异三聚体G蛋白调控的离子流动参与了细胞外ATP调控的拟南芥气孔运动

摘要

气孔运动关系到植物与外界环境气体和水分的交换，气孔运动的调节机理是植物生理学研究的重要内容。细胞外ATP（extracellular ATP，eATP）作为一种信使分子，通过其特定的信号转导机制参与细胞代谢、生长和发育过程的调控。本文研究了eATP对气孔运动的影响，并对其信号转导过程中可能的信号传递组分进行了探索。
　　 我实验室已经完成的研究结果显示，eATP能够作为信使分子促进拟南芥气孔开放，保卫细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）在eATP信号转导过程中发挥介导作用，异三聚体G蛋白α亚基参与了eATP诱导ROS合成、促进气孔开放的过程。但是，对于eATP信号转导过程中活性氧下游的生理变化还不清楚，异三聚体G蛋白其他两个亚基（Gβ、Gγ）在eATP调节气孔运动的信号转导过程中是否发挥作用也不清楚。因此，本文以拟南芥野生型、异三聚体G蛋白基因缺失突变体和超表达株系、活性氧合成的关键酶—NADPH氧化酶的基因缺失突变体为材料，采用表皮条生物分析、激光共聚焦显微技术、非损伤微测技术对异三聚体G蛋白和ROS在eATP调节保卫细胞Ca2+流和H+流的过程中发挥的作用进行了探索。结果表明：
　　 异三聚体G蛋白β、γ亚基基因缺失突变体在外加ATP处理之后，气孔开度明显增大，突变体及其野生型气孔对eATP刺激的反应没有明显差异；ATP处理后，野生型和突变体保卫细胞内ROS含量都有显著升高。这些结果显示，Gβ、Gγ可能不参与eATP诱导胞内ROS升高、促进气孔开放的过程。
　　 为进一步探索eATP调节气孔运动的生理机制，我们利用非损伤微测技术测定了eATP处理后拟南芥保卫细胞Ca2+流和H+流的动态变化。结果显示，在eATP处理之后，保卫细胞跨膜Ca2+内流增加；在Gα基因缺失突变体中，外加ATP对Ca2+流没有产生明显的影响，而在Gα基因超表达株系中，Ca2+内流显著增强，Gβ、Gγ基因缺失突变体Ca2+流对eATP刺激的反应与野生型没有明显差异。在NADPH氧化酶的基因缺失突变体中，eATP处理几乎没有引起Ca2+流的变化。这些结果表明，eATP可能通过活性氧促进钙离子内流促进气孔开放，在此过程中，Gα起到了重要的介导作用，而Gβ、Gγ未参与其中。
　　 H+流检测的结果显示，eATP处理引起保卫细胞跨膜H+外流增加。在NADPH氧化酶的基因缺失突变体中，eATP处理没有引起H+流的变化。在Gα基因缺失突变体中，外加ATP对H+流几乎没有影响，而在Gα基因超表达株系中，H+外流明显增强；Gβ、Gγ基因缺失突变体与野生型之间没有明显差异。这表明eATP可能通过ROS激活细胞质膜质子泵、促进细胞向外排放H+离子，并最终促进气孔开放程度加大。在此过程中，Gα可能参与了信号转导过程，而Gβ、Gγ未参与。