全 文 ：植物生理学通讯 第 46卷 第 6期, 2010年 6月 575
收稿 2010-01-15 修定 　2010-06-01
资助 辽宁省教育厅项目(2 00 9A4 27 )、辽宁省自然科学基金
项目(2 0082 153 )、国家高技术研究发展计划 “86 3” 计
划(2 006 AA10 A21 3、20 07AA091 601 )和中国科学院
知识创新工程重要方向项目( K S C X 2 - Y W - G - 0 4 1、
KSCX2-YW-N-007)。
* 通讯作者(杜昱光, E-mail: articles1805@gmail.com, Tel:
0411-84379061; 侯和胜, E-mail: hesheng_hou@126.
com, Tel: 0411-84259112)。
壳寡糖、一氧化氮和植物激素在烟草气孔运动中的作用及其相互关系
李艳 1, 李洪艳 1, 王青 3, 李康宁 1, 张蕾蕾 1, 赵小明 2, 杜昱光 2,*, 侯和胜 1,*
1辽宁师范大学生命科学学院, 辽宁大连 116029; 2中国科学院大连化学物理研究所, 辽宁大连 116023; 3北京市辐射中心, 北
京100875
提要: 本文研究了壳寡糖(COS)、一氧化氮(NO)和植物激素对烟草气孔运动的作用及其相互关系, 结果表明, COS、NO、
脱落酸(ABA)能诱导烟草气孔开度减小; ABA合成抑制剂钨酸钠(Na2WO4)和NO合成酶抑制剂 L-NAME具有清除 COS、
ABA或NO诱导烟草气孔开度减小的作用。说明COS通过诱导ABA和NO产生, 进而诱导烟草气孔开度减小, 而且ABA
和NO之间有相互作用。另外, 细胞分裂素和生长素能够诱导烟草气孔开度增大, 也能够逆转COS诱导的气孔开度减小。
关键词: 壳寡糖; 一氧化氮; 脱落酸; 细胞分裂素; 生长素; 烟草
Role and Relationship of Oligochitosan, NO and Phytohormones in Stomatal
Movement of Tobacco (Nicotiana tabacum L. cv. Samsun NN)
LI Yan1, LI Hong-Yan1, WANG Qing3, LI Kang-Ning1, ZHANG Lei-Lei1, ZHAO Xiao-Ming2, DU Yu-Guang2,*, HOU He-Sheng1,*
1College of Life Sciences, Liaoning Normal University, Dalian, Liaoning 116029, China; 2Dalian Institute of Chemical Physics,
Chinese Academy of Sciences, Dalian, Liaoning 116023, China; 3Beijing Radiation Center, Beijing 100875, China
Abstract: Oligosaccharide, an elicitor, could induce plant resistance against biotic and abiotic stress. Oligochitosan
(COS), as well as NO or ABA, could induce stomatal opening reduction in leaves of tobacco (Nicotiana tabacum
cv. Samsun NN) seedlings; but Na2WO4, an inhibitor of ABA could scavenge the effect of reduction in stomatal
opening, and so could L-NAME (a nitric oxide synthase inhibitor). The results showed that NO and ABA could
be induced by COS, and there was cross-talk between NO and ABA. In addition, cytokinin and auxin could
induce increase in stomatal opening of leaves of tobacco seedlings, and reverse the function of COS that
induced reduction in stomatal opening of leaves of tobacco seedlings.
Key words: oligochitosan; NO; ABA; cytokinin; auxin; tobacco (Nicotiana tabacum cv. Samsun NN)
寡糖作为植物免疫激活因子的基础研究始于
上世纪六七十年代, 1 9 8 5 年美国佐治亚大学
Albersheim教授首次提出了寡糖素(oligosaccharins)
这个新概念, 认为寡糖具有调控植物生长、发育、
繁殖、防病和抗病等方面的功能(A lber she i 和
Darvill 1985)。我们已经证明壳寡糖(oligochitosan,
COS)能够诱导油菜基础代谢、防御、信号等相关
基因表达(Yin等2006), 以及COS通过诱导一氧化氮
(NO)、过氧化氢(H2O2) (Li等 2009)和脱落酸(ABA)
(待发表资料)产生进而诱导油菜叶片气孔开度减小。
信号分子NO在植物生长、发育、衰老、细
胞程序性死亡、抗病及对环境胁迫等各种不同形
式的响应中有很大的作用(Lamattina等2003)。NO
能够诱导油菜等植物气孔开度减小(Li等 2009)。
NO的产生主要有以下几种途径: 类似动物NO合成
酶合成(Delledonne等 1998)、硝酸还原酶(nitrate
reductase, NR)催化(Morot-Gaudry-Talarmain等
2002)、亚硝酸盐NO还原酶(nitrite NO reductase,
Ni-NOR)和黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase, XO)催
化以及非酶促反应(Cooney等 1994)。
ABA为干旱诱导气孔关闭的重要根源信号。
对保卫细胞 ABA信号转导途径深入研究后发现
ABA通过影响保卫细胞质 Ca2+浓度、活性氧水
平、蛋白激酶、蛋白磷酸化酶活性和离子通道活
植物生理学通讯 第 46卷 第 6期, 2010年 6月576
性促进气孔关闭(张蓓等 2008)。在高等植物中,
ABA合成是通过含氧类胡萝卜素和叶黄素介导
的(Schwartz等 1997), 最后通过 NCED (9-cis-
epoxycarotenoid dioxygenase), SDR1 (short-chain
dehydrogenase/reductase)和ABA醛氧化酶(ABA-al-
dehyde oxidase, AAO)等基因上调合成ABA。
我们用荧光显微镜(NO荧光标记实验)观察发
现一定浓度的 COS可以诱导油菜(Brassica nupus)
叶片表皮保卫细胞NO和ABA (待发表资料)产生,
进而导致气孔开度减小及抗旱相关基因Lea (晚期
胚胎发育丰度蛋白)的表达(Li等 2009)。气孔开度
被许多生物和非生物胁迫诱导, 例如, 渗透胁迫、
光、暗、二氧化碳浓度、各种化学物质(AB A、
NO和 COS)和机械损伤等(Cooney等 1994; She等
2004; Li等 2009), 因而一直受到人们的重视。张
蓓等(2008)证明了细胞分裂素和生长素能够逆转
ABA诱导蚕豆叶片的气孔关闭并与降低保卫细胞
NO和H2O2水平有关。细胞分裂素和生长素对COS
诱导气孔开度变化的影响尚未见报道。本文初步
研究了 COS、NO及植物激素对烟草气孔开度变
化的作用及其相互关系。植物气孔运动调控机制
的研究对进一步探讨植物适应干旱等环境胁迫的机
理具有重要的理论意义。
材料与方法
试验于 2009年于大连玻璃温室内进行。烟草
(Nicotiana tabacum cv. Samsun NN)幼苗和COS (聚
合度为2~10)均来自中国科学院大连化学物理研究
所。在玻璃温室中, 在播种盘中将种子播种到土壤
中, 待长出 2~4片真叶后, 将烟草幼苗分别栽种于
同样大小的装有等量、同土质的塑料盆内, 常规管
理。日最高气温 22 ℃, 夜间最低气温 10 ℃; 空气
相对湿度为 65%~82%。长至六至八叶期后分组并
进行试剂处理: (1)烟草幼苗叶面分别喷施dH2O (对
照)及 1 0、2 0、3 0、4 0、5 0、6 0、7 0、8 0、
90和 100 mg·L-1 COS。(2)烟草幼苗叶面分别喷施
dH2O (对照)、50 mg·L-1 COS、1 mmol·L-1硝普钠
(SNP, NO供体)、0.1 mmol·L-1 ABA、50 mg·L-1
COS+1 mmol·L-1 L-NAME (NO合成酶抑制剂)、
50 mg·L-1 COS+0.5 mmol·L-1 Na2WO4 (ABA合成抑
制剂)、1 mmol·L-1 SNP+0.5 mmol·L-1 Na2WO4、0.1
mmol·L-1 ABA+1 mmol·L-1 L-NAME (Li等 2009)。
(3)烟草幼苗叶面分别喷施 dH2O (对照)、50 mg·L-1
COS、50 mg·L-1 COS+0.2 μmol 6-BA、0.2 μmol
6-BA、50 mg·L-1 COS+0.2 μmol KT、0.2 μmol
KT、50 mg·L-1 COS+10 μmol·L-1 IAA、10 μmol·L-1
IAA、50 mg·L-1 COS+10 μmol·L-1 NAA、10 μmol·L-1
NAA、50 mg·L-1 COS+10 μmol·L-1 2,4-D和 10 μmol·L-1
2,4-D (张蓓等 2008)。试剂用量 30 mL。处理后
30 min采用固定法测气孔开度。每个处理 10棵幼
苗, 选取5株幼苗完全展开的第3片叶片, 撕取下表
皮, 每个叶片随机测定 6个气孔开度, 共测定 30个
气孔, 重复 3次(Li等 2009)。采用Excel和 SPSS13
软件进行数据分析。测定时间为 9:00~11:30。
结果与讨论
1 不同浓度COS对烟草气孔开度的影响
用 0~100 mg·L-1 COS喷施烟草, 30 min后测定
烟草叶片气孔开度, 发现 10 mg·L-1 COS处理的烟
草叶片气孔开度与对照相比无明显变化; 20~100
mg·L-1 COS处理的烟草叶片气孔开度明显减小
(P<0.05), 并且浓度在 20~60 mg·L-1之间, 气孔开度
与 COS浓度呈负相关(P<0.05) (图 1)。50 mg·L-1
COS能够诱导烟草气孔开度减小的结果与 Li等
(2009) COS诱导油菜气孔开度减小的结果一致, 说
明COS诱导植物叶片气孔开度减小的功能可能具
有普遍性。
图 1 不同浓度COS对烟草气孔开度的影响
Fig.1 Effects of different concentrations of COS on
stomatal opening of tobacco seedlings
植物生理学通讯 第 46卷 第 6期, 2010年 6月 577
2 COS、NO、ABA及其抑制剂对诱导烟草气孔
开度变化的影响
喷施COS或SNP后能明显减小烟草叶片气孔
开度(P<0.05), 而COS和L-NAME共同处理后气孔
开度明显增大(P<0.05) (图 2)。L-NAME是NO合
成酶抑制剂, 能够清除COS诱导产生的NO。说明
COS能够诱导产生NO, 这与COS诱导油菜叶片产
生NO的结果一致(Li等 2009)。
3 细胞分裂素和生长素对COS诱导烟草气孔开度
变化的影响
由图 3可以看出, 6-BA、KT、IAA、NAA
和2,4-D处理烟草叶片与对照相比气孔开度明显增
大(P<0.05); 该结果与 Song等(2006)的结果一致。
COS分别与 6-BA、KT、IAA、NAA和 2,4-D共
同处理烟草叶片与COS单独处理相比气孔开度明
显增大(P<0.05)。
图 2 COS、NO、ABA及其抑制剂
对烟草气孔开度的影响
Fig.2 Effects of COS, NO, ABA and inhibitors on
stomatal opening of tobacco seedlings
1: 对照; 2: 50 mg·L-1 COS; 3: 50 mg·L-1 COS+0.5 mmol·L-1
Na2WO4; 4: 50 mg·L-1 COS+1 mmol·L-1 L-NAME; 5: 0.1 mmol·L-1
ABA; 6: 0.1 mmol·L-1 ABA+0.5 mmol·L-1 Na2WO4; 7: 0.1 mmol·L-1
ABA+1 mmol·L-1 L-NAME; 8: 1 mmol·L-1 SNP; 9: 1 mmol·L-1
SNP+0.5 mmol·L-1 Na2WO4; 10: 1 mmol·L-1 SNP+1 mmol·L-1
L - N A M E。
喷施COS或ABA后, 烟草叶片气孔开度明显
减小(P<0.05), 而 COS与Na2WO4共同处理后气孔
开度明显增大(P<0.05) (图 2)。ABA合成抑制剂
Na2WO4作用机理是通过抑制AAO, 使ABA醛不能
转化为ABA (Hansen和 Grossmann 2002)。以上
结果说明 COS能够诱导ABA产生, 进而诱导烟草
叶片气孔开度减小。
另外, SNP和Na2WO4共同处理与SNP单独处
理相比, 烟草叶片气孔开度明显增大; ABA与 L-
NAME共同处理与ABA单独处理相比, 烟草叶片气
孔开度也明显增大(P<0.05) (图2)。说明ABA与NO
之间有相互作用。
图 3 细胞分裂素和生长素对COS诱导
烟草气孔开度变化的影响
Fig.3 Effects of cytokinin and auxin on COS inducing change
of stomatal opening of tobacco seedlings
1: 对照; 2: 50 mg·L-1 COS; 3: 0.2 μmol 6-BA; 4: 50 mg·L-1
COS+0.2 μmol 6-BA; 5: 0.2 μmol KT; 6: 50 mg·L-1 COS+0.2 μmol
KT; 7: 10 μmol·L-1 IAA; 8: 50 mg·L-1 COS+10 μmol·L-1 IAA; 9: 10
μmol·L-1 2,4-D; 10: 50 mg·L-1 COS+10 μmol·L-1 2,4-D; 11: 10
μmol·L-1 NAA; 12: 50 mg·L-1 COS+10 μmol·L-1 NAA。
张蓓等(2008)证明了细胞分裂素和生长素能够
逆转ABA诱导蚕豆叶片的气孔关闭与降低保卫细
胞NO和H2O2水平有关。我们已经证明COS能够
诱导油菜叶片气孔开度减小也与NO和H2O2产生有
关(Li等 2009)。
本实验结果显示, COS能够诱导烟草叶片ABA
和NO产生, 而细胞分裂素和生长素逆转了COS诱
导的气孔关闭。因此我们推测细胞分裂素和生长
素逆转COS诱导的气孔开度减小可能与COS诱导
的ABA和NO产生有关。
参考文献
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