EEB、哥本哈根大学：NMT验证干旱胁迫促大麦叶片ABA增加调节保卫细胞排钾吸钙介...

ABA通过影响保卫细胞内的离子转运来调节气孔运动，但目前还缺乏ABA介导的保卫细胞离子转运动力学的原位测量以及干旱胁迫下其他植物激素参与调节气孔开度的研究。本研究以野生型大麦Steptoe（WT）及其相应ABA缺陷型大麦突变体Az34为材料，用10%聚乙二醇（PEG）6000处理0、2、4、24 h或9 d，模拟短期和长期干旱胁迫。采用非损伤微测技术（NMT）原位检测保卫细胞内K+、H+和Ca2+流速。10% PEG处理2 h后，两种大麦基因型叶片ABA浓度（[ABA]叶）均显著升高，24 h后达到最高。与对照组相比，PEG处理2 h后，两种基因型的Ca2+内流均显著增加，WT在处理4 h后达到最大值。短期干旱胁迫下，WT的[ABA]叶的增加与K+外排速率和Ca2+内流速率的增加以及气孔导度的降低相一致，尽管叶片IAA、GA3和ZR的浓度均在处理4 h时增加。PEG处理24 h后WT中保卫细胞的K+外排明显大于Az34。该结果阐明了ABA在介导保卫细胞离子转运中的作用，从而调节干旱胁迫下大麦的气孔运动。

与对照组相比，PEG处理2 h后，两种基因型保卫细胞的Ca2+内流速率均显著增加，WT在处理4 h后达到最大值（图1a）。PEG暴露后，WT保卫细胞的H+流速随着时间的延长逐渐从外排转为内流，而Az34保卫细胞的H+呈外排趋势（图2a）。两种基因型的保卫细胞K+外排速率在PEG处理的第2、4 h均下降，但在PEG处理的第24 h较对照处理相比有所增加。PEG处理24 h后，WT保卫细胞的K+外排速率明显大于Az34（图3a）。

随着PEG暴露时间的增加，WT叶肉细胞内Ca2+内流逐渐减少，Az34叶肉细胞内Ca2+由内流转向外排（图1b）。PEG处理后，WT中叶细胞的H+流速由外排转为内流，随着PEG暴露时间的增加，H+流入速率逐渐增加。在PEG诱导的短期干旱胁迫下，Az34叶肉细胞的H+内流速率显著增加（图2b）。此外，随着PEG暴露时间的延长，Az34叶肉细胞的K+外排速率增加，24 h后达到最大值，与对照组相比，WT的K+外排速率在PEG处理后24 h明显增加（图3b）。

图1. 短期和长期PEG处理下大麦叶片保卫细胞(a, c)和叶肉细胞(b, d)的平均Ca2+流速。P0和P10表示不加或添加10 %PEG处理9 d的植株。G和P代表基因型和PEG。

图2. 短期和长期PEG处理下大麦叶片保卫细胞(a, c)和叶肉细胞(b, d)的平均H+流速。P0和P10表示不加或添加10 %PEG处理9 d的植株。G和P代表基因型和PEG。

PEG处理后第9 d，WT的保卫细胞Ca2+外排速率明显增加，而Az34的外排速率明显减少（图1c）。PEG处理后第9 d，WT保卫细胞的H+由外排转为内流，而Az34的H+外排速率明显增加（图2c）。PEG处理后第9 d，WT保卫细胞的K+外排速率明显增加，而Az34保卫细胞的K+外排速率无明显变化（图3c）。

PEG处理后第9 d，两种基因型的叶肉细胞Ca2+外排速率均显著增加，WT的叶肉细胞Ca2+外排速率高于Az34（图1d）。与对照相比，PEG处理后第9d，WT叶肉细胞中的H+内流速率显著增加，而Az34的H+流速从外排变为内流，并且WT叶肉细胞中的H+内流速率高于Az34（图2d）。与对照组相比，PEG处理后第9 d，两种基因型的K+外排速率显著增加，WT的K+外排速率高于Az34（图3d）。

图3. 短期和长期PEG处理下大麦叶片保卫细胞(a, c)和叶肉细胞(b, d)的平均K+流速。P0和P10表示不加或添加10 %PEG处理9 d的植株。G和P代表基因型和PEG。

图4. 叶肉细胞K+检测图。

图5. 保卫细胞Ca2+检测图。

• 经PEG处理后，两种基因型的光合速率（An）、气孔导度（gs）和蒸腾速率（Tr）在2和4 h后急剧下降，并在第24 h达到最低水平；在PEG处理9 d后，两种基因型的对照具有更高的An、Tr和Gs。
• 与对照植株相比，两种大麦基因型在PEG处理后第2、4和24 h的WUEint（内在水分利用率）和WUEins（瞬时水分利用率）都有所增加；在PEG处理9 d后，两种基因型的WUEins和WUEint均高于对照。
• 经PEG处理后，两个基因型的叶水势（LWP）和根水势（RWP）在2、4和24 h后显著下降。在处理第9 d，LWP和RWP受到两种基因型和PEG处理的显著影响。无论基因型如何，RWP均受PEG处理的影响而显著降低。两种基因型在没有PEG的情况下生长时都具有相似的LWP。在长期PEG诱导的干旱胁迫下，两个基因型的LWP都被PEG处理显著降低。
• WT的[ABA]叶在PEG处理后的第2和24 h比Az34高。PEG处理后，WT在第4 h观察到[IAA]叶、[GA3]叶和[ZR]叶增加，而Az34在PEG处理后的第2 h [GA3]叶增加。
• 在PEG处理后的第9 d，WT的[IAA]叶明显大于对照。与对照相比，两种基因型的 [GA3]叶在PEG处理后第9 d时显著减少。Az34的[ZR]叶显著增加，而WT的[ZR]叶不受9 d PEG处理的影响。对照处理下，WT的[ZR]叶高于Az34，而长期PEG诱导的干旱胁迫下，WT和Az34的[ZR]叶无显著差异。
  
  

两种基因型的[ABA]叶在PEG处理后第2 h显著增加，第24 h达到最高水平。正如预期的那样，10% PEG胁迫WT的第2和24 h，其[ABA]叶比Az34高。WT的[ABA]叶与对照相比明显增大，而Az34在PEG处理后第9 d则无此现象。PEG处理后24 h，保卫细胞的K+外排速率明显大于Az34。PEG处理后24 h，保卫细胞的K+外排速率明显大于Az34。与对照组相比，两种基因型的Ca2+内流速率在PEG暴露2 h后均有显著增加，WT在处理4 h后达到最大值。短期干旱胁迫下，WT[ABA]叶的增加与K+外排速率和Ca2+内流速率的增加以及气孔导度的降低相一致，但IAA、GA3和ZR的浓度均在处理4 h时增加。此外，叶片叶肉中大量的H+内流可引起质外体碱化，促进木质部ABA向保卫细胞的转运。这些结果为ABA在PEG诱导的干旱胁迫下介导保卫细胞离子转运从而调控大麦气孔运动提供了一些基础性的见解。