側(cè)根和氣孔對(duì)大氣二氧化碳濃度升高的響應(yīng)機(jī)理.pdf

1、大氣CO2濃度持續(xù)升高給人類(lèi)生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的深刻影響已引起全球的廣泛關(guān)注。CO2作為植物光合作用的原料之一，其濃度升高會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、養(yǎng)分代謝和環(huán)境脅迫響應(yīng)產(chǎn)生深刻影響。大氣CO2濃度升高在增強(qiáng)植物碳水化合物積累的同時(shí)，也需要植物形成一個(gè)更加強(qiáng)壯的根系以便吸收更多的養(yǎng)分，維持植物的正常生長(zhǎng)，其中促進(jìn)側(cè)根的生長(zhǎng)和發(fā)育是非常重要的方面。另一方面，大氣CO2濃度升高在促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育的同時(shí)，也會(huì)對(duì)植物的氣孔密度、導(dǎo)度和運(yùn)動(dòng)帶來(lái)明顯影響

2、。氣孔是植物與外界環(huán)境進(jìn)行CO2和水蒸氣交換的重要通道，氣孔開(kāi)度的變化直接影響著植物的光合作用、蒸騰作用、水分利用效率以及耐旱性。然而，關(guān)于CO2濃度升高促進(jìn)植物側(cè)根形成和誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉的調(diào)控機(jī)理以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑尚不清楚。大量證據(jù)顯示，一氧化氮(NO)信號(hào)分子在植物生理過(guò)程中發(fā)揮重要作用，如植物的生長(zhǎng)和發(fā)育、氣孔的運(yùn)動(dòng)、對(duì)生物和非生物脅迫的響應(yīng)等。因此，本文研究了植物側(cè)根和氣孔對(duì)CO2濃度升高的響應(yīng)機(jī)理以及該響應(yīng)中的NO信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。

3、r>　　本研究采用水培試驗(yàn)和CO2培養(yǎng)箱提供不同CO2濃度的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(350μLL-1或800μL L-1)，使用NO特異性熒光探針DAF-FM DA原位檢測(cè)根系和保衛(wèi)細(xì)胞中NO含量，通過(guò)熒光顯微鏡和激光共聚焦鏡觀(guān)察、生理學(xué)、藥理學(xué)以及熒光染色法等方法與手段，以番茄為試驗(yàn)材料研究了CO2濃度升高對(duì)番茄側(cè)根生長(zhǎng)發(fā)育和氣孔運(yùn)動(dòng)的影響及其機(jī)理，并以擬南芥野生型、一氧化氮合成酶(NOS，本文中的NOS是指類(lèi)NOS或NOS-like)突變體atn

4、os1和硝酸還原酶（NR）突變體nia1nia2為試驗(yàn)材料研究了CO2濃度升高對(duì)擬南芥氣孔運(yùn)動(dòng)的影響及其機(jī)理。主要研究結(jié)果如下:
　　1.以番茄為研究材料，通過(guò)觀(guān)察側(cè)根形態(tài)、測(cè)量側(cè)根平均長(zhǎng)度和計(jì)量側(cè)根數(shù)量發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高明顯提高了植物側(cè)根的數(shù)量和長(zhǎng)度。在CO2濃度升高促進(jìn)側(cè)根形成過(guò)程中，CO2濃度升高處理導(dǎo)致側(cè)根原基中NO的含量增加67％;使用cPTIO清除NO能夠顯著抑制CO2濃度升高誘導(dǎo)的番茄側(cè)根形成，表明CO2濃度升高通

5、過(guò)促進(jìn)NO信號(hào)分子的合成和積累誘導(dǎo)了的番茄側(cè)根形成過(guò)程。CO2濃度升高顯著提高NOS活性，但對(duì)NR活性的影響不明顯。NOS抑制劑L-NAME處理顯著抑制CO2濃度升高誘導(dǎo)的NOS活性、NO濃度和側(cè)根數(shù)量的增加。CO2濃度升高下，NR抑制劑鎢酸鹽對(duì)根系NR活性、側(cè)根原基和根尖中NO含量以及側(cè)根形成沒(méi)有顯著影響。因此，認(rèn)為CO2濃度升高主要通過(guò)提高NOS活性，促進(jìn)側(cè)根原基中NO合成和累積，進(jìn)而誘導(dǎo)番茄側(cè)根的形成。NR在CO2濃度升高誘導(dǎo)番茄

6、側(cè)根形成中的作用不明顯。
　　2.CO2濃度升高處理6h后，番茄氣孔開(kāi)度降至2.3μm，較正常氣孔開(kāi)度下降32％。采用熒光法檢測(cè)保衛(wèi)細(xì)胞中NO的含量，發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高處理導(dǎo)致保衛(wèi)細(xì)胞的熒光強(qiáng)度顯著增加，熒光強(qiáng)度升高了88％。當(dāng)使用cPTIO清除NO后，保衛(wèi)細(xì)胞中NO含量降低了35％，氣孔開(kāi)度恢復(fù)至3.2μm，基本上達(dá)到正常濃度CO2處理下的氣孔開(kāi)度。結(jié)果表明CO2濃度升高提高了番茄保衛(wèi)細(xì)胞中NO含量以及NO在CO2濃度升高誘導(dǎo)氣

7、孔關(guān)閉過(guò)程中起重要作用。在CO2濃度升高條件下，200μM L-NAME處理導(dǎo)致氣孔開(kāi)度增加30％，保衛(wèi)細(xì)胞中NO含量降低33％，顯著抑制CO2濃度升高誘導(dǎo)的番茄保衛(wèi)細(xì)胞中NO合成和氣孔關(guān)閉，且添加SNP后可以清除該抑制作用，表明NOS參與調(diào)控CO2濃度升高誘導(dǎo)番茄NO合成和氣孔關(guān)閉。在CO2濃度升高下，100μM鎢酸鹽處理導(dǎo)致氣孔開(kāi)度增加35％，保衛(wèi)細(xì)胞中NO含量降低40％，顯著抑制了CO2濃度升高誘導(dǎo)的番茄保衛(wèi)細(xì)胞中NO合成和氣孔關(guān)

8、閉。添加SNP復(fù)合處理后可以解除該抑制作用，表明催化產(chǎn)生的NO在NR催化產(chǎn)生的NO在CO2濃度升高誘導(dǎo)番茄氣孔關(guān)閉過(guò)程中起重要作用。從以上結(jié)果可以看出，NOS和NR均參與了CO2濃度升高促進(jìn)番茄保衛(wèi)細(xì)胞NO的合成，進(jìn)而誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉。因此，CO2濃度升高處理導(dǎo)致番茄氣孔關(guān)閉是通過(guò)誘導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞NO濃度升高來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在該響應(yīng)中，NOS和NR均參與了CO2濃度升高促進(jìn)保衛(wèi)細(xì)胞NO合成過(guò)程。
　　3.以擬南芥野生型、NOS突變體atnos1

9、和NR突變體nia1nia2為研究材料發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高顯著提高保衛(wèi)細(xì)胞中NO含量和誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉。與正常濃度CO2處理相比，CO2濃度升高誘導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞中NO含量升高120％，氣孔開(kāi)度降低32％。清除NO后，CO2濃度升高誘導(dǎo)的NO含量增加和氣孔關(guān)閉均受到強(qiáng)烈抑制，表明NO在CO2濃度升高誘導(dǎo)擬南芥氣孔關(guān)閉過(guò)程中起重要作用。藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示，使用NOS抑制劑L-NAME和NR抑制劑鎢酸鹽均可顯著降低NO含量和抑制氣孔關(guān)閉，表明NOS和NR

10、均參與了CO2濃度升高誘導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞中NO合成過(guò)程。擬南芥NOS突變體atnos1和NR突變體nia1nia2均顯著抑制CO2濃度升高誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，且添加SNP后可以解除該抑制作用，進(jìn)一步表明NOS和NR均在CO2濃度升高誘導(dǎo)擬南芥NO合成過(guò)程中起重要作用。CO2濃度升高處理導(dǎo)致atnos1突變體氣孔開(kāi)度顯著降低，但對(duì)nia1nia2突變體的氣孔開(kāi)度影響不顯著，由此可以推測(cè)在擬南芥中NR催化產(chǎn)生的NO可能在CO2濃度升高誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉中起

11、著更重要的作用。在CO2濃度升高下，無(wú)論atnos1突變體還是nia1nia2突變體，在緩沖液中添加SNP均能恢復(fù)CO2濃度升高誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉。說(shuō)明這兩種突變體的氣孔對(duì)NO響應(yīng)的功能均存在，之所以未能對(duì)CO2濃度升高做出明顯響應(yīng)是因?yàn)镹O的合成路徑受阻，導(dǎo)致保衛(wèi)細(xì)胞中NO水平未能提高。從以上研究結(jié)果可以看出，NOS和NR均參與了CO2濃度升高促進(jìn)擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞NO合成，進(jìn)而誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉過(guò)程。因此，CO2濃度升高通過(guò)NOS和NR路徑促進(jìn)保