全 文 ：植物生理学通讯 第43卷 第1期，2007年2月 61
蚕豆水孔蛋白可能参与微丝骨架对气孔运动的调节
崔香环1，王学臣2,*
1 河南大学生命科学学院农业生物技术研究所，河南开封475001；2中国农业大学生物学院植物生理生化国家重点实验
室，北京 100094
提要：水孔蛋白的抑制剂 HgCl2 可明显抑制壳梭孢菌素(FC)和微丝骨架的解聚剂细胞松弛素 D (CD)对蚕豆保卫细胞原
生质体膨胀的诱导作用，而对微丝骨架的稳定剂鬼笔环肽(phalloidin)的抑制作用影响不明显。这表明水孔蛋白可能介导
了 FC 和微丝骨架对气孔运动的调节。
关键词：蚕豆；保卫细胞；水孔蛋白；微丝骨架
Involvement of Vicia faba L. Aquaporin in Regulation of Stomatal Movement
by Microfilament
CUI Xiang-Huan1, WANG Xue-Chen2,*
1 Institute of Agricultural Biotechnology, College of Life Sciences, Henan University, Kaifeng, Henan 475001, China; 2State Key
Laboratory for Plant Physiology and Biochemistry, College of Biological Sciences, China Agricultural University, Beijing 100094,
China
Abstract: The effects of 0.73 mmol·L-1 fusicoccin (FC), 25 mmol·L-1 HgCl2, 20 mmol·L-1 cytochalasin D (CD)
and 100 mmol·L-1 phalloidin on Vicia faba guard cell protoplast swelling were studied. The results indicated that
HgCl2, CD and phalloidin remarkably affected Vicia faba guard cell protoplast swelling by FC, and HgCl2
obviously suppressed the effects of FC and CD on Vicia faba guard cell protoplast swelling. However, HgCl2
had no effect on the role of phalloidin. The above results suggested that aquaporin might be involved in stomatal
movement regulated by FC and microfilament.
Key words: Vicia faba; guard cell; aquaporin; microfilament
收稿 2006-10-17 修定 　2007-01-08
资助 国家重点基础研究发展规划(2003CB114300)。
*通讯作者(E-mail：xcwang@cau.edu.cn；Tel：010-
62732706)。
叶片表皮的气孔是植物进行气体和水分交换
的门户，其启闭程度对植物的蒸腾和光合作用有
调控作用，因而气孔开关的机制一直是人们关注
的问题。近几年来的研究表明，微丝骨架的动态
变化参与气孔运动的调控(Kim等1995；Eun和Lee
2 0 0 0 ) ，并且微丝骨架解聚剂细胞松弛素 D
(cytochalasin D，CD)既可促进光和壳梭孢菌素
(fusicoccin，FC)诱导的气孔开放，也促进暗和
ABA 诱导的气孔关闭；相反，微丝骨架稳定剂鬼
笔环肽(phalloidin)则抑制这一过程(Hwang 等
199 7 )。这些表明，微丝骨架是光、暗、FC 和
A B A 调节气孔运动过程中不可缺少的成分。
Hwang 等(1997)发现，微丝骨架可通过调控K+ 通
道活性来控制气孔运动。此外，冰草植物
(Mesembryanthemum crystallinum)细胞的微丝骨架
通过调节水孔蛋白活性参与低渗胁迫的调节(Vera-
Estrella等2004)。
目前，已发现拟南芥(Arabidopsis thaliana)、
向日葵(Helianthus annuus)、菠菜(Spinacia
oleracea)和蚕豆的保卫细胞中存在着水孔蛋白基因
(Kaldenhoff等1995；Sarda等1997； Fraysse等
2005；Sun 等 2001；Cui 等 2005)，而且从生理
水平上初步证明了水孔蛋白参与了蚕豆气孔运动的
调节(Huang 等 2002)。在保卫细胞中，微丝骨架
是否通过调节水孔蛋白活性来调控气孔运动至今还
不清楚。据此，我们以 FC 诱导保卫细胞原生质
体膨胀为切入点，研究了微丝骨架和水孔蛋白对
FC诱导原生质体膨胀的影响，以探讨两者在调节
气孔运动过程中的关系。
材料与方法
分离保卫细胞原生质体时，蚕豆(Vicia faba
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L.)品种‘崇礼’种子放在清水中浸泡 12 h，于
生化培养箱中(20~25 ℃)催芽2~3 d后，播种于含
有1/4蛭石的营养土中。光/暗周期为12 h/12 h，
昼夜温度为22/20 ℃，光照强度为200 mmol·m-2·s-1，
相对湿度为70%左右。取3~4周龄蚕豆顶端第1~2
片完全展开叶，撕取下表皮，用毛笔刷净表皮上
粘附的叶肉细胞，按照Huang 等(2000)文中的方
法分离蚕豆保卫细胞原生质体，于4 ℃静置恢复
后待用。
不同试剂对原生质体膨胀影响的实验按照
Huang等(2000)的方法，将分离的蚕豆保卫细胞原
生质体分别悬浮在含以下 5 组试剂的缓冲液[10
mmol·L-1 Mes-Tris、0.02% 牛血清白蛋白(BSA)、
0.4 mol·L-1甘露醇、0.1 mmol·L-1 CaCl2，pH 6.1]
中，以不加试剂的缓冲液为对照。药剂处理后，
每隔0.5 h在光学显微镜(10×40)下观察原生质体膨
胀后的破碎情况(以原生质体膜破坏作为原生质体
破碎的标准)。每次观察取5个视野，每个视野观
察 80 个原生质体，每次共观察 400 个原生质体。
以试剂处理前的破碎率为 0，处理后每隔一段时
间内，原生质体由于吸水膨胀导致破碎的个数与
每次所观察总原生质体个数的比值作为这一段时间
相对的破碎率。
每组试剂有 3 个处理，具体如下：(1) 0.73
mmol·L-1 FC， 0.73 mmol·L-1 FC+20 mmol·L-1 CD，
20 mmol·L-1 CD；(2) 0.73 mmol·L-1 FC，0.73 mmol·L-1
FC+100 mmol·L-1鬼笔环肽，100 mmol·L-1鬼笔环
肽； (3) 0.73 mmol·L-1 FC，0.73 mmol·L-1 FC+25
mmol·L-1 HgCl2，25 mmol·L-1 HgCl2；(4) 20 mmol·L-1
CD， 25 mmol·L-1 HgCl2+20 mmol·L-1 CD，25 mmol·L-1
HgCl2；(5) 100 mmol·L-1鬼笔环肽，25 mmol·L-1
HgCl2+100 mmol·L-1鬼笔环肽，25 mmol·L-1 HgCl2。
以上实验至少重复3次，用Student’s t检验
0.05 概率水平上的的差异显著性。
实验结果
1 CD 和鬼笔环肽对FC诱导原生质体膨胀的影响
FC 可促进气孔开放。CD 和鬼笔环肽分别是
微丝骨架的解聚剂和稳定剂，前者可促进微丝解
聚和原生质体膨胀；后者可稳定微丝，从而抑制
原生质体膨胀。图1显示，0.73 mmol·L-1的FC可
诱导蚕豆保卫细胞的原生质体膨胀，而且在 6 0
min 之内可明显促进由FC诱导的蚕豆保卫细胞中
原生质体的胀破(图1-a) ；而鬼笔环肽几乎完全逆
转FC的诱导作用(图 1-b)。这些表明，微丝骨架
的解聚或聚合均介导由FC诱导的蚕豆保卫细胞中
原生质体的膨胀。
2 HgCl2对FC诱导原生质体膨胀的影响
HgCl2 是水孔蛋白的抑制剂，可抑制水分进
出胞质。图 2 表明，HgCl2 明显抑制 FC 诱导的蚕
豆保卫细胞原生质体膨胀，尤其是在30 min之内
几乎完全可逆转FC的作用；而单独加入HgCl2 或
不加HgCl2的则变化不明显。这表明水孔蛋白参与
FC 诱导的蚕豆保卫细胞中原生质体的膨胀。
图3显示，HgCl2 在 90 min 之内可显著抑制
CD诱导的蚕豆保卫细胞中原生质体的膨胀(图3-a) ；
而对鬼笔环肽的作用则无明显影响(图3-b)。这些
表明，水孔蛋白可能有介导微丝骨架对蚕豆保卫
图1 CD和鬼笔环肽对FC诱导原生质体膨胀的影响
Fig.1 Effect of CD and phalloidin on protoplast swelling induced by FC
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细胞中原生质体膨胀的调节作用。
讨　　论
保卫细胞水分跨膜进入或排出是保卫细胞膨
压变化和气孔张开或关闭的必要条件，一些研究
表明，水孔蛋白调节着水分的跨膜运输，改变水
孔蛋白的基因表达可改变细胞膜的透水能力
(Siefritz等2002；Aharon等2003)，引起叶肉细
胞原生质体的体积变化和膨胀(Ding 等 2004)。
Huang等(2002)用水孔蛋白的探针从分子水平上证
图2 HgCl2对FC诱导原生质体膨胀的影响
Fig.2 Effect of HgCl2 on protoplast swelling induced by FC
图3 HgCl2对CD和鬼笔环肽调节原生质体膨胀的影响
Fig.3 Effect of HgCl2 on protoplast swelling regulated by CD and phalloidin
明了蚕豆保卫细胞中存在水孔蛋白，还用水孔蛋
白的抑制剂HgCl2 证明了水孔蛋白参与FC诱导的
蚕豆保卫细胞原生质体的膨胀。本文结果不仅证
明了Huang等(2002)的结论，而且还发现HgCl2可
显著抑制 CD 诱导的原生质体膨胀，对鬼笔环肽
的作用没有明显的影响。HgCl2是水孔蛋白的抑制
剂，可阻止水分穿过膜上水孔蛋白运输，它对CD
和FC的作用可能是通过抑制微丝骨架调节的水孔
蛋白的活性，最终抑制蚕豆保卫细胞中原生质体
的膨胀。而鬼笔环肽稳定微丝骨架(Eun 和 Lee
2000；Hwang 等 1997)，不能调节膜上的水孔蛋
白的活性，因此表现为鬼笔环肽处理后，原生质
体不膨胀；加入 HgCl2 后，对鬼笔环肽的作用没
有影响，这进一步表明水孔蛋白可能通过调节水
分跨膜运输来参与微丝骨架调节的保卫细胞中原生
质体的膨胀。此外，已发现冰草植物细胞的水孔
蛋白活性也受微丝骨架动态变化的调节(Ver a-
Estrella等2004)，这为保卫细胞微丝骨架通过调
节水孔蛋白的活性来调节气孔运动提供了依据。
综上所述，我们认为，FC 诱导的蚕豆叶片
的气孔运动过程可能是：FC首先引起保卫细胞胞
质微丝解聚(Eun 和 Lee 2000；Hwang 等 1997)，
进而调节膜上水孔蛋白的活性，水分进入保卫细
胞，从而促使原生质体膨胀，最终引起气孔运
动。至于蚕豆保卫细胞中哪些水孔蛋白基因参与
气孔运动的调节以及水孔蛋白的活性是否直接受微
丝骨架调节，尚需进一步研究。
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