全 文 ：ABA 信号转运调节的基因表达与源库动力学分析
?
魏开发1
??
, 贾文锁2
(1 漳州师范学院生物科学与技术系 , 福建 漳州 363000; 2 中国农业大学农学与生物技术学院 , 北京 100094)
摘要 : 通过对拟南芥 NCED3、AAO3 及 SDR1 蛋白亚细胞定位分析及根系和叶片 ABA 池的动态库变化研究 ,
结果表明气孔运动的有效 ABA 信号来自于保卫细胞之外 , SDR 与 ABA 前体加工和运输有关。胁迫处理后
根系合成酶基因转录水平显著高于叶片 , 但叶片 ABA 水平是根系的 10 倍以上 , 离体叶片和附体叶片 ABA
含量测定表明 , 叶片 ABA 池的形成主要决定于根源 ABA 的输入。氟啶酮药剂阻断和遮荫实验说明根系
ABA 池受叶源类胡萝素前体供应影响。叶片 ABA 水平受根源 ABA 和叶源类胡萝素前体库双向转运调节 ,
维管束组织系统可能协同和整合了这一复杂调节机制。该结论为逆境 ABA 信号转递机制研究和操纵内源
ABA 含量增强植物抗逆性的应用提供相关资料。
关键词 : ABA 合成酶基因 ; 基因表达 ; 源库动力学 ; SE-CC 复合体 ; 转运调节
中图分类号 : Q 342.3 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 2700 (2009) 04 - 344 - 09
Analysis of Gene Expression and Source-sink Dynamics in
Transportation Regulation of ABA Signal Accumulation
WEI Kai-Fa
1 * *
, J IA Wen-Suo
2
(1 Department of Biological Sciences and Biotechnology, Zhangzhou Normal University, Zhangzhou 363000 , China;
2 Collegeof Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100094 , China)
Abstract : Subcellular localizationof AtNCED3 , AtAAO3 and AtSDR1 proteins, and dynamic changes of ABA levels inro-
ot and leaf were investigated in the present study . Results showed that the guard cellswere not the main site of ABA bio-
synthesis, and SDR might play an important role in ABA precursor processingand transportation . Thetranscription level of
ABA synthasegene in rootswassignificantly higher than that in leaves under dehydration condition, while theABA concen-
tration in leaf tissues were10 times higher than root . Detection of ABA concentration in both detached leaves and attached
leaves suggested that ABA accumulation in leaveswas mainly derived fromroot-sourced ABA , it was confirmed that ABA
synthesis in roots was affected by the supplyof precursor carotenoidswith thefluridonetreatment and shadingexperiments .
These data revealed that ABA levels in leaveswere regulated by root-sourced ABA transportation and leaf-sourced carote-
noids supply . Our present results showed that vascular systemmight be involved in the coordination and integration of this
complex regulatory mechanismfor ABA signal accumulation . Theconclusion provided relevant informationfor exploringmo-
lecular mechanism of stress signal transduction, manipulating endogenous ABA levels, and enhancing plants resistance
against environmental stresses .
Key words: ABA synthase gene; Gene expression; Source-sink dynamics; SE-CC; Transportation regulation
脱落酸 (ABA) 广泛参与植物生长发育、繁殖及胁迫响应等生理过程 , 如果实成熟与种子萌发、
云 南 植 物 研 究 2009 , 31 (4) : 344～352
Acta Botanica Yunnanica DOI : 10 .3724?SP. J . 1143 .2009.09090
?
?? ?通讯作者 : Author for correspondence; E-mail : kaifa-wei@ 163 . com
收稿日期 : 2009 - 05 - 06 , 2009 - 05 - 20 接受发表
作者简介 : 魏开发 (1966 - ) 男 , 博士 , 主要从事植物分子遗传学与基因工程研究。 ?
基金项目 : 福建省自然科学基金 ( B0810040) 、福建省教育厅 A 类科技项目 ( JA08154 ) 资助
蛋白及脂类物质贮藏、长距离胁迫信号传递及抗
逆性提高等 (Mambelli and Setter, 1998; Jia 等 ,
2002b; Ren等 , 2007a)。ABA 生物合成路径中的
酶主要包括 : 玉米黄质环氧化酶 (ZEP) , 9-顺式
- 环氧类胡萝卜素双氧合酶 (NCED) , 短链脱氢
?还原酶 (SDR ) , ABA 醛氧化酶 ( AAO) 和钼辅
硫化酶 (MCSU ) ( Marin 等 , 1996; Schwartz 等 ,
2003 )。 代 谢 酶 主 要 是 ABA-8′羟 化 酶
(CYP707As) 及糖基转移酶 ( Krochko 等 , 1998;
Saito等 , 2004; Umezawa等 , 2006 )。植物各生理
过程中特定 ABA 含量受合成、转运及代谢等精
细调控 , 转运调节在 ABA 信号动态累积中的贡
献研究与合成酶基因及代谢酶基因转录调节研究
一样重要 ( Ren等 , 2007b)。ABA 合成和代谢酶
基因的发育和环境调节研究较多 (Pierce and Ra-
schke, 1981; Ian 等 , 2000; Wang 等 , 2002; Ren
等 , 2007c) , 而转运调节少有研究。转运调节是
一个长距离信号加工和呈递的过程 , 除了受源库
距离、信号分子存量、转运通道性质等影响外 ,
还与胁迫信号感知与处理、系统信号整合与协同
等有关 , 其研究将直接应用于从分子水平定向干
预内源 ABA 信号强度的抗逆基因工程等。转运
调节研究首先要解决的是生物合成酶定位问题 ,
这关系到胁迫激素 ABA 合成场所及转运 , 由于
SDR1 及 AAO3 基因编码产物是催化 ABA 合成的
最后步骤 (Seo 等 , 2000a) , 其蛋白定位可能就
是 ABA 合成部位 , 这些部位与 ABA 信号长距离
传递有关 , 本文从 NCED3、 AAO3 及 SDR1 基因
表达蛋白亚细胞定位开始 , 结合根系 ABA 池及
叶片 ABA 池的动态库变化 , 分析叶片 ABA 信号
积累的动力学特征 , 期望为逆境 ABA 信号转递
机制研究和操纵内源 ABA 含量增强植物抗逆性
应用提供帮助。
1 材料和方法
1 .1 材料
拟南芥种子直接播种于装有花卉营养土、蛭石和细
沙 (2∶1∶1) 的混合土壤的盆中 (15 cm×10 cm)。4℃处
理 3 d 后 , 移至光照 300μmol m- 2 s - 1 , 温度 23℃?20℃ ,
相对湿度 80% , 光照时间 12 h的生长室中。在拟南芥苗
抽苔 1 cm时 , 剪去苔的尖端使次生花生长 , 花蕾显白时
可开始第一次转化 , 间隔一周转化一次 , 共转化三次。
1 .2 方法
1 .2 .1 GUS 融合基因表达载体构建 对 NCED3、
AAO3 及 SDR1 进行生物信息学分析后 , 从拟南芥基因组
克隆启动子 (包括 5′-UTR) 及编码区部分序列 (包括内
含子 ) 插入 pCAMBIA-1391 表达载体 , 构建 GUS 融合蛋
白表达载体 : NCED3 promoter-NCED3 : : GUS, AAO3 pro-
moter-AAO3 : : GUS, SDR1 promoter-SDR1 : : GUS, 引物分别
是: NCED3: 5′- - ?CTGCAGAGCAATCGTGATGGAGGGAAG-3′, 5′- ?ACT-
- ?AGTGGCGGGAGAGTTTGATGATTG-3′; AAO3: 5′-CGA 寒CTGCAGCAA-
GAGAGTATCTAACGATTTCA -3′, 5′-CAG - 籄AGATCTCAAGACCTTCAGAT-
GTAGTAATG -3′; SDR1: 5′- - 辉CTGCAGCAGAACATCATTGTTCAAGCC-3′,
5′- - 糶ACTAGTTGGATTTCCAAAAACATTGCT -3′。 PCR 程 序 为 :
NCED3 : 94℃预变性 5 min, 94℃变性 30 s, 67℃退火 30
s, 72℃延伸 2 min 50 s, 循环次数 24 , 72℃延伸 7 min。
AAO3 : 94℃预变性 5 min, 94℃变性 30 s, 58℃退火 50 s,
72℃延伸 3 min 20 s, 循环次数 24 , 72℃延伸 10 min。
SDR1: 94℃预变性 4 min, 94℃变性 30 s, 57℃退火 50 s,
72℃延伸 2 min 50 s, 循环次数 24 , 72℃延伸 7 min。
1 .2 .2 稳定转化及抗性植株筛选 Floral dip转化与抗
性植株筛选参见 Clough等 (1998) 的方法。
1 .2 .3 GUS染色及 PCR 检测 用 90% 丙酮冰上固定
30 min, 用缓冲液洗涤两次 , 缓冲液比例 : 760μl 50 mmol
L
- 1
NaHPO4 ( pH7 .0 ) : 10μl 50 mmol L - 1 K3 [Fe ( CN)6 ] :
10μl 50 mmol L - 1 K4 [Fe ( CN)6 ] , 染色液为 : 0 . 5 mg X-
gluc: 760μl 50 mmol L - 1 磷酸钠缓冲液 ( pH7 .0) : 10μl 50
mmol L
- 1
K3 [ Fe ( CN )6 ] : 10 μl 50 mmol L - 1 K4 [ Fe
(CN) 6 ] : 10μl 0 .5 mol L - 1 EDTA : 1μl Triton X-100 : 200μl
甲醇。PCR 管每管加 60μl , 可放入 5 株左右的小苗 , 苗
龄最好在 5～9 d, 低龄小苗不需加负压 , 半小时即可显
色 , 一般染色 5～6 h即可 , 不可染色太久。苗龄较大或
成株需加负压 2 min, 用 70%酒精脱色数小时 , 显微镜下
观察 GUS 染色部位及着色深浅。
1 .2 .4 胁迫处理 短期干旱胁迫处理 : 用锋利刀片沿
叶柄基部切下叶片 , 在室温、自然气流条件下失水至原
鲜重的 70% , 后密封在 100% 湿度条件下以阻止叶片的
进一步脱水 , 叶片脱水胁迫并温育不同时间后取样 , 进
行基因表达分析或测定 ABA 含量。长期干旱胁迫处理 :
植株培养 3 周后停止浇水 , 当发现叶片萎蔫后 , 将整体
植物密封在 100 %湿度的有机玻璃生长室中以阻止叶片
的进一步脱水。植株在拟南芥生长室中继续生长 , 不同
时间后取样 , 进行基因表达分析或 ABA 含量测定。
1 .2 .5 氟啶酮对离体根系及叶的处理 离体拟南芥根
系及叶用 50μmol L - 1 的氟啶酮 (fluridone) 真空渗透处理 ,
温育 30 min, 随后进行干旱处理 , 处理方法同 1.2 .4 , 再
进行 ABA 含量测定。
1 .2 .6 基因表达半定量 RT-PCR 分析 RNA 提取采用
5434 期 魏开发和贾文锁 : ABA 信号转运调节的基因表达与源库动力学分析
QIAGEN 公司 RNeasyPlantMinikit, cDNA 合成采用 Promega
公司的 M-MLV Reverse Transcriptase (M1701)。基本程序如
下 : 取 1μg RNA , 加 1μg Oligo ( dT) 15 , 70℃热激 5 min,
之后加入 5μl M-MLV buffer, 1 . 25μl dNTP Mix, 1 μl M-
MLV , 0. 6μl RNase inhibitor, 采用 25μl 反应体系 , 37℃反
应 1 h。反应完毕后将 cDNA 产物稀释 4 倍 , 取 2μl 为底
物 , 用扩增 Actin2 基因 cDNA 片段的引物进行 PCR 反应 ,
循环数应控制在使所有底物均以对数形式扩增的范围之
内。根据扩增产物的量将各样品的 cDNA 进一步稀释成
相同的浓度 , 使得取 2μl 样品 , 以 Actin2 引物扩增 35 个
循环时 , 仍处在对数扩增的范围内。以 Actin2 基因的扩
增量为内标 , 扩增目标基因的 cDNA 片段 , 目标基因扩
增 35 个循环 , 对不同样品中基因片段的扩增量进行比
较。PCR 相 关 引 物 为 : ZEP: 5′-ATTTGACGGTTGGT-
GCGACA-3′, 5′-CTCTCATTCTTCCTCGTCGATTT -3′; NCED3:
5′-CAACGGAGCTAACCCACTTCA-3′, 5′-ACCCTATCACGACG-
ACTTCATCT-3′; SDR1: 5′-AGGGATAGGTGAGAGCATTGTTC -
3′, 5′-CGCTACATCATCAACCGTCAGT -3′; AAO3: 5′-GCTTC-
CTGGCATTTGGTTCTTAT -3′, 5′-TCTTTCGCTCAGCTTCTTCC-
3′; ABA3: 5′-ACCAGTGACCTTATAGCGGATGC -3′, 5′-CGTT-
GGGCCTGATTTATGTGAA -3′; Actin2: 5′-CTTCCCTCAGCA-
CATTCCAG-3′, 5′-CCCAGCTTTTTAAGCCTTTG-3′。PCR 条件
为 : 94℃ 5 min, 94℃ 45 s, 58℃ 45 s, 72℃ 1 min, 35 个
循环 , 72℃ 7 min。
1 .2 .7 Real Time RT-PCR RNA 提取采用 QIAGEN公司
RNeasy Plant Minikit, cDNA 合成采用 Promega公司的 M-
MLV Reverse Transcriptase (M1701 )。Real Time PCR 采用
SYBR Premix Ex Taq试剂盒 ( TaKaRa DRR041S)。PCR 仪
型号 MJR PTC200。所用引物 , ZEP : 5′-ATTTGACGGTTG-
GTGCGACA-3′, 5′-CTCTCATTCTTCCTCGTCGATTT -3′; NCED3:
5′-CAACGGAGCTAACCCACTTCA-3′, 5′-ACCCTATCACGAC-
GACTTCATCT-3′; AAO3: 5′-GCTTCCTGGCATTTGGTTCTTAT -
3′, 5′-TCTTTCGCTCAGCTTCTTCC-3′。PCR 程序 : 95℃ 10
s, 95℃ 5 s, 58℃ 20 s, 40 个循环。Real TimePCR 结果分
析采 用 2-△CT 方法 , 以 Actin2 做 为 参照 基 因 ( Pfaffl,
2001)。
1 .2 .8 ABA 含量测定 ABA 测定采用放射免疫分析方
法。测定的基本程序参照 Quarrie等 (1988) 的方法。实
验的基本程序如下 : 叶片取样后液氮速冻 , 冰冻干燥后
磨成干粉。取 50 mg干粉加 0.5 ml 蒸馏水 , 在 4℃下震荡
24 h, 13 000 r min- 1 离心 15 min后取上清测 ABA 含量。50
μl ABA 提取液 , 加 250μl 磷酸盐缓冲液 ( pH6 .0) , 100μl
ABA 抗体工作液及 100μl 3 H-ABA , 放射强度为 2 000
dpm, 混合后在 4℃下反应 45 min, 结合态的 3 H-ABA 用
50%饱和硫酸氨沉淀后 , 用 100μl 蒸馏水溶解。加 1 .5μl
闪烁液 , 充分混合后 , 用液体闪烁谱仪测定放射强度。
根据 ABA 标准回归曲线计算 ABA 浓度。
2 结果与分析
2 .1 MNCED3、 AAO3 及 SDR1 基因表达和蛋白
定位分析
基因表达调控决定于启动子的特性 , 蛋白质
定位及 功能 与信 号肽 有关 , 基于 对 NCED3、
AAO3 及 SDR1 启动子基序和蛋白序列信号肽分
析结合启动子功能研究 (魏开发 , 2009a) , 构建
如图 1 所示的表达载体。
NCED3 promoter-NCED3: : GUS对拟南芥的稳
定表达显示 , 关键酶基因 NCED3 主要在叶片叶绿
体 (图 2: e)、维管束及根系表达 (图 2: h) , 其
中根尖表达水平最高 (图 2: g) , 显示 NCED3 在
图 1 NCED3 promoter-NCED3: : GUS、 AAO3 promoter-AAO3: : GUS 和 SDR1 promoter-SDR1: : GUS 融合基因表达载体构建
Fig . 1 Construction of GUS fusion gene expression vector of NCED3 promoter-NCED3: : GUS,
AAO3 promoter-AAO3: : GUS, and SDR1 promoter-SDR1: : GUS
643 云 南 植 物 研 究 31 卷
图 2 NCED3、AAO3 和 SDR1 蛋白亚细胞定位
a . 非转基因叶片保卫细胞 ; b . NCED3 在保卫细胞中表达 ; c . AAO3 在保卫细胞中表达 ; d . 非转基因叶片组织 ; e .
NCED3: : GUS在叶绿体中表达 ; f . AAO3: : GUS 在细胞质中表达 ; g . NCED3: : GUS 在根尖表达 ; h . NCED3: : GUS 在
维管组织中表达 ; i . SDR1 : : GUS 在维管组织中表达 ; j . AAO3: : GUS 在维管组织中表达
Fig . 2 Subcellular localization analysis of NCED3 , AAO3 and SDR1 proteins
a . guard cellsof non-transgenic leaf; b . NCED3: : GUS expressed in guard cells; c . AAO3: : GUS expressed in guard cells; d . non-
transgenic leaf tissue; e . NCED3: : GUS expressed in the chloroplasts; f . AAO3: : GUS expressed in the cytoplasm; g . NCED3: :
GUS expressed in the root tip; h . NCED3: : GUS expressed in thevascular tissue; i . SDR1 : : GUS expressed in the vascular tissue;
j . AAO3: : GUS expressed in thevascular tissue
胁迫信号感知、根系胁迫信号起源及根源 ABA
积累方面的重要作用。 NCED3 promoter-NCED3: :
GUS在保卫细胞的表达水平 (图 2: b) 较周围叶
肉细胞及根尖细胞低 , 说明保卫细胞能合成部分
ABA , 但 ABA 水平远低于周围细胞及根尖组织。
AAO3 promoter-AAO3: : GUS 在维管束 ( 图 2:
j)、叶肉细胞 (图 2: f) 及保卫细胞 (图 2: c)
中表达 , 表达部位与 Koiwai 等 ( 2004 ) 的研究基
本吻合。 AAO3 在叶肉细胞质中的高表达 , 显示
其在 叶源 ABA 形 成 过 程中 的 贡 献 ( Seo 等 ,
2000b)。 AAO3: : GUS 在保卫细胞中的低水平表
达 , 与周围叶肉细胞中 AAO3: : GUS 融合基因表
7434 期 魏开发和贾文锁 : ABA 信号转运调节的基因表达与源库动力学分析
达水平形成鲜明对照 , 保卫细胞中 AAO3 的低水
平表达也得到 Christmann等 (2005) 的研究结果
支持。结合前述 NCED3 在保卫细胞中的表达水
平 , 得到与 Weiler等 ( 1982) 相似的结论 , 即保
卫细胞能合成部分 ABA。但相对于周围叶肉细
胞 ABA 水平 , 保卫细胞自身合成的 ABA 不足以
调节气孔的完全关闭 , 作者观察到叶片或是内源
或是外源 ABA 水平的大幅变化才导致气孔彻底
关闭进一步佐证了这一观点。Melhorn等 ( 2008)
的 AtNCED3: : GFP 和 AAO3: : GFP 表达盒在剥离
表皮 气孔 中 表达 致气 孔 开度 减 少到 66% 和
86 .3%的实验证据也表明 , 调节气孔运动的有效
ABA 信号来源于保卫细胞之外。
NCED3: :GUS 及 AAO3: : GUS 在维管束系统
的高水平合成 , 说明处于长距离物质转运通道上
的 NCED3 及 AAO3 在叶片 ABA 积累过程中的贡
献 , 这一结论也受到 AAO3 在韧皮部伴胞细胞和
木质部薄壁细胞精确定位 ( Christmann等 , 2005)
研究的支持。作者通过维管束组织特异性启动子
驱动 NCED3 及 AAO3 的 RNA 干扰显示 , 胁迫条
件下转基因叶片 ABA 水平与非转基因叶片相比
没有太大的变化 ( 另文发表 ) , 说明维管束组织
中 NCED3 和 AAO3 的酶活对保卫细胞外 ABA 流
形成的重要性 , 即维管组织在 ABA 合成、ABA
前体加工中起重要作用。
SDR1: : GUS 只在维管系统中表达 ( 图 2:
i) , 其表达水平不受脱水影响 , 显示 SDR1 独特
的基因表达调控方式。 SDR1 是一个大的基因家
族 , 一直被认为功能相对单一 , 作用就是将黄质
醛转化为 ABA 醛 (Cheng等 , 2002) 。胁迫条件下
SDR1 在维管束组织中表达量不高 , 但不能说明
其酶活不高 , SDR1 对脱水胁迫条件下 ABA 生物
合成不构成瓶颈效应 , 显示其对 ABA 流的推动
作用 , ABA 合成酶基因 SDR1 不在细胞质中表
达 , 说明维管组织在叶片 ABA 积累中的重要性 ,
即 SDR1 不仅与 ABA 前体加工有关 , 还与 ABA
前体转运有联系。
2 .2 胁迫条件下 ABA 池的形成
脱水处理后 , 叶片中 NCED3、 AAO3 及 ABA3
均上调表达 , SDR1 不受脱水胁迫影响 , ZEP 基
因转录水平在叶片中也没有明显变化 , 但在根中
ZEP 受脱水诱导明显增强表达 , 且 NCED3 及
AAO3 在根中的表达水平也均高于脱水诱导的叶片
表达水平 (图 3: a) , 说明胁迫条件下 , 合成酶基
因在根和叶片中存在不同的表达模式。
研究中还观察到根部 NCED3 基因转录较叶
片早 , 表明根尖对水份胁迫信号快速感知之后首
先触发的是根系 NCED3 的转录 , 开启根源 ABA
的合成 , 这和 Jia 等 ( 2002a) 胁迫条件下根部
ABA 合成的触发较叶片敏感结论相同。胁迫信
号感知后合成的根源 ABA 是否作为早期信号启
动叶片 ABA 的生物合成呢 ? 作者的根系3 H-ABA
饲喂实验 , 显示绝大部分外源 ABA 转运到叶片 ;
NCED3 启动子区域 ABA 基序 (ABRE) 的存在表
明 NCED3 可被终产物 ABA 反馈调节 ; 作者在
NCED3 雌二醇 诱导的基 因表达体系 中发现 ,
NCED3 基因高表达提升的内源 ABA 水平正反馈
调节了合成酶基因的表达 (魏开发等 , 2009b)。
由此作者认为根源 ABA 流首先作为长距离信号
转运到叶片 , 启动了叶片 ABA 生物合成进程 ,
正反馈调节叶片 ABA 信号积累 , 同时通过负反
馈调节限制特定生理过程的 ABA 水平上限及效
应时长 , 实现 ABA 池的精细调节。
Real time RT-PCR 研究结果表明 , 脱水胁迫
下 , ZEP、 NCED3 及 AAO3 等合成酶基因在根系
的转录水平明显高于叶片 ( 图 3: b)。一般情况
下 , 根系因合成酶基因的高表达 , 应在根系形成
ABA 高池 , 但干旱处理后 , 根系 ABA 水平只提
升到 850 pmol g- 1 FW 左右。相反 , 拟南芥未脱
水叶片 ABA 含量为 250 pmol g- 1 FW, 脱水处理
的叶片 ABA 累积可增加 10 倍以上 , 远高于胁迫
条件下根系 ABA 水平 (图 3: c)。逆境条件下 ,
叶片形成 ABA 高池 , 根系形成 ABA 低池。叶片
ABA 高池的形成 , 是由于叶片 ABA 合成受多级
调控 , 特别是根系因合成酶基因协同加速 , 形成
持续的 ABA 输出能力的作用结果。这种很大的
势差只有靠转运调节才能维持 , 本结论得到 Ber-
trand等 (1992) 实验证据的支持。
2 .3 转运调节与 ABA 池的动态控制
离体叶片脱水处理 4 h后 ABA 含量达到最大
值 ( 图 4: a) , 随着处理时间的延长 , ABA 水平
迅速下降。而对整株植株长期干旱处理 , 随着干
旱进程的推进 , ABA 含量迅速上升 , 6 天后 ABA
含量达到最高水平 , 在随后的时间中 , 该水平始
843 云 南 植 物 研 究 31 卷
终维持在相对稳定的状态 ( 图 4: b)。比较离体
叶片和附体叶片 ABA 积累动态 , 不难看出根系
存在对叶片 ABA 累积的重要性。由于有根系
ABA 池的持续供应 , 叶片 ABA 池依靠包括转运
调节在内的多种方式实现 ABA 水平的精细调节 ,
保持特定生理过程中 ABA 水平的动态平衡。根
源 ABA 包括其它维管束组织合成的 ABA 随着蒸
腾流运输到保卫细胞 , 被质膜上的受体 ABAR 等
识别而调控气孔的关闭 ( Razem等 , 2004; Shen
等 , 2006 )。ABA 转运调节在胁迫条件下叶片
ABA 高池形成中起了重要作用 , 并通过影响
ABA 合成和代谢速率 , 实现特定生理过程 ABA
动态库水平控制 , 在 ABA 自我催化合成、形成
胁迫诱导的叶片 ABA 高池、提高植物逆境快速
应变能力方面发挥作用。
胁迫条件下根系 NCED3 基因的高水平表达、
合成酶基因的协同加速 , 需要类胡萝卜素前体的
持续供应。叶片 ABA 池能保持动态稳定 , 是因
有庞大的“类胡萝卜素前体库”支持 ( Li and
Walton, 1987; Parry 等 , 1990 ) , 叶片类胡萝卜素
前体即 9- cis-violaxanthin 和 9′- cis-neoxanthin 的含
量要比 ABA 高出 200 倍左右 , 可是根部类胡萝
卜素前体库水平较低 , 显然胁迫诱导 的根部
ABA 池形成会受到限制。对叶黄素合成药剂阻
断实验发现 , 与离体叶片相比离体根中 ABA 积
累对叶黄素合成抑制剂氟啶酮处理更为敏感 , 在
大约 1 h时 , 氟啶酮处理就明显减少了 ABA 的积
累 , 这说明离体根中的前体库不能维持 ABA 较
长时间的积累 (图 4: c) , 而几天内附着根中的
ABA 积累却能维持在一个稳定的水平。氟啶酮
处理后离体叶片 ABA 池快速下降 , 显示胁迫条
件下 , 叶源 ABA 对 ABA 池的贡献 , 同时 , 由于
根源 ABA 的输入被切断 , 加上叶黄素生物合成
受到抑制 , 叶片 ABA 水平下降速率更快 ( 图 4:
d) 。避光处理 48 h或 72 h也会减少根中 ABA 的
积累 ( 图 4: e) , 这与 Setter 等 ( 2001 ) 结论相
似。由此 , 要维持胁迫诱导的根系 ABA 池水平 ,
ABA 前体物包括类胡萝卜素向根部的转运就必
不可少。
根系 ABA 池受逆境上调并接受叶源类胡萝
素前体输出形成持续的根系 ABA 动态库 , 结合
前述根系和叶片合成酶基因的不同表达模式 , 并
9434 期 魏开发和贾文锁 : ABA 信号转运调节的基因表达与源库动力学分析
未在根系形成 ABA 高池 , 相反 , 由于前体库的
持续支持 , 使得叶片 ABA 池有了维持动态平衡
的基础。由此 , 转运调节不仅涉及根系 ABA 池
向叶片的运输 , 还包括叶源类胡萝素前体库向根
系的转移。目前 , 单向转运的机制和双向转运的
协同都不清楚。
3 讨论
特定生理过程的 ABA 信号水平受合成、代
谢及转运等调节。如同在 ABA 合成和代谢酶基
因调控体系中寻找信号组份以建立逆境信号转导
网络一样 ( Xing 等 , 2003; Xing and J ia, 2007;
Choi , 2007) , 转运调节的机制探讨同等重要。
胁迫处理前后叶片及根系 ABA 水平的变化
不能从合成酶基因单基因转录水平得到解释 , 因
为转录水平的差异不能反映 ABA 池水平的改变 ,
其中既存在合成酶基因的协同加速 , 也存在转运
调节和代谢速率变化的影响 , 或者说 , ABA 水
平的动态维持依赖 ABA 合成速率、代谢速率及
转运速率之间的有机统筹 , 特别是在 ABA 信号
的形成和解除过程中 , 突显这一机制的重要性。
源库端筛管伴胞复合体 (SE-CC) 对溶质和
大分子物质在伴胞细胞和叶肉细胞转运中起重要
作用 , 这种作用包括监控进出韧皮部物质的性
质、控 制 进 入 筛 管 物 质 的 装 载 量。 NCED3、
AAO3 和 SDR1 基因表达分析 , 特别是 AAO3 在韧
053 云 南 植 物 研 究 31 卷
皮部伴胞细胞和木质部薄壁细胞的精确定位 , 显
示 ABA 合成和装载在伴胞细胞和木质部薄壁细
胞中可能受到调控 , 推测维管组织在渗透胁迫监
测、ABA 合成、ABA 转运等方面起“调度中心”
的作用。同时 , 木质部汁液及 pH 作为一个辅助
信号有助于强化 ABA 信号的效应 , 参与 ABA 对
气孔导性的调控 ( Borel 等 , 2001; Jia and Davies,
2007) , 根源 ABA 信号在木质部运输过程中质子
的游离及土壤氮素的补充会造成木质部汁液的碱
化 ( Leydecker 等 , 1995; Jia 等 , 1996 ) , 而影响
ABA 由木质部及叶肉细胞向保卫细胞的转运。
合成酶基因蛋白定位研究提示 , 质体中 ABA 前
体存在跨膜进入细胞质的短途转运 , 其调控机制
不明。伴随根源 ABA 向叶片 ABA 高池转运的同
时 , 根源 ABA 前体也可能加入了向叶片长距离
转运的过程中 , 在维管组织完成了 ABA 合成 ,
维管组织中高酶活的 SDR1 等 ABA 合成酶充当了
“动力泵”的作用。
NCED3、 AAO3 和 SDR1 基因表达研究、胁
迫条件下合成酶基因表达模式及叶片和根系
ABA 积累动力学特征研究显示 , 转运调节与根
系 ABA 合成速率、维管组织 ABA 转运和装载、
叶片与根系 ABA 池大小探测甚至胁迫信号感知
后的系统信号统筹等密切相关。基因 表达与
ABA 源库动力学两方面的实验证据相互印证 ,
强烈揭示转运调节在 ABA 信号控制中的重要作
用 , 其中处于支配地位的可能是维管组织系统 ,
或者说维管组织系统协调和整合了合成酶基因和
代谢酶基因的表达及 ABA 的转运调节 , 实现了
特定生理过程中的 ABA 动态库的精细调控。只
有提高 ABA 源或库的大小 , 并提升 ABA 信号的
转运效率才能有效操纵内源 ABA 水平 , 提高植
物抗逆性 (Audran 等 , 1998; Qin等 , 2002; Yang
等 , 2008; Xiong 等 , 2003; Saito 等 , 2006; Yang
等 , 2006 , 2008 )。而维管组织系统作为 ABA 信
号水平控制的监测和调度中心 , 其信号系统的关
联、信号的整合等急需研究。
〔参 考 文 献〕
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