PP兰大方向文：NMT发现ABA无法诱导蕨类/石松类保卫细胞排K+吸Ca2+显示其与裸子/被子植物有较大差异

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微信原图文

活体保卫细胞K⁺、Ca²⁺、H⁺、H₂O₂等测样服务

NMT作为生命科学底层核心技术，是建立活体创新科研平台的必备技术。2005年~2020年，NMT已扎根中国15年。2020年，中国NMT销往瑞士苏黎世大学，正式打开欧洲市场。

感谢本文一作，兰州大学龚磊、刘旭东供稿

 

基本信息

主题：NNMT发现ABA无法诱导蕨类/石松类保卫细胞排K⁺吸Ca²⁺显示其与裸子/被子植物有较大差异

期刊：Plant Physiology

影响因子：6.902

研究使用平台：NMT植物免疫创新平台

标题：Stomatal morphology and physiology explain varied sensitivity to abscisic acid across vascular plant lineages

作者：兰州大学方向文、龚磊、刘旭东

 

检测离子/分子指标

K⁺，Ca²⁺

 

检测样品

拟南芥（Arabidopsis thaliana）、槐（Sophora japonica）、银杏（Ginkgo biloba）、荚果蕨（Matteuccia struthiopteris）和江南卷柏（Selaginella moellendorffii）的保卫细胞

 

 

中文摘要

脱落酸（ABA）能诱导种子植物气孔快速关闭，但这种激素对蕨类植物和石松类植物的气孔是否有作用存在争议。本研究分析了11种种子植物、6种蕨类植物和1种石松类植物在ABA诱导下的气孔关闭、信号组份、保卫细胞K⁺和Ca²⁺流速、液泡和微丝骨架动态以及保卫细胞原生质体的渗透系数（P_f）。研究发现，ABA能诱导所有测试的11种种子植物的气孔关闭，但对蕨类植物和石松类植物没有作用。ABA诱导的H₂O₂升高在所有物种中均有观察到，但仅在种子植物中观察到一氧化氮及其下游的信号通路，包括离子通道激活。在被子植物蚕豆（Vicia faba）中，外源添加ABA使大的液泡碎化，微丝骨架解体成短片断，原生质体的渗透系数增加。这些变化在ABA处理的蕨类植物荚果蕨（Matteuccia struthiopteris）和石松类植物江南卷柏（Selaginella moellendorffii）的保卫细胞中均未观察到，但高渗渗透液可以诱导蕨类和石松类植物气孔关闭。本研究的结果显示，蕨类植物、石松类植物和种子植物对气孔的调节存在较大差异。重要的是，这些发现揭示上述诱导气孔关闭的生理或生理物理机制的出现可能是最早的种子植物进化出气孔响应ABA。

 

 

离子/分子流实验处理

50 μM ABA实时处理

 

 

离子/分子流实验结果

使用非损伤微测技术（NMT）检测5种植物的保卫细胞在ABA诱导后的K⁺和Ca²⁺流速变化的情况，结果表明ABA激活了种子植物保卫细胞表面Ca²⁺的内流和K⁺的外排，而在蕨类植物和石松类植物中则没有这种变化（图1a, b）。该结果说明，ABA诱导了种子植物的K⁺外排和Ca²⁺内流，但没有引发蕨类植物和石松类植物中任何一个通道的激活（图1）。

图1. ABA对3种种子植物拟南芥（A. thaliana）、槐（S. japonica）、银杏（G. biloba）、荚果蕨（M. struthiopteris）和江南卷柏（S. moellendorffii）保卫细胞K⁺和Ca²⁺流速的影响。（a）在加入50 μM ABA溶液前（黑圈）和后（灰圈）分别记录K⁺和Ca²⁺的流速变化。（b）添加50 μM ABA溶液前后，3种种子植物保卫细胞表面的K⁺外流和Ca²⁺内流均发生了显著变化，而蕨类植物和石松类植物的保卫细胞在添加ABA溶液前（黑色柱）后（灰色柱）没有发生显著变化。

 

 

其他实验结果

• ABA诱导被子植物拟南芥、槐和裸子植物银杏的气孔迅速关闭，而蕨类植物荚果蕨和石松类植物江南卷柏的气孔没有关闭，只有切除叶片才会引起荚果蕨和江南卷柏的气孔关闭。

• ABA和CaCl₂只可以诱导种子植物气孔关闭，但是不会诱导蕨类植物和石松类植物的气孔关闭。800 mM高渗D-山梨醇溶液可同时诱导种子植物、蕨类植物和石松类植物的气孔关闭。

• ABA、H₂O₂、硝普钠和cADPR可以诱导3种种子植物拟南芥、槐和银杏的气孔关闭。而NADPH氧化酶抑制剂二苯基氯化碘盐（DPI）、过氧化氢酶（CAT）和NO清除剂cPTIO抑制ABA诱导的气孔关闭，CAT和cPTIO的存在也抑制了H₂O₂诱导的气孔关闭。

• 激光共聚焦结果显示，ABA处理后被子植物拟南芥、槐，裸子植物银杏，蕨类植物荚果蕨以及石松类植物江南卷柏的保卫细胞中H₂O₂特异性荧光均增加。在对照组和ABA处理的样品中，在一些种子植物、蕨类植物和石松类植物的保卫细胞内壁可以观察到自体荧光，但NO荧光和Ca²⁺荧光只在种子植物保卫细胞的细胞质中观察到，而蕨类植物和石松类植物没有观察到这种荧光。

• ABA、H₂O₂和硝普纳处理使种子植物保卫细胞中的大液泡碎化成多个小液泡，气孔开度减小；而在蕨类植物和石松类植物液泡没有明显变化，气孔也不关闭。但当用800 mM D-山梨醇溶液诱导气孔关闭时，观察到蕨类植物和石松类植物的保卫细胞液泡能够碎化形成多个小的液泡。

• 在蚕豆中，ABA诱导了蚕豆微丝构型的重组；在对照组中，微丝呈现网状分布，但在ABA处理30 min后，微丝解聚，形成了团粒结构，偏度增加，密度降低；在荚果蕨和江南卷柏中，ABA没有诱导任何微丝构型的变化。

• 在未经过处理时，蚕豆、荚果蕨及其江南卷柏保卫细胞水分流入[Pf (in)]和水分流出[Pf (out)]没有显著性差异，ABA处理使蚕豆中Pf (out)和Pf (in)同时增加，且Pf (out)比Pf (in)增加更多，前者是后者的1.2倍；但对荚果蕨和江南卷柏中的Pf (in)和Pf (out)没有影响。

 

 

结论

本研究发现蕨类植物和石松类植物的气孔对ABA不敏感。这可能是由于研究发现在ABA信号通路上观察到的大量遗传基础存在差异：种子植物具有ABA诱导的H₂O₂升高、NO产生、K⁺外排和Ca²⁺内流、液泡分隔、微丝解体，保卫细胞原生质体的渗透系数增加的现象，这在蕨类和石松类植物中是不存在的。本研究结果为ABA介导的气孔响应的渐变进化模式：从早期陆生植物被动的气孔调控，演化到现代种子植物中复杂的由ABA介导的主动气孔调控，提供了有力的支持。

 

 

测试液

0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl₂, 0.3 mM MES, 0.2 mM Na₂SO₄, pH 6.15

 

 

仪器采购信息

• 据中关村NMT产业联盟了解，兰州大学草科院、生科院分别于2016年、2019年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

• 公司动态：兰州大学“单一来源”采购扬格非损伤微测系统

 

文章原文：https://doi.org/10.1093/plphys/kiab090

 

2019版《NMT论文集》已出版

 

关键词：ABA；肌动蛋白微丝；信号通路；气孔开度；液泡；维管植物