拟南芥气孔保卫细胞质膜离子通道功能关联机制的研究

分布于植物叶片表面的气孔是植物吸收CO2、释放氧气和散失水分的主要通道。光诱导气孔开放，而干旱等环境胁迫刺激和体内ABA信号则诱导其关闭以有效减少水分散失和抵御微生物等异物的进入，起到抗逆的积极作用。而气孔保卫细胞质膜离子通道介导的跨质膜离子流动是气孔运动的主要驱动力。气孔的开放和关闭运动需要多种质膜离子通道的协同动作才能高效快速的实现。据此推测，气孔保卫细胞质膜不同离子通道之间存在紧密的功能关联，但迄今还没有任何报道。我们的初步研究发现，拟南芥气孔保卫细胞质膜慢阴离子通道（S-type）SLAC1的突变导致S-type 阴离子通道电流消失的同时，还显著抑制内向K+通道的活性（达80%左右，未发表结果)，表明慢阴离子通道和内向K+通道这两种完全不同的质膜离子通道之间存在紧密的功能关联。本研究以此为突破口，通过多种技术手段探究二者之间的功能关联机制，加深我们对气孔运动机制的理解。

分布于植物叶片表面的气孔是植物吸收CO2、释放氧气和散失水分的主要渠道。光照诱导气孔开放，使植物得以与外界进行气体交换，进行光合作用。而干旱等环境胁迫信号和体内植物激素ABA等诱导气孔关闭，有效减少水分散失和阻止微生物等异物入侵，从而对植物起到保护作用。当植物受到干旱胁迫时，不管有无光照信号，气孔都会被关闭，从而起到减少水分散失和提升植物耐旱能力和生存能力的作用。这一现象说明干旱/ABA信号通路和光照信号通路之间存在密切的信号互作，其中干旱信号通路居于优势地位，其激活可以有效阻断光照信号，确保气孔的关闭和提升植物的耐逆能力。这是植物在千百年的演化过程中，发展出来的一种“聪明”的应对策略，最大限度提升植物的存活几率。但干旱和光照信号通路的互作分子机制，多年来一直是不清楚的。我们的研究发现，阴离子通道SLAC1的突变不仅严重抑制干旱和ABA诱导的气孔的关闭运动，而且还使气孔开放受到明显抑制。进一步的研究发现，slac1-1和slac1-3突变体气孔保卫细胞质膜内向K+通道的活性受到显著抑制，抑制幅度达到了70-80%，说明阴离子通道SLAC1与内向K+通道之间存在密切的功能关联机制。进一步的分析发现，将细胞内自由Ca2+水平降低到10 nM左右的水平，可以使slac1-1和slac1-3突变体气孔保卫细胞内向K+通道活性得到部分回复，说明Ca2+信号也参与了SLAC1与内向K+通道之间的功能关联机制。该研究说明阴离子通道和K+通道在ABA信号途径和光照信号途径互作中发挥关键作用。我们与国外合作伙伴一起，将该结果发表在国际知名期刊New Phytologist上 （2013）。项目主持人及其课题组进一步开展了独立的深入研究，并成功发现了另一个不同离子通道之间的互作调控机制，即干旱诱导SLAC1/SLAH3的表达和蛋白积累，SLAC1/SLAH3则通过直接的蛋白互作，抑制内向K+通道的活性，从而切断光照信号通路。我们将此结果投稿到国际某一高水平期刊，该期刊的影响因子在10.0左右。三位审稿人对我们的工作都给予了肯定。该文章目前处于第二轮审稿阶段，预计几周内将会被接收和发表。我们将在此文发表后，将其上传并归入本项目的研究成果。总体来将，该研究完成了项目预定的全部研究内容，达到了预期的研究目标，取得了成功。