一个保守的微丝动态调控模块介导气孔对光/暗转换响应的信号传导机制

Light, one of the most prevalent environmental signals to plants, displays profound effects on stomatal regulation. Stomatal pores close rapidly when moved from light to dark conditions, a process proved to be mediated by guard cell actin depolymerisation. However it remains elusive that: (1) what are the upstream regulators and the downstream signaling components that are coupled to actin reassembly during dark-promoted stomatal closure; (2) how the light-to-dark transition signal is transduced from the guard cell surface to the regulators of actin dynamics. Our recent work implies that dysfunction of a conserved actin dynamics regulatory module will completely abolish stomatal response to light-to-dark transition. Using informative Arabidopsis mutants corresponding to the functional subunits within the module, we plan to investigate the function and the regulatory mechanism of guard cell actin dynamics during stomatal response to light-to-dark transition. Moreover, by examining functionality of the SCAR/WAVE complex in the guard cells of COP1-related light signaling mutants, we will ask how the signaling repertoire of light-to-dark transition is organized in guard cells. It is expected that our findings will provide mechanistic explanations for stomatal closure induced by light-to-dark transition, and further our understanding of the role of actin cytoskeleton in the stomatal signaling network.

光作为植物生境中最主要的信号之一，能对气孔开度的调节产生重要影响。已知光促开放的气孔在黑暗条件下会快速关闭，且气孔对这种光/暗转换的响应受保卫细胞内微丝解聚的介导，但是目前尚不清楚：（1）暗诱导气孔关闭过程中与微丝动态偶联的上游调控子以及下游信号事件；（2）光/暗转换信号如何从保卫细胞表面传导至胞内微丝骨架调控元件。我们最近的工作显示，由两个蛋白复合物构成的一个保守的微丝动态调控模块功能缺失会导致气孔对光/暗转换完全不敏感的表型。计划以该模块内复合物亚基对应的拟南芥突变体为材料，解析微丝骨架动态在气孔响应光/暗转换信号过程中的作用及其调控机理；与此同时，通过研究COP1蛋白相关的光信号突变体对保卫细胞内SCAR/WAVE复合物功能的影响，探究光/暗转换信号在保卫细胞内的传导模式。预期在气孔对光/暗转换响应的机理上取得重要突破，并对微丝骨架在气孔信号传导网络中的作用取得深入认识。

气孔对环境光强变化的应答与植物光合碳同化以及蒸腾失水两个生理过程相关。在光辐射和水分供应充足的条件下，气孔加速开放有利于提高植物的光合效率；而夜间气孔保持关闭状态有利于减少无效蒸腾失水，上述两种情况均能优化植物水分利用效率。在项目前期阶段，我们从一个通过正向遗传学筛选获得的气孔暗不敏感突变体opal5出发，通过分子生物学和遗传学技术手段，明确该突变相关基因编码微丝调控复合物SCAR/WAVE complex的PIR亚基；通过系统研究该突变体的气孔表型，把保卫细胞内黑暗信号与脱落酸信号转导途径的交叉位点确定在SCAR/WAVE complex下游，并据此提出两条通路的共同信号组分Arp2/3 complex可能由不同的上游元件激活；进一步以激光共聚焦技术对保卫细胞内微丝进行活体成像，确认了微丝束化程度降低是暗诱导气孔关闭过程中的重要环节，且这种骨架构象的变化受到SCAR/WAVE complex及其下游Arp2/3 complex保守模块的调控。在项目后期阶段，本研究组侧重对保卫细胞细胞型特异性转录组的动态变化进行了检测，并从中挖掘与气孔对光信号早期应答相关的关键基因。转录组分析工作发现一个在保卫细胞内高表达的脂氧合酶编码基因，其蛋白产物定位于叶绿体内并能将类囊体膜脂代谢形成氧化脂质；通过对相关突变体以及转基因回补株系的研究，确认该脂氧合酶及其代谢产物负调控光诱导的气孔开放过程，这种负调控作用与跨保卫细胞质膜的钾离子内流抑制有关；值得注意的是，该酶的突变体相较于野生型具有更多的地上部生物量积累，且水分利用效率显著高于野生型植物，对该基因的后续研究有望在农业生产上产生经济价值。我们通过转录组分析还鉴定到一组聚类在同一个分支中的MYB转录因子，其生物学功能与抗氧化剂分子类黄酮醇的代谢有关，这类转录因子的功能敲除抑制光照条件下气孔的开放，暗示保卫细胞内活性氧含量的精细调控与气孔对光信号的应答相关。综上所述，在项目执行期间，我们按计划完成了既定的研究内容，在植物学权威期刊上发表了相关研究成果；同时也进行了部分预研工作，这些积累有望帮助我们继续获得国家自然科学基金的资助支持。