植物氣孔與植物免疫學(xué)

孔位于植物表面，由成對保護細胞和一些副衛(wèi)細胞組成（鄭玉龍2005）。這不僅是植物通過外部環(huán)境交換氣體的重要方式，也是植物失去水的主要方式（赫頓和沃爾登2003）。保衛(wèi)細胞能夠通過調(diào)節(jié)自身膨壓的變化來控制氣孔的開閉,進而調(diào)控和促進光合作用和水分利用效率的動態(tài)平衡,最終達到植物個體適應(yīng)環(huán)境的目的(Belin等2010)。在調(diào)節(jié)過程中,氣孔的孔徑大小即氣孔的開度會隨環(huán)境因子,如干旱、光強、空氣濕度和CO2濃度等因子的變化而變化,開度的大小也直接決定了光和、蒸騰和水分利用效率三者之間的動態(tài)平衡。除此之外,氣孔還被認為是多種葉際微生物,如細菌、真菌、放線菌和酵母等進入植物體內(nèi)的主要通道(Huang1986;Underwood等2007)。據(jù)統(tǒng)計,葉面上各種微生物的密度在106~107個cm-2左右(Lindow和Brandl2003),葉際為多種微生物提供了適合生存的環(huán)境并在植物病原菌和宿主的相互作用間起到重要作用(Lindow和Leveau2002)。研究已發(fā)現(xiàn)外寄生菌可以在受多重脅迫(干旱、UV輻射和營養(yǎng)限制)的葉表面完成其附生生活史(Beattie和Lindow1995;Lindow和Brand2003),但致病菌只有進入植物體內(nèi)才能引發(fā)其致病性,因此病原菌必須穿過表皮進入宿主植物胞間隙和葉片內(nèi)部組織才能建立定殖(Melotto等2008)。病原菌常通過植物的自然開口如葉表皮氣孔、根莖皮孔、葉緣、花腺或傷口進入植物體內(nèi)而氣孔是主要的通道(Huang1986)。氣孔曾廣泛地被看做是植物病原菌侵染過程中的被動通道然而最新的研究則打破這一傳統(tǒng)觀念的束縛,認為氣孔在感應(yīng)葉面微生物時能夠主動的關(guān)閉氣孔以限制細菌的入侵,甚至一些植物致病菌已經(jīng)進化出了專一的毒性因子如冠菌素(coronatine,COR)能夠重新打開氣孔來抵御氣孔防御(Melotto等2006)。大田試驗還發(fā)現(xiàn)在高濕、雨水或霜凍等促進氣孔開放的環(huán)境下細菌性病害發(fā)病率較高,而在干旱或高CO2等促進氣孔關(guān)閉的環(huán)境條件下,細菌的侵染率較低(Melotto等2006,2008),這也佐證了氣孔主動調(diào)節(jié)病菌入侵的設(shè)想。氣孔防御與植物免疫的整合研究極大的豐富了細菌致病性機制和葉際微生物-植物的互作機制的研究內(nèi)容,引領(lǐng)了氣孔免疫學(xué)的快速發(fā)展?；诖?本文對氣孔免疫的機制研究展開綜述并對其在植物水分利用效率的應(yīng)用方面進行展望,就是把氣孔免疫原理應(yīng)用到植物的蒸騰和光合效率的調(diào)控上,進而來提高植物的水分利用效率,這將為發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)開辟廣闊的前景。1微生物引發(fā)的致病性早在上世紀(jì)中葉,植物葉表面被微生物定殖的現(xiàn)象就已得到關(guān)注。Crosse于1959年首次在健康的櫻桃葉片上分離得到一類引發(fā)核果類植物細菌性潰瘍病的病原菌(Pseudomonassyringaepvmorsprunorum)。隨后的研究相繼表明葉表面的氣孔是氣源性病原微生物入侵植物的通道(王金生2000;Melotto等2006)。Leben等(1981)研究發(fā)現(xiàn)細菌在氣孔分布較多的葉片背面的繁殖量比氣孔分布較少的葉片正面大;周明華等(2001)在對水稻的研究中發(fā)現(xiàn)水稻感病品種中氣孔的密度和長度普遍高于抗病品種;翟艷霞等(2006)觀察到哈密瓜抗病品種葉片的氣孔密度、絨毛密度和長度明顯多于感病品種;魏愛麗等(2010)的研究表明感病性小麥的氣孔頻率、氣孔導(dǎo)度、氣孔開度等指標(biāo)均顯著高于抗病性小麥。這一系列的研究均顯示氣孔的形態(tài)結(jié)構(gòu)和開閉特性與植物抗病性存在著內(nèi)在聯(lián)系。近年來頗受矚目的關(guān)于微生物誘發(fā)氣孔的群體性免疫閉合及其抗病性的研究(Melotto等2006)更明確的闡述了保衛(wèi)細胞形成的響應(yīng)病原菌調(diào)控氣孔開度的機制。Melotto等(2006)用丁香假單胞菌番茄致病變種(P.syringaepv.tomatostrainDC3000,PstDC3000)接種擬南芥葉片,發(fā)現(xiàn)接種1h后氣孔關(guān)閉,3~4h后氣孔重新打開,而用非致病性大腸桿菌(EscherichiacoliO157:H7,E.coilO157:H7)接種時不能使關(guān)閉的氣孔重新打開。隨后的研究表明,PstDC3000重新打開氣孔的能力是依賴于COR,COR作為重要的毒性因子,在細菌在葉肉細胞中繁殖、病癥的形成和被感染植物的整體致病性的誘導(dǎo)過程中起到關(guān)鍵作用(Melotto等2008)。此外,Turner和Graniti(1969)及Guim?raes和Stotz(2004)分別在真菌中發(fā)現(xiàn)了使關(guān)閉的氣孔重新打開的毒性因子殼梭孢素和草酸;Gudesbla等(2009)發(fā)現(xiàn)病原菌Xcc(Xanthomonascampestrispv.campestris)在感染植物期間能引起氣孔的關(guān)閉和后來的重新打開,其主要通過分泌DSF細胞因子和乙酸乙酯(ethylacetate)促使氣孔重新開張。同時進一步的研究表明葉表面的微生物不僅可誘發(fā)其直接作用的氣孔的免疫性閉合,而且可引起接種點周圍3~20mm半徑范圍內(nèi)氣孔的群體性關(guān)閉行為(Meletto等2006),推測可能從超敏響應(yīng)的細胞釋放出一種可傳導(dǎo)的信號物質(zhì)(McDonald和Cahil1999)。微生物引起氣孔關(guān)閉的現(xiàn)象大大降低了病菌通過氣孔進入宿主植物的概率(Meletto等2006Melotto等2008),同時,關(guān)閉的氣孔降低了葉片蒸騰速率,減少了葉際微環(huán)境水分的供給,進而降低了葉表面微生物的種群數(shù)量(Wilson等1999)。由此可見,作為植物先天免疫的重要環(huán)節(jié),氣孔在抵御細菌入侵方面發(fā)揮著積極主動的作用。因此可以將氣孔這種主動關(guān)閉以抵御細菌入侵的運動稱為氣孔免疫,其生態(tài)意義顯著(Melotto等2008)。2激發(fā)子類物質(zhì)在植物生物學(xué)和微生物上的表達目前,研究發(fā)現(xiàn)的參與氣孔運動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的成員主要是H2O2、H2S、NO、MAPK(mitogen-activatedproteinkinase)、細胞骨架、蛋白激酶、蛋白磷酸酶、G蛋白、CAM、K+和Ca2+等(Wang等2001;Mustilli等2002;Assmann2003K?hler等2003;呂東等2005;Mishra等2006;GarciaMata和Lamattina2010)。氣孔運動信號通路中的級聯(lián)反應(yīng)包括G蛋白的激活、保衛(wèi)細胞激酶OST1的活化、ROS和NO的合成、胞內(nèi)PH值的升高、Ca2+濃度的提高和Ca2+振蕩、蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化、MAPK的激活和細胞骨架的重組等(Schroeder等2001;Fan等2004;Acharya和Assmann2009)。但是由于氣孔運動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜,氣孔的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制尚未完全理清,但上述研究依然為氣孔免疫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究奠定了堅實的分子和細胞生物學(xué)基礎(chǔ)。植物的免疫作用最初源于植物細胞表面受體(receptor)對激發(fā)子(elicitor)的識別(王金生2000Zipfel等2004)。研究已發(fā)現(xiàn)了多種源于微生物的激發(fā)類物質(zhì)如真菌的葡聚糖、糖蛋白、脂類物質(zhì)、脫乙酰幾丁質(zhì)(Lee等1999)、細菌細胞壁上的脂多糖(Zeidler等2004;Melotto等2006)、harpin蛋白、寡聚糖、elf18(EF-tu延伸因子)、flg22(細菌鞭毛蛋白上的22個氨基酸的多肽)(Melotto等2006;Zhang等2008)。研究還發(fā)現(xiàn)了幾種植物模式識別受體(PRRs),如擬南芥中的識別flg22的FLS2(flagellin-sensing2)受體(Gómez-Gómez和Boller2000;Melotto等2006)、識別延伸因子EF-tu的EFR(elongationfactorreceptor)(Zipfel等2006)、水稻中的識別源于真菌的幾丁質(zhì)激發(fā)子的CEBiP(chitinelicitor-bindingprotein)受體和擬南芥中的識別源于真菌的幾丁質(zhì)的CERK(chitinelicitorreceptorkinase)(Miya等2007)。在受體識別激發(fā)子信號后,激活了一系列的胞內(nèi)信號傳導(dǎo)通路和防御反應(yīng):主要包括ROS的合成、NO的產(chǎn)生、胞內(nèi)Ca2+激增、質(zhì)膜去極化、離子跨膜運動、可逆磷酸化作用、質(zhì)膜蛋白去磷酸化、MAPK的活化、NADPH氧化酶活化、早期防御基因(R-gene)表達、乙烯(ET)和茉莉酸(JA)產(chǎn)生、水楊酸(SA)合成和后期防御基因表達等等(Zhao等2005)。大量研究表明微生物上的激發(fā)子類物質(zhì)可以引發(fā)保衛(wèi)細胞內(nèi)Ca2+濃度的振蕩性變化和ROS的爆發(fā)(Muller等2000;楊惠敏等2001;Lecourieux等2006)。在胞外Ca2+的參與下,病原激發(fā)子可引起胞質(zhì)Ca2+振蕩,這種振蕩與ABA引發(fā)的保衛(wèi)細胞Ca2+振蕩非常類似(Ward等1995;Allen等2000,2001),同時病原激發(fā)子和ABA都能激發(fā)Ca2+內(nèi)流并引發(fā)氣孔關(guān)閉,但兩者的Ca2+信號途徑可能不同(Klüsener2002)。研究還發(fā)現(xiàn)在病原菌誘導(dǎo)的植物免疫應(yīng)答中茉莉酸-乙烯途徑與ABA途徑相互拮抗,外源ABA壓制了茉莉酸-乙烯誘發(fā)的抗病基因表達,ABA降低了植物的抗病性,而JA不敏感突變體jin1/myc2和ABA缺失突變體aba2-1的抗病性卻有所增強(Anderson等2004)。以上研究進一步的為氣孔免疫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制的研究奠定了免疫學(xué)基礎(chǔ)。通過研究發(fā)現(xiàn)PstDC3000、MAMPs(microbe-associatedmolecularpatterns)和E.coilO157:H7誘發(fā)的氣孔免疫與ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉享有共同的信號通路,如OST1激酶的活性升高,ROS和NO的產(chǎn)生,Ca2+濃度振蕩變化,異源三聚體G蛋白的活化和K+通道的開閉,MAPK信號級聯(lián)的活化等(Melotto等2006)。同時以響應(yīng)微生物脅迫的氣孔關(guān)閉也與植物防御激素SA信號通路有關(guān)因微生物不能誘導(dǎo)擬南芥SA合成突變體eds16-2和SA缺失突變體nahG的氣孔的關(guān)閉(Melotto等2006)。研究還發(fā)現(xiàn)FLS2介導(dǎo)的氣孔免疫只有在病原菌進入之前起限制作用,當(dāng)細菌進入植物體后不能限制細菌的增殖,而在水楊酸信號通路中起重要作用的NPR1(non-expresserofPR1))既起到氣孔防御又能限制進入植物體內(nèi)的細菌的生長(Zeng和He2010)。PstDC3000使氣孔關(guān)閉后又能重新打開氣孔,是因為PstDC3000在長期的進化中能夠合成一系列特異性的毒性因子,其中起抵御氣孔防御的毒性因子是COR(Melotto等2006)。研究發(fā)現(xiàn)rin4擬南芥突變體的氣孔不能被PstDC3000的毒性因子重新打開,暗示了RIN4(RPM1-interactingprotein)在調(diào)控COR介導(dǎo)的氣孔反應(yīng)中起重要作用(Liu等2009;Zeng等2010)。研究還發(fā)現(xiàn)COR和JA發(fā)揮相似的功能,促使研究者提出了COR是JA的模擬物并能激活JA信號通路的設(shè)想(Bender等1999;Zhao等2003),然而外源甲基化的JA導(dǎo)致了氣孔的關(guān)閉,說明甲基化的JA不像COR可以抑制ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉,COR可能是通過抑制氣孔免疫依賴的SA信號通路而抵御了氣孔防御(Melotto等2006)。3水分利用效率植物葉片上的氣孔是植物與外界環(huán)境進行氣體交換的主要門戶,也是水分散失的主要通道。氣孔的開閉直接調(diào)控植物的光合作用和蒸騰作用然而,氣孔開度的變化對二者的影響程度卻并不相同(Cowan和Troughton1971)。一般來說,由葉片蒸騰到大氣的水分速率比葉片同時從周圍大氣吸收CO2的速率高2個數(shù)量級(Fiseher和Turner1978廖建雄和王根軒2000)。在全球水循環(huán)和碳循環(huán)尺度上,通過動態(tài)植被模型分析,溫帶森林的年蒸騰量達到了32×1012噸,同時,陸地生態(tài)系統(tǒng)通過光合作用同化的總碳通量達到了44×1010噸(Hetherington和Woodward2003)。這種差異性可以用一些研究結(jié)果來解釋,如當(dāng)氣孔孔徑小于10μm時,蒸騰速率與氣孔開度成正相關(guān),而CO2同化率在氣孔孔徑大于2μm時保持常數(shù),只有當(dāng)氣孔開度小于2μm時才與其呈正相關(guān),且當(dāng)氣孔孔徑達到2μm時CO2同化率已趨于最大(Upadhyaya1988),由此可得出氣孔開度在一定范圍內(nèi)與蒸騰速率成正比與光合速率呈飽和曲線關(guān)系(氣孔開度很小時光合速率就可接近90%以上)的結(jié)論。因此,可以看出葉片氣孔開度對蒸騰速率的影響遠超過對光合速率的影響。植物的水分利用效率(WUE)指的是單位蒸騰耗水量的光合作用量,這一指標(biāo)反映了植物生長中資源的轉(zhuǎn)化效率和利用效率,在葉片水平上,水分利用效率常以凈光合速率(Pn)與蒸騰速率(E)的比值來表示(王建林等2007)。在相同的環(huán)境條件下,由于氣孔開度對蒸騰速率的影響遠大于對光合速率,因此可以通過在一定范圍內(nèi)誘導(dǎo)植物氣孔開度大幅下降來提高植物的水分利用效率,從而達到節(jié)水的目的,這也為應(yīng)用氣孔免疫原理來提高植物的水分利用效率提供了理論基礎(chǔ)。4氣孔愈合振蕩干旱是限制植物生長的重要因子。在干旱條件下,植物自身會出現(xiàn)氣孔周期性開合現(xiàn)象以防止過多水分的散失(Buckley2005)。根系吸水阻力所引起的徑流滯后是引發(fā)植物氣孔開合振蕩的水力學(xué)原因(廖建雄和王根軒2000),而保衛(wèi)細胞內(nèi)Ca2+濃度[Ca2+]cyt的振蕩則直接引起氣孔開合振蕩(Yang等2003),且存在引發(fā)氣孔開合振蕩最佳頻率、周期和次數(shù)等信號參數(shù)(Li等2004;Yang等2004)。氣孔振蕩開合現(xiàn)象不但符合水阻-水感-水容(RLC)模型,也能大大提高干旱條件下植物的水分利用效率(王根軒等1993)。在田間條件下,對春小麥在振蕩和穩(wěn)態(tài)條件下的光合速率、蒸騰速率和水分利用效率進行對比發(fā)現(xiàn),氣孔開合振蕩條件下的春小麥蒸騰速率比穩(wěn)態(tài)條件下的蒸騰速率下降了45%,光合同化速率僅下降了14%,水分利用效率則提高了55%(王根軒1997)。以上研究為氣孔免疫原理在作物節(jié)水方面的應(yīng)用提供了堅實的理論和現(xiàn)實依據(jù)。5新型抗蒸騰制劑與節(jié)水水分是限制作物產(chǎn)量的主要因子。生產(chǎn)中人們主要使用抗蒸騰劑減緩水分的散失。目前市場上流通的植物蒸騰抑制劑根據(jù)其不同的作用方式和特點,主要分為代謝型抗蒸騰劑(metabolicantitranspirant)、成膜型抗蒸騰劑(film-formingantitranspirant)、反射型抗蒸騰劑(reflectingantitranspirant)三大類。然而這三類抗蒸騰劑分別存在成本貴、價格高、耗量大、危害環(huán)境和人類健康等缺點,難以大幅推廣。在旱災(zāi)頻發(fā)、水資源危機日益嚴重的環(huán)境條件下,研