳城 118109；2．沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，農(nóng)業(yè)部東北水稻生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng)110866)

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植物氣孔發(fā)育分子機(jī)制研究進(jìn)展

劉 俊1，郭志富2*

(1．丹東農(nóng)業(yè)科學(xué)院，遼寧鳳城 118109；2．沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，農(nóng)業(yè)部東北水稻生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng)110866)

氣孔作為植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的重要因素，是植物與外界環(huán)境進(jìn)行氣體和水分交換的通道，在調(diào)節(jié)植物光合作用、蒸騰作用以及水分利用中具有非常重要的作用。氣孔的形成與發(fā)育受到轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，包括bHLH類轉(zhuǎn)錄因子、MYB類轉(zhuǎn)錄因子和Dof轉(zhuǎn)錄因子，同時(shí)受到一系列負(fù)調(diào)控因子、蛋白激酶及受體蛋白的影響。另外，氣孔的發(fā)育還受CO2濃度、光照及激素等環(huán)境因子的影響。這些因素在某種程度上相互作用，共同決定植物氣孔的形成、分布、生長(zhǎng)及發(fā)育過(guò)程。該研究綜述了近年來(lái)氣孔發(fā)育相關(guān)的研究進(jìn)展，總結(jié)了參與氣孔發(fā)育的相關(guān)因子，并且對(duì)未來(lái)研究需要解決的問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要的討論。

植物；氣孔；轉(zhuǎn)錄因子；調(diào)控；環(huán)境因素

氣孔是植物體內(nèi)水分和CO2與外界環(huán)境進(jìn)行交換的通道，控制著植物光合作用中CO2分子的平衡以及蒸騰作用中水分的交換，是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中物質(zhì)生產(chǎn)、抵御水分脅迫和溫度脅迫的重要因素[1-2]。氣孔位于植物莖葉等器官的表皮，由一對(duì)保衛(wèi)細(xì)胞圍繞形成。保衛(wèi)細(xì)胞通過(guò)離子驅(qū)動(dòng)膨脹來(lái)調(diào)控氣孔的開(kāi)閉，獲得更高的光合效率，同時(shí)控制水分的蒸騰。植物在生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)氣孔攝入CO2為光合作用提供底物，為植物提供能量。同時(shí)，植物根據(jù)環(huán)境的變化通過(guò)蒸騰作用調(diào)節(jié)體內(nèi)水分的流失速率[3-5]。

植物氣孔發(fā)育的過(guò)程較復(fù)雜，受到轉(zhuǎn)錄因子、蛋白激酶及各種功能基因編碼的蛋白等因素的協(xié)同控制，同時(shí)受環(huán)境因素的影響。筆者綜合近年來(lái)氣孔發(fā)育相關(guān)的研究工作，對(duì)氣孔的形成、氣孔發(fā)育的信號(hào)傳導(dǎo)途徑、相關(guān)基因的功能及其轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的作用等研究概況進(jìn)行總結(jié)，并且對(duì)該領(lǐng)域存在的問(wèn)題提出相應(yīng)的見(jiàn)解。

1 氣孔的形成

氣孔的發(fā)育一般要經(jīng)過(guò)3次連續(xù)的前體物質(zhì)變化，即擬分生組織母細(xì)胞(Peristemoid mother cells，MMCs)、擬分生細(xì)胞(Meristemoid，M)和保衛(wèi)母細(xì)胞(Guard mother cells，GMCs)[6]。首先，表皮細(xì)胞分化形成MMCs；隨后，MMCs通過(guò)不對(duì)稱分裂的方式，分化形成一個(gè)小的三角形M和一個(gè)大的姊妹細(xì)胞；最后，M進(jìn)一步分化成為GMCs，GMCs以對(duì)稱分裂的方式形成兩個(gè)腎形保衛(wèi)細(xì)胞(Guard cells，GCs)，從而形成氣孔[7-9]。氣孔的分布方式在單子葉植物和雙子葉植物中存在明顯的不同。在雙子葉植物中，氣孔一般隨機(jī)分布在葉片或莖部等器官，規(guī)律性不強(qiáng)，而在單子葉植物中，氣孔一般整齊地排列在葉脈兩側(cè)。雖然植物氣孔在雙子葉和單子葉植物中存在較大差異，但其分布都遵循“單細(xì)胞間隔法則”，也就是任何兩個(gè)氣孔之間至少間隔一個(gè)非氣孔表皮細(xì)胞。這使得氣孔與鄰近細(xì)胞的離子交換順利進(jìn)行，從而提高每個(gè)氣孔的效率，進(jìn)而確立CO2吸收與光合作用之間的最佳比例[10]。

2 轉(zhuǎn)錄因子對(duì)氣孔發(fā)育的調(diào)控

2.1 bHLH轉(zhuǎn)錄因子

bHLH(Basic-helix-loop-helix)轉(zhuǎn)錄因子在植物中廣泛存在。它利用動(dòng)態(tài)的螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)與靶基因啟動(dòng)子相結(jié)合，激活很多功能基因的表達(dá)。研究表明，植物中參與氣孔發(fā)育的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子主要為bHLH型蛋白，其中包括3個(gè)高度相關(guān)的成員(SPCH、MUTE和FAMA)，在氣孔發(fā)育過(guò)程中承擔(dān)著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用[11]。在整個(gè)調(diào)控過(guò)程中，SPCH控制植物氣孔發(fā)育的第一步，使得表皮細(xì)胞分化，是不對(duì)稱分裂所必需的，但在GMCs的分裂中不發(fā)揮作用。相關(guān)研究表明，spch突變體植株不能形成M、GMCs和氣孔，且生長(zhǎng)緩慢，而當(dāng)過(guò)表達(dá)SPCH基因時(shí)，轉(zhuǎn)基因植株的氣孔表現(xiàn)出過(guò)多的不對(duì)稱分裂，并且形成過(guò)量的氣孔[12]。MUTE控制著細(xì)胞的擴(kuò)增分裂，使得所有表皮原細(xì)胞轉(zhuǎn)換為GCs在M中高量表達(dá)。Mute突變體植株在幾次不對(duì)稱分裂后失去分化為GMCs的能力，而過(guò)表達(dá)MUTE植株使得所有葉表皮細(xì)胞全部轉(zhuǎn)換成氣孔[13]。FAMA在氣孔發(fā)育的晚期階段發(fā)揮作用，在GMCs和未成熟的GCs中特異存在。fama的突變體植株不能形成正常的氣孔，過(guò)表達(dá)FAMA基因后轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出抑制細(xì)胞分裂、迫使GMCs直接分化為GCs的現(xiàn)象[14-15]。最近，Matos 等[16]研究發(fā)現(xiàn)在GMCs分化為GCs的過(guò)程中，F(xiàn)AMA必須結(jié)合另一種叫作RBR的蛋白才能行使功能，當(dāng)FAMA和RBR間相互作用被打破時(shí)GCs有變?yōu)樵紶顟B(tài)的趨勢(shì)。

另外，2個(gè)bHLH型轉(zhuǎn)錄因子包括ICE1/SCRM和SCRM2，其突變體scrm-D使得所有表皮細(xì)胞產(chǎn)生分裂，執(zhí)行氣孔發(fā)育途徑中的調(diào)控功能。依次敲除ICE1/SCRM和SCRM2后，植株表現(xiàn)出與spch、mute和fama突變體相類似的表型。蛋白互作試驗(yàn)表明，它分別與SPCH、MUTE和FAMA存在相互作用[17-18]。另外，ICE1/SCRM被證明可以啟動(dòng)冷相關(guān)表達(dá)基因，適當(dāng)提高植物的耐冷性。這說(shuō)明氣孔性狀與溫度等環(huán)境因子可能存在更密切的關(guān)聯(lián)[19]，但具體的調(diào)控途徑、作用機(jī)制仍不清楚，需研究人員進(jìn)一步研究。

2.2 MYB轉(zhuǎn)錄因子

MYB蛋白是指含有一段51～52個(gè)氨基酸肽段結(jié)構(gòu)域的一類轉(zhuǎn)錄因子，包含一系列高度保守的氨基酸殘基和間隔序列，在植物功能基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)中起重要的調(diào)節(jié)作用。MYB轉(zhuǎn)錄因子在氣孔發(fā)育晚期具有重要的調(diào)控作用。這類因子主要包括FLP(FOURLIPS)和MYB88編碼的兩種R2R3類MYB蛋白，兩者具有相似的序列結(jié)構(gòu)[20]。在調(diào)控功能上，這類轉(zhuǎn)錄因子在GMCs分裂形成GCs的過(guò)程中得以表達(dá)，其作用與FAMA類似，具有防止GMCs過(guò)度分裂，使其形成保衛(wèi)細(xì)胞，從而促進(jìn)保衛(wèi)細(xì)胞分化的作用。flp突變體表現(xiàn)出氣孔成簇的表型，雖然MYB88缺失后沒(méi)有明顯的表型，但二者的純合雙突變體能使得flp單突變體的表型更加明顯。這說(shuō)明MYB88可能與FLP共同作用于GMCs分裂形成GCs的過(guò)程[20-22]。

2.3 Dof轉(zhuǎn)錄因子

Dof(DNA binding with one finger)蛋白是植物所特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，含有一個(gè)獨(dú)特的富含Cys殘基的單鋅指保守結(jié)構(gòu)域，被命名為Dof結(jié)構(gòu)域。目前，人們已在多種單子葉植物和雙子葉植物中發(fā)現(xiàn)Dof蛋白。它們?cè)诟叩戎参锘虮磉_(dá)調(diào)控中起作用。Negi等[23]克隆了在成熟GCs中表達(dá)的Dof型轉(zhuǎn)錄因子基因SCAP1，鑒定了擬南芥突變體scap1。當(dāng)SCAP1基因缺失時(shí)，擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞出現(xiàn)不規(guī)則分布，喪失CO2介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉及光誘導(dǎo)的氣孔張開(kāi)的功能，導(dǎo)致氣孔開(kāi)閉受到抑制。另外，SCAP1通過(guò)與鉀離子通道蛋白、MYB60轉(zhuǎn)錄因子和果膠甲酯酶作用影響氣孔發(fā)育，突變體scap1中相關(guān)離子平衡被打破，細(xì)胞外果膠酯化作用受損，導(dǎo)致氣孔不能正常形成。相對(duì)bHLH轉(zhuǎn)錄因子，對(duì)MYB轉(zhuǎn)錄因子和DOF轉(zhuǎn)錄因子的研究較少，對(duì)其調(diào)控氣孔發(fā)育的具體機(jī)理、與其他功能蛋白的相互作用及與外界環(huán)境的關(guān)系仍不十分清楚。

進(jìn)一步激勵(lì)和支持企業(yè)加大研發(fā)投入，以前沿引領(lǐng)技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)、顛覆性技術(shù)創(chuàng)新作為突破口，提高知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新能力，把創(chuàng)新型企業(yè)當(dāng)作發(fā)展目標(biāo)，發(fā)展自主核心技術(shù)。同時(shí)，鼓勵(lì)企業(yè)積極在全球產(chǎn)業(yè)鏈中進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局，可以通過(guò)建立海外代工廠消減加征關(guān)稅影響，或者利用提高技術(shù)許可費(fèi)從而提高海外同類產(chǎn)品價(jià)格的方式有效反擊“301調(diào)查”。

3 氣孔發(fā)育的負(fù)調(diào)控因子及受體

在氣孔發(fā)育過(guò)程中存在一系列的負(fù)調(diào)控因子。它們影響著氣孔各個(gè)發(fā)育階段，其中主要包括表皮模式因子EPF(Epidermal patterning factors)、富含亮氨酸的類受體蛋白TMM(Too many mouth)、類枯草桿菌蛋白酶SDD1(Stomatal density and distribution 1)和富含亮氨酸的受體激酶ERECTA家族等。EPF家族包含11個(gè)成員，其中對(duì)EPF1、EPF2、STOMAGEN和CHAL四個(gè)成員的研究最深入，而對(duì)其他成員的具體功能、調(diào)控機(jī)制仍需進(jìn)一步研究[24-25]。

在所有EPF家族成員中，EPF1最早被發(fā)現(xiàn)。它在晚期的擬分生細(xì)胞、GMCs和早期的GCs中均有表達(dá)。過(guò)表達(dá)EPF1基因后可抑制植株表皮產(chǎn)生氣孔，雖然仍存在一些擬分生細(xì)胞，但擬分生細(xì)胞不再繼續(xù)分化。epf1突變體植株氣孔彼此聚集成簇狀，違背單細(xì)胞間隔法則。EPF2與EPF1的氨基酸序列高度相似，對(duì)氣孔密度同樣發(fā)揮負(fù)調(diào)控的作用，可抑制擬分生組織細(xì)胞的形成。過(guò)表達(dá)EPF2使得植株表皮不產(chǎn)生氣孔。epf2突變體植株的氣孔密度和非氣孔表皮細(xì)胞密度均有所增加。據(jù)此推測(cè)，EPF2可能具有限制起始?xì)饪准?xì)胞系發(fā)育的功能。EPF2在一定程度上可以替代EPF1的功能，但是EPF1不能代替EPF2的功能。另外，EPF2的表達(dá)需要bHLH轉(zhuǎn)錄因子SPCH和促分裂原蛋白活化激酶YODA(YDA)的參與[26-27]。Sugano等[28]鑒定了擬南芥中一種特殊的具有正調(diào)控作用的EPF因子，即STOMAGEN。它與EPF1和EPF2競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合TMM受體蛋白調(diào)控氣孔發(fā)育。過(guò)表達(dá)STOMAGEN后，植株產(chǎn)生簇狀氣孔群，而STOMAGEN基因缺失后的突變體植株幾乎不能形成氣孔。STOMAGEN是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一個(gè)屬于EPF負(fù)調(diào)控家族的正調(diào)控因子。它與負(fù)調(diào)控因子競(jìng)爭(zhēng)同一種受體以調(diào)控細(xì)胞分化，在植物中尚屬于首次發(fā)現(xiàn)。CHAL作為EPF家族的一個(gè)重要成員，與EPF1和EPF2類似，可以抑制氣孔的發(fā)育。CHAL是tmm突變體中的莖部特異性阻遏因子，其功能的發(fā)揮需要在沒(méi)有TMM的條件下以器官特異的方式進(jìn)行。TMM功能缺失后，葉片表面氣孔數(shù)量增加，而在莖部則不產(chǎn)生氣孔。當(dāng)tmm突變體中缺失CHAL后，莖部氣孔得以恢復(fù)[29-30]。

TMM基因編碼富亮氨酸重復(fù)區(qū)受體蛋白，是氣孔信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中的重要調(diào)節(jié)因子，主要是通過(guò)抑制響應(yīng)定位信號(hào)的細(xì)胞進(jìn)行不對(duì)稱分裂來(lái)調(diào)控分裂方向。TMM基因功能缺失后，植株葉表皮氣孔密度會(huì)大幅增加[31-32]。SDD1是一種類枯草桿菌蛋白酶，作為信號(hào)分子被細(xì)胞膜上的TMM受體識(shí)別且結(jié)合，從而把胞外信號(hào)轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)信號(hào)，再通過(guò)一系列的激酶反應(yīng)調(diào)控氣孔發(fā)育。sdd1突變體植株表現(xiàn)出氣孔密度增加、氣孔聚集成簇的表型[33]。雖然突變體tmm和sdd1的氣孔密度均有所增加，但sdd1比tmm具有更多正確分布的氣孔、更少的氣孔群，推測(cè)在單細(xì)胞空間模式中SDD1功能不如TMM重要，但就氣孔密度性狀而言SDD1更重要[34]。

MAPK是植物促分裂原蛋白活化激酶級(jí)聯(lián)信號(hào)，可以傳遞自身發(fā)育信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)氣孔發(fā)育，也可以轉(zhuǎn)導(dǎo)外部環(huán)境信號(hào)來(lái)影響氣孔生理狀態(tài)和發(fā)育狀態(tài)，是氣孔發(fā)育的負(fù)調(diào)控因素。YDA是一種MAPKKK。YDA基因功能喪失后，突變體植株表皮會(huì)出現(xiàn)更多的氣孔。YDA-MKK4/5-MPK3/6信號(hào)模塊負(fù)調(diào)控MMCs向M的轉(zhuǎn)變和M向GMCs的轉(zhuǎn)變[35-38]。

4 環(huán)境對(duì)氣孔發(fā)育的影響及其調(diào)控機(jī)制

植物氣孔的發(fā)育受CO2、光、激素等環(huán)境因素的影響。CO2濃度升高，導(dǎo)致植物葉片的氣孔密度減少，而CO2濃度降低，則使氣孔密度增多。這一短暫的響應(yīng)是調(diào)節(jié)葉片氣體交換的反饋機(jī)制。

4.1 植物氣孔響應(yīng)CO2濃度變化的分子機(jī)制

受全球氣候變暖的影響，大氣中CO2濃度持續(xù)升高對(duì)氣孔發(fā)育有著顯著的影響。CO2濃度升高會(huì)導(dǎo)致氣孔密度降低。在這一響應(yīng)途徑中，3-酮?；o酶A合成酶(High carbon dioxide，HIC)和碳酸酐酶(Carbonic anhydrases，CA)起著至關(guān)重要的作用[39]。Gray等[40]發(fā)現(xiàn)，HIC基因是植物感受CO2濃度變化而影響氣孔發(fā)育的負(fù)調(diào)控因子，當(dāng)CO2濃度升高時(shí)hic突變體植株氣孔指數(shù)比野生型提高42%。Hu等[41]對(duì)擬南芥雙突變體(ca1，ca4)的研究表明，缺失碳酸酐酶基因CA1和CA4后突變體植株CO2響應(yīng)作用消失，氣孔密度提高，但ABA和藍(lán)光響應(yīng)機(jī)制仍正常。Engineer等[42]在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步明確碳酸酐酶參與CO2濃度變化影響氣孔發(fā)育的胞外信號(hào)途徑。在CO2濃度升高的背景下，EPF2在野生型植株中檢測(cè)到EPF2，在ca1、ca4雙突變體中并未檢測(cè)到EPF2的表達(dá)，而EPF2是CO2影響氣孔發(fā)育所必須的因素，說(shuō)明EPF2的表達(dá)受到碳酸酐酶的調(diào)控。EPF2的激活需要一個(gè)裂解過(guò)程，但這個(gè)裂解過(guò)程一直不明確。Engineer等發(fā)現(xiàn)了一種新的胞外蛋白激酶CRSP(CO2響應(yīng)分泌蛋白酶)。它可以裂解EPF2，進(jìn)而激活其表達(dá)，從而抑制起始?xì)饪准?xì)胞系的發(fā)育。

4.2 響應(yīng)光信號(hào)的氣孔發(fā)育因子

植物氣孔運(yùn)動(dòng)受到藍(lán)光和紅光的調(diào)節(jié)，其中受光敏色素B(Phytochrome B，phyB)介導(dǎo)的紅光信號(hào)調(diào)控調(diào)控途徑最為重要。在此途徑中，PIF類轉(zhuǎn)錄因子(Phytochrome-interacting factors，PIFs)與光敏色素相互作用，共同控制氣孔變化[43]。Casson等[44]發(fā)現(xiàn)，phyB、PIF4突變體 及PIF4phyB雙突變體植株葉片氣孔指數(shù)都比野生型小。phyB突變體和PIF4phyB雙突變體的氣孔指數(shù)基本相同，但均低于PIF4 突變體，表明phyB可能通過(guò)PIF4依賴和PIF4非依賴途徑調(diào)控氣孔發(fā)育。此外，phyB能夠促進(jìn)幼嫩葉片上氣孔發(fā)育基因FAMA和TMM的表達(dá)[45]。組成型光形態(tài)建成因子(Constitutively photomorphogenic，COP)是擬南芥光形態(tài)建成的阻遏子。COP1參與調(diào)控氣孔發(fā)育過(guò)程。COP1突變體表現(xiàn)出氣孔堆積成簇的現(xiàn)象。研究人員推測(cè)COP1基因位于氣孔發(fā)育調(diào)控途徑中phyA和phyB的下游，與TMM基因共同調(diào)控YODA基因及其下游的bHLH家族基因。據(jù)此推測(cè)，隱花色素一光敏色素COP1信號(hào)系統(tǒng)和MAPK信號(hào)途徑相互作用調(diào)控氣孔發(fā)育過(guò)程[46]。Delgado等[47]發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)組成型光形態(tài)建成因子COP10，其突變體同樣表現(xiàn)為氣孔成簇現(xiàn)象，與COP1功能相似。

4.3 激素對(duì)氣孔發(fā)育的影響

油菜素內(nèi)酯(Brassinosteroids，BR)是植物中的一種留醇類激素，在植物種子休眠、器官分化、維管組織發(fā)育、開(kāi)花和衰老及光形態(tài)建成等生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中均發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[48-49]。BR在短時(shí)間內(nèi)能誘導(dǎo)光合作用CO2同化速率的提高，從而進(jìn)一步影響植物氣孔的變化。BR對(duì)氣孔的影響取決于BR濃度。低濃度BR可以促進(jìn)氣孔張開(kāi)，并且抑制氣孔關(guān)閉，而高濃度BR可以促進(jìn)氣孔關(guān)閉，并且抑制氣孔開(kāi)放[50]。

ABA能夠引發(fā)氣孔關(guān)閉，并且同時(shí)阻止氣孔打開(kāi)，通過(guò)這種調(diào)控方式來(lái)減少由蒸騰作用導(dǎo)致的水分散失。這種氣孔運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)作用是與多種細(xì)胞事件級(jí)聯(lián)反應(yīng)關(guān)聯(lián)的[51]。擬南芥aba2突變體均因ABA合成缺陷而導(dǎo)致ABA含量較低。這些突變體的氣孔密度均高于野生型植株，表明ABA水平與氣孔指數(shù)呈負(fù)相關(guān)[52]。

另外，赤霉素可通過(guò)TMM促進(jìn)擬分生細(xì)胞分裂影響下胚軸的氣孔產(chǎn)生。單獨(dú)用赤霉素處理的擬南芥幼苗的下胚軸會(huì)產(chǎn)生大量氣孔，若與生長(zhǎng)素或乙烯同時(shí)處理，則效果更明顯。因此，乙烯和生長(zhǎng)素可以輔助赤霉素調(diào)控氣孔發(fā)育，但是植物激素影響氣孔發(fā)育的分子機(jī)理尚不明確[53-54]。

5 結(jié)語(yǔ)

植物自身的氣孔可以調(diào)控蒸騰作用和光合作用，直接控制植物體內(nèi)水分和氣體與外界環(huán)境的交換，在維持植物生長(zhǎng)和發(fā)育方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前，研究人員已鑒定了與氣孔發(fā)育相關(guān)的各種影響因子。轉(zhuǎn)錄因子類因素包括bHLH轉(zhuǎn)錄因子、MYB轉(zhuǎn)錄因子、Dof轉(zhuǎn)錄因子，其中對(duì)bHLH類轉(zhuǎn)錄因子的研究最深入。SPCH、MUTE和FAMA3種基因?qū)饪椎男纬膳c發(fā)育均有著決定性作用。同時(shí)，這3種轉(zhuǎn)錄因子還與其他類型的轉(zhuǎn)錄因子、受體、激酶等存在相互作用，共同控制著植物氣孔的發(fā)育。氣孔負(fù)調(diào)控因子及一些受體同樣是氣孔發(fā)育的重要因素，其中以EPF家族成員、TMM受體蛋白的功能研究最為詳盡，EPF1、EPF2、STOMAGEN和CHAL四種調(diào)控因子可能均須與SPCH或TMM相互作用才能執(zhí)行調(diào)控功能。氣孔形成、生長(zhǎng)及發(fā)育過(guò)程與環(huán)境因子有著密不可分的關(guān)系，如CO2、光和激素等因素均可影響植物氣孔性狀的變化。在這些過(guò)程中，研究人員鑒定了與CO2濃度相關(guān)的HIC、CA1、CA4、CRSP等基因的功能及相互影響，與光信號(hào)相關(guān)的phB、FIP、COP1、COP10等基因及互作關(guān)系，體現(xiàn)了氣孔發(fā)育的過(guò)程的高度復(fù)雜性。相對(duì)而言，激素影響氣孔性狀的分子機(jī)制研究并不十分深入，仍需研究人員努力發(fā)掘與激素相關(guān)的各類功能基因及其相互作用。人們對(duì)氣孔發(fā)育與環(huán)境因子相互作用的分子機(jī)制進(jìn)行了較深入的研究，發(fā)現(xiàn)了一系列影響因子，并且在一定程度上鑒定其分子調(diào)控機(jī)制，但氣孔形成與發(fā)育屬于復(fù)雜的數(shù)量性狀，與諸多環(huán)境因素的關(guān)聯(lián)可能更為復(fù)雜，氣孔變化受溫度、干旱等非生物脅迫因素影響的具體調(diào)控機(jī)制仍不明確。這方面的研究在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間仍將是植物學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

[1] CASSON S A，HETHERINGTON A M.Environmental regulation of stomatal development[J].Curr Opin Plant Biol，2010，13(1)：90-95．

[2] 崔國(guó)新，韓寶達(dá)，趙瀟男，等.氣孔發(fā)育及其調(diào)控[J].植物生理學(xué)報(bào)，2012，48(9)：829-836.

[3] NI D A.Role of vacuolar invertase in regulatingArabidopsisstomatal opening[J].Acta physiologiae plantarum，2012，34(6)：2449-2452.

[4] 趙益超，公華林，宋開(kāi)俠.氣孔發(fā)育的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進(jìn)展，2008，11：361-366.

[5] 錢寶云，李霞.植物氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)的新進(jìn)展[J].植物研究，2013，33(1)：120-128.

[6] 賈瑞玲，秦倩倩，張彥萍，等.擬南芥氣孔發(fā)育的分子遺傳機(jī)制[J].細(xì)胞生物學(xué)雜志，2009，31(6)：817-822.

[7] VON G U，BERGER D，ALTMANN T.The subtilisin-like serine protease SDD1 mediates cell-to-cell signaling duringArabidopsisstomatal development[J].Plant cell，2002，14(71)： 1527-1539.

[8] BERGMANN D C，LUKOWITZ W，SOMERVILLE C R.Stomatal development and pattern controlled by a MAPKK Kinase[J].Science，2004，304(5676)：1494-1497.

[9] SHIMADA T，SUGANO S S，HARA-NISHIMURA I.Positive and negative peptide signals control stomatal density[J].Cell Mol Life Sci，2011，68(12)：2081-2088.

[10] DONG J，MACALLISTER C A，BERGMANN D C.BASL controls asymmetric cell division inArabidopsis[J].Cell，2009，137(7)：1320-1330.

[11] LIU T，OHASHI-ITO K，BERGMANN D C.Orthologs ofArabidopsisthalianastomatal bHLH genes and regulation of stomatal development in grasses[J].Development，2009，136：2265-2276.

[12] MACALISTER C A，OHASHI-ITO K，BERGMANN D C.Transcription factor control of asymmetric cell divisions that establish the stomatal lineage[J].Nature，2007，445：537-540.

[13] PILLITTERI L J，SLOAN D B，BOGENSCHUTZ N L，et al.Termination of asymmetric cell division and differentiation of stomata[J].Nature，2007，445：501-505.

[14] OHASHI-ITO K，BERGMANN D C.ArabidopsisFAMA controls the final proliferation/differentiation switch during stomatal development[J].Plant cell，2006，18：2493-2505.

[15] DAVIES K A，BERGMANN D C.Functional specialization of stomatal bHLHs through modification of DNA-binding and phosphoregulation potential[J].Proc Natl Acad Sci USA，2014，111(43)：15585-15590.

[16] MATOS J L，LAU O S，HACHEZ C，et al.Irreversible fate commitment intheArabidopsisstomatal lineage requires a FAMA and RETINOBLASTOMA-RELATED module[J].Elife，2014，3：1-15.

[17] CHINNUSAMY V，OHTA M，KANRAR S，et al.ICE1：A regulator of cold-induced transcriptome and freezing tolerance inArabidopsis[J].Genes Dev，2003，17：1043-1054.

[18] KANAOKA M M，PILLITTERI L J，F(xiàn)UJII H，et al.SCREAM/ICE1 and SCREAM2 specify three cell-state transitional steps leading toArabidopsisstomatal differentiation[J].Plant cell，2008，20：1775-1785.

[19] SERNA L，F(xiàn)ENOLL C.Stomatal development inArabidopsis：How to make a functional pattern[J].Trends in plant science，2000，5：458-460.

[20] LAI L B，NADEAU J A，LUCAS J，et al.The Arabidopsis R2R3 MYB proteins FOUR LIPS and MYB88 restrict divisions late in the stomatal cell lineage[J].Plant cell，2005，17：2754-2767.

[21] LEE E，LUCAS J R，GOODRICH J，et al.Arabidopsisguard cell integrity involves the epigenetic stabilization of the FLP and fama transcription factor genes[J].The plant journal， 2014，78：566-577.

[22] YANG M，SACK F D.The too many mouths and four lips mutations affect stomatal production inArabidopsis[J].The plant cell，1995，7：2227-2239.

[23] NEGI J，MORIWAKI K，KONISHI，M.A Dof transcription factor，SCAP1，is essential for the development of functional stomata inArabidopsis[J].Current Biology，2013，23：479-484.

[24] HARA K，KAJITA R，TORII K U，et al.The secretory peptide gene EPF1 enforces the stomatal one-cell-spacing rule[J].Genes Dev，2007，21：1720-1725.

[25] HARA K，YOKOO T，KAJITA R，et al.Epidermal cell density is auto-regulated via a secretory peptide，EPIDERMAL PATTERNING FACTOR 2 inArabidopsisleaves[J].Plant cell physiol，2009，50：1019-1031.

[26] HUNT L，BAILEY K J，GRAY J E.The signaling peptide EPFL9 is a positive regulator of stomatal development[J].New Phytol，2010，186：609-614.

[27] HUNT L，GRAY J E.The signaling peptide EPF2 controls asymmetric cell divisions during stomatal development[J].Curr Biol，2009，19：864-869.

[28] SUGANO S S，SHIMADA T，IMAI Y，et al.Stomagen positively regulates stomatal density inArabidopsis[J].Nature，2010，463：241-244.

[29] KATSIR L，DAVIES K A，BERGMANN D C，et al.Peptide signaling in plant development[J].Curr Biol，2011，21：356-364.

[30] ABRASH E B，BERGMANN D C.Regional specification of stomatal production by the putative ligand CHALLAH[J].Development，2010，13：447-455.

[31] NADEAU J A，SACK F D.Control of stomatal distribution on theArabidopsisleaf surface[J].Science，2002，296(5573)：1697-1700.

[32] GEISLER M，NADEAU J，SACK F D.Oriented asymmetric divisions that generate the stomatal spacing pattern inArabidopsisare disrupted by the too many mouths mutation[J].The plant cell，2000，12：2075-2086.

[33] BERGMANN D C，SACK F D.Stomatal development[J].Annu Rev Plant Biol，2007，58：163-181.

[34] DIETER B，THOMAS A.A subtilisin-like serine protease involved in the regulation of stomatal densityand distribution inArabidopsisthaliana[J].Genes & Development，2000，14：1119-1131.

[35] BERGMANN D C，LUKOWITZ W，SOMERVILLE C R.Stomatal development and pattern controlled by a MAPKK Kinase[J].Science，2004，304：1494-1497.

[36] WANG H C，NGWENYAMA N，LIU Y D，et al.Stomatal development and patterning are regulated by environmentally responsive mitogen·activated protein kinases inArabidopsis[J].The plant cell，2007，19：63-73.

[37] LAMPARD G R，LUKOWITZ W，ELLIS B E，et al.Novel and expanded roles for MAPK signaling inArabidopsisstomatal cell fate revealed by cell type-specific manipulations[J].The plant cell，2009，21：3506-3517.

[38] LAKE J A，QUICK W P，BEERLING D J，et al.Plant development：Signals from mature to new leaves[J].Nature，2001，411：154.

[39] WEI N，KWOK S F，VON ARNIM A G，et al.ArabidopsisCOP8，COP10，andCOP11 genes are involved in repression of photo-morphogenic development in darkness[J].Plant cell，1994，6：629-643.

[40] GRAY J E，HOLROYD G H，LEE F M，et al.The HIC signalling pathway links CO2perception to stomatal development[J].Nature，2000，408：713-716.

[41] HU H，BOISSON-DERNIER A，ISRAELSSON-NORDSTR?M M，et al.Carbonic anhydrases are upstream regulators of CO2-controlled stomatal movements in guard cells[J].Nature Cell Biol，2010，12：87-93.

[42] ENGINEER C B，GHASSEMIAN M，ANDERSON J C，et al.Carbonicanhydrases，EPF2 and a novel protease mediate CO2control of stomatal development[J].Nature，2014，513：246-250.

[43] THOMAS P W，WOODWARD F I，QUICK W P.Systemic irradiance signaling in tobacco[J].Newhytol，2004，161：193-198.

[44] CASSON S A，F(xiàn)RANKLIN K A，GRAY J E，et al.Phytochrome B and PIF4 regulate stomatal development in response to light quantity[J].Curr Biol，2009，19：229-234.

[45] BOCCALANDRO H E，RUGNONE M L，MORENO J E，et al.Phytochrome B enhances photosynthesis at the expense of water-use efficiency inArabidopsis[J].Plant physiol，2009，150：1083-1092.

[46] LIU L J，ZHANG Y C，LI Q H，et al.COP1-mediated ubiquitination of CONSTANS is implicated in cryptochrome regulation of flowering inArabidopsis[J].Plant cell，2008，20：292-306.

[47] DELGADO D，BALLESTEROS I，TORRES-CONTRERAS J，et al.Dynamic analysis of epidermal cell divisions identifies specific roles for COP10 inArabidopsisstomatal lineage development[J].Planta，2012，236：447-461.

[48] KIM T W，WANG Z Y.Brassinosteroid signal transduction from receptor kinases to transcription factors[J].Ann Rev Plant Biol，2010，61：681-704.

[49] KIM T W，MICHNIEWICZ M，BERGMANN D C，et al.Brassinosteroid regulates stomatal development by GSK3-mediated inhibition of a MAPK pathway[J].Nature，2012，482：419-422.

[50] ZHU J Y，SAE-SEAW J，WANG Z Y.Brassinosteroid signalling[J].Development，2013，140：1615-1620.

[51] TANAKA Y，NOSE T，JIKUMARU Y，et al.ABA inhibits entry into stomatal lineage development inArabidopsisleaves[J].Plant J，2013，74(3)：448-457.

[52] ACHARYA B R，ASSMANN S M.Hormone interactions in stomatal function[J].Plant Mol Biol，2009，69：451-462.

[53] LIU J，WANG B S，XIE X Z.Regulation of stomatal development in plants[J].Hereditas，2011，33：131-137.

[54] KAZAMA H，DAN H，IMASEKI H，et al.Transient exposure to ethylene stimulates cell division and alters the fate and polarity of hypocotyl epidermal cells[J].Plant physiol，2004，134：1614-1623.

Research Progress of Molecular Mechanism on Stomatal Development in Plants

LIU Jun1, GUO Zhi-fu2*

(1. Dandong Academy of Agricultural Sciences, Fengcheng, Liaoning 118109; 2. Key Laboratory of Northeast Rice Biology and Breeding of Ministry of Agriculture, Rice Research Institute, Shenyang Agricultural University, Shenyang, Liaoning 110866)

Stomata is a key channel for gas and water exchange between plant and environment, which acts an important role to regulate plant photosynthesis, transpiration and water utilization. Various transcription factors such as bHLH transcription factors, MYB transcription factors and Dof transcription factors regulate stomatal formation and development, while a series of negative regulators, protein kinases and receptor proteins are involved in the stomatal development. Also, several environmental such as CO2 and light and hormonal factors are known to affect stomatal development. These factors may interact on some level to collectively regulate stomatal formation, distribution, patterning and development. In this review, we do a brief overview of advances in stomatal development research, summarize the related factors, and then point out the questions which should be resolved in the future.

Plant; Stomata; Transcription factors; Regulation; Environmental factor

國(guó)家轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專項(xiàng)(2014ZX08003001-001-007)。

劉俊(1978- )，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，助理研究員，博士，從事作物遺傳育種方面的研究。*通訊作者，副教授，博士，從事植物分子生物學(xué)方面的研究。

2015-11-11

S 184

A

0517-6611(2015)35-012-04