ALA提高苹果光合作用的气孔调节机制研究

5-aminolevulinic acid (ALA) can significantly promote photosynthetic efficiency of many plants including apple trees. However, its mechanism is still not clear, especially in the regulation of stomatal movement. Our previous researches have shown that ALA could increase plant stomatal conductance and promote proline (Pro) accumulation. In this research, using wild-type and ALA-over-producing transgenic apple seedlings, we will illuminate the regulatory effect of ALA on stomatal movement by analyzing the effect of over-produced ALA or exogenous ALA treatments on stomatal aperture. Then, we attempt to reveal the roles of intracellular messenger H2O2 and Ca2+ playing in ALA-induced stomatal movement, by analyzing the effect of ALA on guard cell H2O2 and Ca2+ content and applying pharmacological methods. To further reveal the signal transduction mechanism of ALA-mediated stomatal movement, we will first investigate the effect of ALA on Pro metabolism in leaf lower epidermis and the impact of exogenous Pro on stomatal aperture and guard cell H2O2 content. Then, we attempt to clarify the roles of Pro playing in ALA-induced changes in guard cell H2O2 content by applying gene silencing technologies. This project will elucidate the regulatory mechanisms of ALA-mediated stomatal movement and the knowledge gained from this study will not only contribute to uncovering the stomatal factors improving plant photosynthesis by ALA, but also help us exploring a new mechanism for the regulation of stomatal movement.

5-氨基乙酰丙酸（ALA）能够显著促进包括苹果在内的许多植物光合效率，但其机理尚未完全阐明，特别是对叶片气孔开度的促进效应，迄今未见专门报道。申请人前期研究发现ALA可增大气孔导度，并促进脯氨酸（Pro）积累。本项目拟以过量合成ALA的转基因苹果及野生型植株为材料，通过检测过量合成的ALA以及外源ALA对叶片气孔开度的影响，明确ALA对气孔运动的调控作用；通过分析保卫细胞H2O2、Ca2+含量对ALA的响应，并结合药理学方法，阐明胞内信使H2O2、Ca2+在ALA调节气孔运动中的作用；通过分析ALA对叶片下表皮Pro代谢的影响、外源Pro对叶片气孔开度及保卫细胞H2O2含量的影响、再结合基因沉默技术，明确Pro在ALA对保卫细胞H2O2含量调节中的作用，揭示ALA调节气孔运动的信号机制。本研究不仅可以从气孔运动的角度揭示ALA提高果树光合作用的机制，而且有助于探索植物气孔运动调节新机制。

5-氨基乙酰丙酸（ALA）是一种天然、对环境友好的新型植物生长调节物质。本项目从气孔运动的角度揭示了ALA提高果树作物苹果以及模式作物拟南芥光合作用的机制，同时，以新型植物生长调节物质ALA为切入点，探索了植物气孔运动调节的新机制。经过三年的努力，取得了以下主要进展：. 1)明确了ALA对苹果叶片气孔开放的调节作用。以 ‘富士’苹果幼苗为材料，证明ALA具有促进气孔开放、抑制气孔关闭的作用，阐明了ALA促进光合作用的气孔调节因素。. 2)揭示了H2O2和Ca2+信号在ALA调节气孔运动中的作用。ALA能够显著降低保卫细胞H2O2和Ca2+含量，并且能够抑制H2O2诱导的气孔关闭，逆转黑暗和Ca2+诱导气孔关闭，说明ALA通过下调苹果叶片保卫细胞H2O2和Ca2+含量促进气孔开放、抑制气孔关闭。. 3)初步探索了脯氨酸积累在ALA调节气孔运动中的作用。首次发现脯氨酸可通过降低保卫细胞H2O2积累进而促进气孔开放、抑制气孔关闭的作用。ALA能够显著提高叶片及其下表皮脯氨酸的积累，表明ALA诱导的脯氨酸积累参与ALA对保卫细胞H2O2含量以及气孔运动的调节作用。. 4)揭示了ALA诱导的黄酮醇积累参与调节叶片气孔开度。发现ALA显著提高苹果叶片保卫细胞内黄酮醇含量，且外源黄酮醇能够降低保卫细胞H2O2含量、抑制苹果叶片气孔关闭。进一步利用遗传资源丰富的模式植物拟南芥研究表明ALA对气孔关闭的抑制作用在黄酮醇缺失型的tt4突变体中受到了很大程度的削弱，而且外源黄酮醇能够使tt4突变体对ABA的气孔反应恢复到野生型水平。这些研究表明，ALA诱导的黄酮醇积累通过清除保卫细胞H2O2参与了ALA对气孔运动的调节，揭示了植物气孔运动调节新机制。. 受本项目资助，在《Frontiers in Plant Science》和《园艺学报》等期刊发表论文11篇，其中SCI论文6篇。