多胺氧化酶途径相关的过氧化氢参与乙烯调控气孔运动的信号转导机制

气孔是高等植物与环境间进行水分和气体交换的重要器官，其开闭运动影响着植物的光合作用和蒸腾作用。研究表明，乙烯能够诱导过氧化氢产生进而促进气孔关闭，但鲜见乙烯诱导气孔关闭过程中过氧化氢来源的报道。本项目综合应用植物生理学、细胞生物学和分子生物学等现代生物学技术，通过观测乙烯对拟南芥野生型及其突变体气孔运动的影响，检测乙烯处理前后保卫细胞过氧化氢的变化、乙烯对气孔保卫细胞中多胺氧化酶的分布、活性、蛋白和基因表达的影响,以期从细胞和分子水平证实来自多胺氧化酶途径的过氧化氢参与乙烯调控气孔运动的信号转导过程。该项目为阐明乙烯诱导气孔关闭过程中过氧化氢的来源提供新的实验证据，对系统深入了解气孔运动调控机制具有重要价值。

过氧化氢（hydrogen peroxide, H2O2）作为重要的信号分子参与调控拟南芥（Arabidopsis thaliana）叶片气孔运动。目前参与调控气孔运动中H2O2来源的研究，主要集中在NADPH氧化酶及细胞壁过氧化物酶上，鲜见其他来源的报道。本课题以拟南芥及其突变体为材料，综合应用植物生理学、细胞生物学和分子生物学等，证明气孔保卫细胞中存在多胺氧化酶（polyamine oxidases, PAO）；来自PAO途径的H2O2参与乙烯（ethylene）诱导气孔关闭过程，并发现H2O2与一氧化氮（nitric oxide, NO）、pH和硫化氢（hydrogen sulfide, H2S）等信号分子存在联系。该研究成果为阐明乙烯诱导气孔关闭过程中H2O2的来源提供了新的实验证据。. 证明气孔保卫细胞中存在AtPAO2和AtPAO4；乙烯、脱落酸（abscisic acid，ABA）、水杨酸（salicylic acid，SA）、茉莉酸（jasmonic acid，JA）和逆境（干旱、渗透和盐胁迫）等促进气孔关闭的因子均可不同程度的提高AtPAO2和AtPAO4的转录水平。说明PAO在调控气孔运动中起重要作用。. 以拟南芥野生型、PAO缺失突变体、过表达株系和构建的AtPAO2和AtPAO4的回复突变体为材料，从组织、细胞、分子和遗传水平证明来源于PAO的H2O2参与乙烯调控气孔运动的信号转导过程。证明乙烯和乙烯前体物ACC均能够诱导气孔关闭，PAO抑制剂明显抑制乙烯诱导的气孔关闭；乙烯能够显著增加拟南芥叶片及保卫细胞中的H2O2水平，但对Atpao2和Atpao4的气孔开度及H2O2积累没有明显的作用；而乙烯对Atpao2和Atpao4的过表达株系的气孔运动和H2O2积累更为敏感。外源乙烯可显著提高拟南芥叶片游离态和与细胞壁结合态PAO活性及AtPAO2和AtPAO4的表达。说明AtPAO2和AtPAO4均参与乙烯诱导的气孔关闭过程中H2O2的产生。. 以拟南芥野生型、NO突变体和H2S突变体为材料，利用药理学实验证明，NO、pH和H2S都是乙烯诱导气孔关闭信号转导途径的重要组分，可能存在“乙烯→→PAO/NADPHase/POD→→H2O2→→NR→→NO→→L/D-CDes→→H2S→→气孔关闭”信号链。