氣孔控制葉片內(nèi)部空氣空間和外部大氣之間的氣態(tài)通量。保衛(wèi)細胞決定氣孔孔徑，并且必須運行以確保光合作用的CO₂吸收(A)和水分流失以及最終植物水分利用效率(WUE)之間的適當平衡。A和氣孔導度(gs)之間的強相關(guān)性被充分記錄并經(jīng)常觀察到，但促進這種關(guān)系的潛在機制、可能的信號和代謝物目前尚不清楚。在這篇綜述中，我們評估了當前關(guān)于葉肉驅(qū)動信號的文獻，這些信號可能與葉肉碳同化協(xié)調(diào)氣孔行為。我們探索了包括蔗糖和蘋果酸在內(nèi)的各種代謝物（來自幾個潛在來源；包括保衛(wèi)細胞光合作用）的可能作用，以及新的證據(jù)表明通過操縱保衛(wèi)細胞內(nèi)的蔗糖代謝來改善WUE。最后，我們討論了可用于潛在操縱細胞特異性代謝的新工具和技術(shù)，包括保衛(wèi)細胞和葉肉細胞，以闡明葉肉衍生的信號，這些信號將葉肉CO₂需求與氣孔行為相協(xié)調(diào)，從而提供對這些過程的機械理解因為這可以確定潛在的操作目標，以提高植物WUE和作物產(chǎn)量。

葉肉和氣孔之間的協(xié)調(diào)

gs和A之間的密切相關(guān)性經(jīng)常在CO2濃度和光強度范圍內(nèi)觀察到，最初提出胞間CO2濃度(Ci)有助于維持葉肉光合作用與氣孔孔徑的協(xié)調(diào)（圖1）。Ci不僅取決于氣孔孔徑和從大氣進入葉片的氣體通量，還取決于通過葉肉光合作用消耗的CO₂。光誘導內(nèi)部CO₂(Ci)的光合消耗，從而打開氣孔。因此，Ci協(xié)調(diào)光合響應和葉肉對CO2的需求與氣孔導度是一個有吸引力的假設(shè)。然而，一些研究表明，氣孔對CO2（包括Ci）的響應太小，因此不足以解釋觀察到的響應光的gs相對較大的變化。這一證據(jù)，以及在表皮果皮中氣孔對光和二氧化碳作出反應的觀察結(jié)果，導致了保衛(wèi)細胞本身的直接感知和信號轉(zhuǎn)導的建議。然而，文獻中并沒有達成共識，對于完整的葉子和孤立的表皮，報告的氣孔對光和CO2濃度的反應通常不同。此外，在同一物種中，但在不同的實驗室中，已經(jīng)觀察到氣孔導度變化幅度和速度的差異。由于這些原因，尚未明確建立協(xié)調(diào)和促進光合作用(A)和gs之間密切關(guān)系的潛在機制和信號。

圖1.葉片橫截面示意圖，顯示連接葉肉和保衛(wèi)細胞并影響氣孔行為的可能機制

葉肉信號

有人提出，保衛(wèi)細胞的反應與葉肉光合作用活動的產(chǎn)物有關(guān)，通過一個可擴散的因子，即“葉肉信號"。這一假設(shè)的推動力是葉肉光合能力與gs之間的密切關(guān)系，這是在各種條件下觀察到的。葉肉驅(qū)動信號的想法并不是一個新想法。1954年Heath& Russell提出，有一種間接的化學或電信號從表皮或葉肉細胞傳遞來影響氣孔行為。隨后的研究表明，該信號是光合作用的代謝產(chǎn)物，它平衡了Rubisco和電子傳輸限制之間的光合作用。對活性葉肉驅(qū)動信號在氣孔反應中的作用的支持來自對表皮果皮進行的實驗。這些研究表明紅光或 CO₂濃度對氣孔孔徑?jīng)]有影響，或者報告了通常在幾個小時內(nèi)反應較慢和/或減少敏感性與完整葉片中報告的反應相比。然而，應該指出的是，雖然一些研究報告了光和CO₂對表皮中氣孔反應的影響很小，但有許多優(yōu)秀的研究和大量文獻表明表皮和保護層中的光和CO₂的氣孔反應顯著細胞原生質(zhì)體。迄今為止，Lee&Bowling命名為“stomatin"的信號仍然難以捉摸（圖1）。

反對Ci以外的葉肉驅(qū)動信號的論據(jù)

有許多反對葉肉驅(qū)動信號協(xié)調(diào)葉肉光合作用與氣孔行為的論點。Roelfsema在有和沒有葉肉照明的情況下照亮單個保衛(wèi)細胞，以及蠶豆的白化區(qū)域和 綠藻葉子的雜色區(qū)域，以證明如果底層葉肉也被照亮，保衛(wèi)細胞只對紅光作出反應。這些研究支持氣孔響應中葉肉驅(qū)動信號的想法，然而，作者將響應分配給Ci中葉肉驅(qū)動的變化。對Ci介導的氣孔反應的進一步支持來自對高溫1(HT1) 突變體的研究，該突變體在編碼蛋白激酶的基因中攜帶突變。Hashimoto表明ht1突變體的氣孔對藍光有反應，但缺乏紅光和CO₂反應，因此表明紅光和CO₂氣孔反應之間存在協(xié)調(diào)，表明Ci驅(qū)動的協(xié)調(diào)。

保衛(wèi)細胞滲透調(diào)節(jié)和蔗糖作用的證據(jù)

蔗糖被認為是參與葉肉光合作用和保衛(wèi)細胞滲透調(diào)節(jié)之間協(xié)調(diào)的潛在代謝物。然而，在探索涉及蔗糖信號的潛在機制之前，重要的是概述氣孔滲透調(diào)節(jié)以及糖在保衛(wèi)細胞和氣孔行為中的作用和來源，因為這些也有可能提供信號或機制/途徑。

淀粉降解

淀粉夜間在保衛(wèi)細胞中積累，并在整個光照期間緩慢消失。如上所述，這一觀察是淀粉-糖假說的基礎(chǔ)，后來又成為淀粉-蘋果酸假說的基礎(chǔ)。有證據(jù)表明，淀粉-糖和淀粉-蘋果酸這兩個代謝過程依賴于光質(zhì)量，藍光會刺激淀粉分解為Suc而不是產(chǎn)生蘋果酸。通常假設(shè)在保衛(wèi)細胞中發(fā)現(xiàn)的淀粉來自底層葉肉中光合作用的終產(chǎn)物（例如Suc），葉肉被輸入保衛(wèi)細胞。這本身提供了葉肉光合作用和保衛(wèi)細胞功能之間的長期聯(lián)系，但從一天到下一天在時間上是分開的。Ritte 等通過鑒定單糖-H+同向轉(zhuǎn)運蛋白的活性提供了保衛(wèi)細胞特異性糖轉(zhuǎn)運的證據(jù)。擬南芥中H+-單糖同向轉(zhuǎn)運體AtSTP1的表達在夜間很高，支持夜間吸收 Suc以進行淀粉合成。然而，有趣的是注意到在中午左右觀察到的AtSTP1表達的瞬時晝夜調(diào)節(jié)增加表明滲透調(diào)節(jié)的作用。不過，應該指出的是，擬南芥保衛(wèi)細胞中的淀粉在清晨幾乎不存在，因此不同物種的代謝和氣孔反應可能不同。

Suc的保衛(wèi)細胞光合產(chǎn)物

大多數(shù)保衛(wèi)細胞含有功能性葉綠體，兜蘭屬物種是這一規(guī)則的例外之一，它沒有葉綠體但具有功能性氣孔。多年來，人們還知道在保衛(wèi)細胞葉綠體中發(fā)生線性電子傳輸，盡管光系統(tǒng)I的高數(shù)量和活性被認為表明循環(huán)電子流的高速率并支持了ATP生產(chǎn)可能提供質(zhì)膜所需能量的觀點離子攝取所需的質(zhì)子泵?；蛘?，電子傳遞產(chǎn)生的能量和還原劑（ATP和NADPH）可用于減少淀粉降解產(chǎn)生的草酰乙酸(OAA)和蘋果酸(Outlaw, 2003)，這與氣孔孔徑的增加有關(guān)。*泛接受的共識是，即使通過卡爾文循環(huán)固定CO₂發(fā)生在保衛(wèi)細胞中，對氣孔開放的滲透要求的貢獻也很小，而且對于任何重要功能來說都太低，有報告表明只有2%對保衛(wèi)細胞滲透調(diào)節(jié)的貢獻。然而，盡管進行了數(shù)十年的研究，保衛(wèi)細胞葉綠體的作用及其在為氣孔調(diào)整提供能量或Suc或作為使葉肉光合作用和氣孔行為之間協(xié)調(diào)的信號機制方面的潛力仍然未知，需要進一步研究。

從葉肉中導入的保衛(wèi)細胞Suc

除了發(fā)揮滲透作用外，糖在保衛(wèi)細胞中的機制尚不清楚。如上所述，糖可能為氣孔打開提供能量，并補充碳水化合物儲存，如淀粉。然而利用光合作用受損的轉(zhuǎn)基因植物進行的研究質(zhì)疑了光合作用產(chǎn)生的Suc（來自保衛(wèi)細胞或葉肉細胞）在氣孔開放中的作用。在這些研究中，如果光合驅(qū)動的Suc打開氣孔，通過卡爾文循環(huán)中關(guān)鍵酶活性的降低而降低的光合作用不會降低氣孔導度。相反，由于sedoheptulose-1,7-雙磷酸酶（SBPase）活性降低而導致光合作用降低的植物（RuBP再生中的一種關(guān)鍵酶，對光合作用具有高控制系數(shù)，因此對Suc的產(chǎn)生）表現(xiàn)出更大的氣孔導度趨勢。

糖感應與代謝

Suc是大多數(shù)植物物種中最常運輸?shù)墓馔?。一旦進入細胞，Suc可能會被代謝、儲存在液泡中或轉(zhuǎn)化為質(zhì)體中的淀粉。為了在細胞內(nèi)代謝Suc，需要兩個預處理步驟：(1) 通過Suc裂解酶（也可能釋放 UDP-葡萄糖）將Suc裂解為其衍生物葡萄糖和果糖，以及(2)葡萄糖的磷酸化和果糖通過糖磷酸化酶、己糖激酶(HXK)和果糖激酶(FRK)。磷酸化的己糖、葡萄糖-P 和果糖-P 然后作為中樞代謝過程的初始必需底物，例如糖酵解、能量產(chǎn)生和有機分子的形成。

蘋果酸作為葉肉驅(qū)動信號的重要性

除蔗糖外，蘋果酸還可以作為氣孔打開和關(guān)閉的滲透劑，為K+離子提供反離子。保衛(wèi)細胞中蘋果酸的產(chǎn)生也與這些細胞中的電子傳遞和淀粉降解有關(guān)。早期研究表明，保衛(wèi)細胞內(nèi)電子傳遞產(chǎn)生的能量和還原劑可以支持通過磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC) CO₂固定產(chǎn)生蘋果酸，淀粉一天中的分解提供了所需的碳骨架。據(jù)報道，隨著輻照度PEPc活性的增加，結(jié)合NADP或NAD 依賴性蘋果酸脫氫酶活性的增加導致蘋果酸在保衛(wèi)細胞中積累和氣孔開放。使用磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC)抑制劑 3,3-二氯-2-二羥基膦酰基甲基-2-丙烯酸 (DCDP) 在蠶豆的表皮條帶中抑制蘋果酸合成可防止由于蘋果酸減少而導致的氣孔打開以響應光照。在光照下應用時，DCDP減少了氣孔孔徑以及保衛(wèi)細胞蘋果酸鹽濃度的降低，證實了甲酸鹽在保衛(wèi)細胞開放中的滲透作用。

水通道蛋白的作用

除了糖/蘋果酸和離子通道在調(diào)節(jié)氣孔運動中的潛在作用外，水通道蛋白也與氣孔孔徑的控制有關(guān)。水通道蛋白編碼細胞內(nèi)和質(zhì)膜的水通道，在保水方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在氣孔中，水流是保衛(wèi)細胞膨脹的一個重要方面，水含量的變化對這些細胞的滲透勢有更廣泛的影響。此外，一些水通道蛋白還被描述為除了碳水化合物路由外還參與CO₂、H2O₂、硼和硅的運輸，因此涉及多種功能，如碳固定、營養(yǎng)轉(zhuǎn)運和細胞信號傳導，從而在葉肉和氣孔導度之間的相互作用中發(fā)揮作用。

保衛(wèi)細胞操作和未來可能的方向

為了理解葉肉和保衛(wèi)細胞代謝之間的聯(lián)系，基因工程提供了一個*的機會，不僅可以剖析氣孔生理學和功能，還可以剖析每種細胞類型在控制氣孔代謝、氣孔開放方面的具體作用和用水效率。Lawson&Blatt回顧了改變氣孔數(shù)量和大小以改善WUE 的復雜性，并強調(diào)保衛(wèi)細胞功能可以抵消解剖變化。然而，他們還指出，操縱保衛(wèi)細胞代謝是在保持光合作用速率的同時增加 WUE的潛在目標。

圖2.己糖激酶的保護細胞特異性表達減少了茄屬植物的整株蒸騰作用并提高了水分利用效率(WUE)

糖在保衛(wèi)細胞功能中的作用也得到了深入研究。然而關(guān)于保衛(wèi)細胞中糖的起源，對比結(jié)果仍然存在爭議。KST1的啟動子是一種保衛(wèi)細胞特異性啟動子，已被用于驅(qū)動番茄保衛(wèi)細胞中HXK的表達。轉(zhuǎn)化的茄屬植物和植物的凈光合作用不受影響生長，而相對于野生型對照植物，蒸騰作用減少（圖2）。這提高了植物的瞬時用水效率(IWUE)。這些結(jié)果表明，在保衛(wèi)細胞中表達HXK可能是提高植物WUE的有效方法

在這篇綜述中，我們討論了調(diào)節(jié)保衛(wèi)細胞-葉肉相互作用的一些關(guān)鍵特征。從現(xiàn)有研究中可以清楚地看出，這些關(guān)系是復雜的，涉及多種機制和信號響應。因此，綜合方法將使我們能夠解開這些途徑中的每一個的關(guān)鍵組成部分，并確定它們?nèi)绾蜗嗷リP(guān)聯(lián)，為未來的操縱提供可能的潛在目標。