全 文 ：第 25卷　第 3期　　　　　　　　　　　　　植　　　物　　　研　　　究 2005年　7月
Vo .l 25　No. 3　　　　　　　　　　　　BULLETIN OF BOTAN ICAL RESEARCH July, 　2005
基金项目:国家自然科学基金项目(30470166);国家重点基础研究发展规划项目(G19990160);黑龙江省自然科学基金项目(C0233);
东北林业大学优秀青年教师创新项目
第一作者简介:于景华(1972— ),男 ,副教授 ,主要从事植物分子生态学研究工作。
*　通讯作者 Au th or for correspondence　E-m ail:zygorl@pub lic. hr. h .l cn
收稿日期:2005 - 03 - 07
外源喜树碱对植物叶片气孔导度的影响
于景华　刘士刚　祖元刚*
(东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室 , 哈尔滨　150040)
摘　要　前人研究表明 ,保卫细胞微管系统在气孔运动中起到重要作用:保卫细胞质膜上内向 K+
通道的正常活性有赖于微管的正常解聚 /聚合的动态变化 ,微管系统可能通过调节保卫细胞 K +通
道而控制气孔运动 ,即微管解聚导致内向 K +通道关闭 ,保卫细胞无法因膨压调节吸收水分而抑制
气孔开放。有学者认为 ,喜树碱或其类似物能够与微管蛋白结合 ,并降低微管结构稳定性 ,其机制
则可能是抑制细胞高分子量微管结合蛋白对微管组装的辅助作用 ,但这方面的实验证据相对匮
乏 。因此 ,为了进一步研究喜树碱的生态生物化学功能 ,我们采取叶面喷施喜树碱和 PEG模拟干
旱诱导气孔关闭的方法 ,研究了外源喜树碱对喜树幼苗气孔导度的影响 ,同时以没有内源喜树碱
的烟草为实验材料进行了对照研究 。研究结果表明:0. 011 5mmol L -1的喜树碱水饱和溶液对
喜树和烟草幼苗叶片气孔导度的影响规律一致 ,均表现出明显的抑制气孔开放的效果 ,这为喜树
碱与微管蛋白结合提供了部分证据 。
关键词　喜树碱;喜树;烟草;气孔运动
Spray Camptothecin mi pact the stomatalm ovem ent of leaves of p lant
YU Jing-Hua　LIU Shi-G ang　ZU Yuan-G ang*
(Key labo ra to ry o f Fore st P lan t Ecology, Northeast Fo restry Un ive rsity, M inistry of Educa tion, Harbin　150040)
Abstract　Some researche rs suggested that the m icro tubule has an impo rtant effect on stoma tal move-
men.t The K
+
channe l activity o f cy toplasm ic membrane of guard ce llw as dependent on po lymerization
and depo lymerization mobile changed o f m icro tubule. M icro tubule system may con tro l stomata l move-
ment induced by regula ting the K
+
channe l o f guard cel.l M icrotubu le d ispo lymeric leads to the K
+
channe l closed. G uard cell could not absorb w ater so that itw ill inh ib it stoma ta open. Some scho la rs re-
garded tha tC ampto thecin(CPT) and its analogue could associate w ithm icrotubu le, reduce the structure
stability of m icro tubule. Themechanism maybe inhibit highmolecu le w eigh tm icro tubu le associated pro-
tein to associate w ithm icro tubu le. Bu tw e w ere sho rt of the deep p roofs of study ing the eco log ical bio-
chem istry function o f CPT;we w ere spray ing 0. 011 5mmol L -1 CPT so lution on leaves and used
10% PEG 8000 solution to stimula te drought stress. The research resu lts ind ica ted that sprayed
0. 011 5mmo l L -1 CPT solution and 10% PEG8000 cou ld induceCamptotheca acum inata andN icotiana
tabacum seedling s stom atal to c lo se. W e suggested that CPT cou ld associa te w ith m icrotubu le, induce
stom ata lmovemen.t
Key words　Camptothecin;Camptotheca acum ina ta;N icotiana tabacum;stoma talmovemen t
喜树碱 (Camptothecin, CPT)是最初从我国特
有树种喜树(Camptotheca acum inata)中提取到的一
种生物碱 ,由于其能够抑制 DNA拓扑异构酶 I(TOP
- I)活性而起到抗癌作用 [ 1, 2] 。目前对喜树碱生态
生物化学作用的研究仅限于其对作物种子发芽的影
响 ,其对不同物种种子发芽的影响效果并不一致 ,外
源喜树碱对这些作物发芽影响的机制也不明确。
我们在前期研究喜树碱提取物对外来植物种
生长影响中发现 ,可抑制外来植物生长甚至导致其
死亡 ,根据喜树碱与 TOP - I结合抑制细胞分裂的
原理还很难解释这种现象。保卫细胞微管系统对
气孔运动有重要意义 [ 3] 。有人推测 , 喜树碱能够
与微管蛋白结合并导致微管解聚[ 4] , 但缺乏实验
证据。为此 ,我们通过外源喜树碱对气孔运动的影
响 ,间接研究喜树碱与微管蛋白结合的可能性 。
1　材料和方法
1. 1　植物材料
在人工气候箱内采用水培法培养喜树与烟草
幼苗 ,每天浇 1 /2 Horg land培养液 , 光周期 12 h /
12 h , 白天光强 500 μmmol m -2 s-1 , 温度为
30 /25℃,相对湿度 50% ～ 70%。至喜树和烟草幼
苗长出 7 ～ 8片真叶时进行实验处理 。
1. 2　气孔导度测定
选取生长状况较一致的喜树幼苗与烟草幼苗
同时进行以下四组处理:A1和 A2组根系浸泡于
培养液中 , A 1组在实验开始前对叶片上下表面喷
蒸馏水 , A2组喷施 0. 011 5mmol L - 1喜树碱水溶
液;B1和 B2组根系浸泡在 10% PEG8000溶液中 ,
B1组在实验开始前叶片上下表面喷蒸馏水 , B2组
喷施0. 011 5mmo l L -1喜树碱水溶液 。
实验在上午 9:00进行 ,此时气孔正处于逐渐
开放状态 ,处理前 (0 h)取样 ,按照上述分组方法同
步进行实验处理 ,在处理后 0. 5、1、2、4、6、8、10、12、
14、16、18、20、22、24 h分别在 1 000μmo l m -2 s-1
光量子效率下使用 LI— 6400光合测定系统测定叶
片的气孔导度 (stoma tal conductance),每次每组各
取 5个成熟叶片分别 3次重复测定 ,所有数据取平
均值并计算标准误差 。实验处理至 11 h(20:00)时
关闭气候箱光源 [ 5] 。
2　结果和讨论
2. 1　外源喜树碱对喜树幼苗叶片气孔导度的影响
外源喜树碱对喜树幼苗叶片气孔导度的影响
体现在气孔开放和气孔关闭两个方面 (图 1)。不
同处理组在处理到 30m in时气孔导度都表现为上
升的趋势 ,升幅大小的顺序依次为喷施 H2O、喷施
CPT、PEG胁迫和 PEG胁迫同时喷施 CPT,即 A1>
A2>B1>B2。各处理开始时气孔正处于逐渐开放
状态 , PEG胁迫和外施喜树碱水溶液都在一定程
度上抑制了气孔导度的升高即气孔的开放 , PEG胁
迫时叶面喷水处理相对抵消了一部分干旱胁迫的效
果 ,使其气孔导度增幅明显高于外源喜树碱和 PEG
的共同处理 。到实验处理 1 h时 ,所有处理组气孔导
度均开始下降 ,在 PEG胁迫的两个实验组 ,实验处
理至2 h时 ,喷施喜树碱的处理组与未喷施组的气孔
导度达到较一致的状态 ,气孔接近完全关闭 ,此后外
施喜树碱对气孔导度的影响基本消失 ,气孔导度下
降到最低点;非 PEG处理的两个实验组(A1和 A2)
则在11 h时因进入无光处理 ,气孔导度在处理到12 h
时降到最低点 ,外源喜树碱一直在发挥作用。因此 ,
从气孔导度的变化 ,我们可以得出喜树碱影响喜树
图 1　喷施喜树碱对喜树叶片气孔导度的影响
F ig. 1　E ffect o f CPT so lu tion changes in the stom a
conduc tance ofCamptotheca acum inata
图 2　喷施喜树碱对烟草叶片气孔导度的影响
F ig. 2　Effe ct of CPT so lution change s in the stom ata l
conduc tance ofN icotiana tabacum
3053期 于景华等:外源喜树碱对植物叶片气孔导度的影响
叶片气孔运动的结论 。相对气孔关闭而言 ,虽然外
施喜树碱与对照相比气孔导度一直较低 ,但外源喜
树碱对气孔开放的抑制效果更加明显 。
2. 2　外源喜树碱对烟草幼苗叶片气孔导度的影响
外源喜树碱对烟草幼苗叶片气孔导度的影响
(图 2)与对喜树幼苗叶片的气孔导度的影响相似。
不同处理组在处理到 30 m in时气孔导度也都表现
出上升的趋势 ,升幅大小的顺序与对喜树幼苗的处
理类似 ,即 A1>A2>B1>B2,但 A1与 B1之间有
较大差距 , B1与 B2之间的差距则较小 ,即外源喜
树碱对喜树幼苗气孔运动的抑制效果要强于烟草。
2. 3　外源喜树碱抑制气孔开放的可能机制
气孔孔径受到环境条件和细胞内因素交互作
用的调节[ 6] ,保卫细胞内的微管骨架在气孔运动
中起到重要的调节作用 , Ca2+等信号分子与微管之
间可能相互影响 ,微管成为气孔运动机理研究中的
重要领域之一[ 7, 8] 。研究表明:保卫细胞质膜上内
向 K +通道的正常活性有赖于微管的正常解聚 /聚
合的动态变化 ,因此 ,微管系统可能通过保卫细胞
K
+通道调节气孔运动 [ 3] ,即微管解聚导致内向 K+
通道关闭 ,保卫细胞无法因膨压调节吸收水分而抑
制气孔开放 [ 8] 。
抗微管类药物如秋水仙碱 (co lchicine)、戊炔
草胺(propy zam ide)、甲基胺草磷 (APM)以及氨磺
乐灵(oryzalin)等被用于研究微管对气孔开放的调
节 ,这些微管骨架解聚类药物能够抑制微管二聚体
动态加到微管上 [ 9] 。 Fukuda等发现 ,戊炔草胺处
理的保卫细胞无法响应白光诱导而开放气孔 ,证明
微管对保卫细胞的功能是必要的[ 10] ,黄荣峰等使
用细胞骨架抑制剂也得到了相同结论 [ 11] 。 A dam
I. M a rcus等发现 ,被 GFP标记的微管结合蛋白由
于其结构域受到影响而无法指导微管组配 ,因此与
抗微管类物处理相似 ,气孔都无法打开 ,其原因是
抑制了细胞膜质子泵的活性 [ 8] ,而质子泵活性受
抑制必然导致内向 K+通道活性降低 。
有学者认为 ,喜树碱或其类似物能够与微管蛋
白结合 ,并降低微管结构稳定性 [ 4] 。例如喜树碱
能够抑制动物细胞高分子量微管结合蛋白 (HMP)
对微管组装的辅助作用[ 11] ,但机制不明确 ,这项研
究暗示喜树碱也能够通过抑制 HMP与 MTs的结
合而最终影响气孔运动 。我们的研究结果进一步
表明 ,喜树碱可能通过与微管蛋白结合 ,抑制微管
结合蛋白对微管组装的辅助作用以及其它可能机
制 ,导致保卫细胞内微管装配授抑 ,并表现出微管
解聚的效果 ,抑制了保卫细胞内 H +在气孔开放过
程中的外流 、内向 K +通道关闭 ,由于苹果酸也需
要在相对较高的 pH值下才能大量合成 ,最终抑制
了保卫细胞通过膨压调节吸收水分 ,气孔导度升幅
因而降低。
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