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作者：

高永强

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摘要：

植物叶片气孔是植物与外界环境进行水分和气体(CO2,O2)交换的门户.气孔开度的大小直接影响植物与环境水分及气体交换的速率.因此,气孔开放和关闭运动的调节直接影响植物的生长发育.在干旱条件下,植物通过合理调节气孔开度以防止水分过度散失,使植物能够更好地应对干旱胁迫.气孔运动是通过气孔保卫细胞的渗透压调节而实现的,保卫细胞质膜的钾离子通道和阴离子通道的活性调节在气孔保卫细胞渗透压调节的过程中发挥着重要作用.玉米作为重要的粮食作物,其产量的提高受干旱胁迫的严重制约,而有关玉米气孔运动调节机制的研究却十分有限.本论文围绕玉米叶片气孔运动调节机理这一重要科学问题,综合应用分子生物学,细胞生理学和电生理学技术与方法,对玉米保卫细胞质膜钾离子通道和阴离子通道的功能进行了鉴定分析,进而对它们的活性调节机制以及在气孔运动中的作用进行了分析研究.玉米气孔复合体由两个哑铃形的保卫细胞及其侧翼的一对副卫细胞组成.利用电生理的实验方法,对玉米保卫细胞质膜钾通道进行的实验结果表明,内向钾通道对胞外K+浓度,胞外pH和胞内pH变化十分敏感,并且.其活性受到ABA和Ca2+的调节;外向钾通道对胞外K+浓度和胞内pH变化十分敏感.玉米KZM2和KZM3是与拟南芥保卫细胞质膜内向钾通道KAT1高度同源的两个内向钾通道.KZM2和KZM3主要在玉米叶片中表达,并且在叶片表皮及保卫细胞中表达较高.KZM2和KZM3能够定位于细胞质膜,在酵母和HEK293细胞中表达的KZM2和KZM3均具有内向钾转运活性.在爪蟾卵母细胞中表达KZM2和KZM3, KZM3具有内向钾通道活性,KZM2未表现出钾通道活性,但KZM2能够通过与KZM3形成KZM2-KZM3异聚体通道,从而改变KZM3的通道活性,并使其激活过程变慢,同时也改变其对胞外通道抑制剂和pH的敏感性.在玉米KZM2 RNAi-1～3株系中,光照诱导的气孔开放过程加快,叶片蒸腾速率和气孔导度的增加也变快;KZM2表达量的降低使保卫细胞质膜内向钾通道电流增大,激活过程变快,对胞外抑制剂和pH的敏感性改变,表明KZM2在保卫细胞中负调节至少一种能够快速激活的内向钾通道的活性.进一步分析表明KZM3主要介导了KZM2 RNAi株系保卫细胞质膜快速激活的电流成分.KZM2和KZM3共同参与玉米气孔开放的调节过程.玉米ZmSLAC1是与拟南芥保卫细胞质膜S-型阴离子通道AtSLAC1高度同源的阴离子通道.ZmSLAC1在玉米保卫细胞表达,定位于细胞质膜,能够恢复拟南芥aatslac1突变体气孔不能关闭的缺陷表型;玉米zmslac1突变体的气孔对ABA,Ca2+和黑暗处理不敏感,气孔不关闭,叶片失水速率快于野生型,植株对干旱敏感.ZmSLAC1的阴离子通道活性受定位于质膜的钙依赖蛋白激酶ZmCPK35和ZmCPK37的激活;ZmCPK35和ZmCPK37在玉米保卫细胞中表达,均能够恢复与其同源性较高的拟南芥AtCPK8的功能缺失突变体的干旱敏感表型;并且ZmCPK35和ZmCPKK37玉米超量表达株系的气孔对ABA和Ca2+超敏感,叶片失水速率慢于野生型,植株对干旱耐受.ZmCPK35和ZmCPK37通过激活ZmSLAC1,促进保卫细胞内阴离子的外排,参与气孔关闭的调节过程.本论文研究结果表明,玉米保卫细胞质膜钾通道受到复杂调控网络的调节;内向钾通道KZM2和KZM3通过形成异聚体钾通道共同参与气孔开放调节过程;钙依赖的蛋白激酶ZmCPK35和ZmCPK37能够激活S-型阴离子通道ZmSLAC1的通道活性,共同参与玉米气孔关闭调节过程.本论文的研究结果部分揭示了气孔保卫细胞质膜离子通道参与玉米气孔运动调节的机制,可供进一步探讨玉米耐旱分子机理以及提高玉米耐早性的分子设计育种研究参考.

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关键词：

玉米；保卫细胞；气孔运动；KZMs；ZmSLAC1；ZmCPKs

DOI：

CNKI:CDMD:1.1017.294791

年份：

2017