利用Plantarray植物生理表型平臺研究己糖激酶在植物中的作用

己糖激酶（HXK）是一種參與糖感應(yīng)的糖磷酸化酶。最近的研究表明一年生番茄和擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞中HXK介導(dǎo)氣孔關(guān)閉并協(xié)調(diào)光合作用和蒸騰作用。為了研究HXK在控制多年生植物氣孔運動中的作用，我們在KST1（一種保衛(wèi)細(xì)胞特異性啟動子）下培育了表達擬南芥HXK1（AtHXK1）的柑橘類植物。利用GFP作為報告基因，已經(jīng)證實KST1在柑橘植物保衛(wèi)細(xì)胞中的表達。AtHXK1在柑橘保衛(wèi)細(xì)胞中的表達降低了氣孔導(dǎo)度和蒸騰作用，對光合作用速率沒有負(fù)面影響，從而提高了水分利用效率。本文研究了光照強度和濕度對柑橘根系葉片氣孔行為的影響。光合有效輻射的最佳強度和較低的濕度促進了表達AtHXK1的葉片的氣孔關(guān)閉，支持糖在柑橘氣孔調(diào)節(jié)中的作用。這些結(jié)果表明，HXK不僅在一年生植物中協(xié)調(diào)光合作用和蒸騰作用，而且在多年生植物中促進氣孔關(guān)閉。

圖1.AtHXK1在柑橘保衛(wèi)細(xì)胞中的表達降低了氣孔導(dǎo)度和蒸騰作用，對光合作用速率沒有負(fù)面影響

GCHXK和WT植株通過將轉(zhuǎn)基因或WT莖段嫁接到WT接穗上進行繁殖，并使用LI-COR 6400氣體交換系統(tǒng)對嫁接植株進行分析。雖然凈光合作用（AN）不受影響（圖1C），但GCHXK植物的氣孔導(dǎo)度（gs）和蒸騰作用降低（圖1A、B），導(dǎo)致內(nèi)在水分利用效率增加（WUEi；圖D），計算為AN/gs的比率。在WT和GCHXK葉片之間未觀察到氣孔密度或葉面積比的差異，表明較低的氣孔導(dǎo)度和蒸騰作用不能歸因于葉片形態(tài)的變化。隨著WUEi的增加，我們希望檢查GCHXK植物的生長情況。GCHXK植物的生長似乎在幾個月內(nèi)略有增強（圖2A）。為了避免破壞性的測量，我們測量了嫁接點上方的莖的周長（作為生長參數(shù)）。嫁接15個月后，GCHXK植株的莖明顯變寬（圖2B），表明GCHXK植株的生長增強。

圖2.在柑橘類植物保衛(wèi)細(xì)胞中表達AtHXK1可促進植物生長    圖3.保衛(wèi)細(xì)胞AtHXK1表達降低蒸騰速率

使用精確、靈敏的蒸滲儀系統(tǒng)對完整嫁接的GCHXK和WT植物進一步檢查AtHXK1對蒸騰速率的影響。對一天中蒸騰速率的連續(xù)測量表明，GCHXK植物的單位葉面積蒸騰速率顯著降低（圖3A），而累積的全株單位葉面積日相對蒸騰速率（RDT）也相應(yīng)降低（圖3B）。GCHXK的蒸騰速率在一天中（上午9:00和下午3:00）顯著降低（圖3A），此時蒸騰量增加和更多的蔗糖被輸送到保衛(wèi)細(xì)胞。這些結(jié)果表明，HXK在一天中調(diào)節(jié)柑橘氣孔孔徑，刺激氣孔關(guān)閉，可能是對糖水平的反應(yīng)。

圖4. WT和GCHXK葉片在不同光強下的蒸騰速率

HXK的氣孔關(guān)閉效應(yīng)被認(rèn)為取決于通過光合作用產(chǎn)生的糖量。因此，氣孔關(guān)閉和蒸騰作用可能會受到光照強度的影響。本文使用有根-葉系統(tǒng)來跟蹤各種光強度下的蒸騰速率，并假設(shè)在最佳光強度水平下，GCHXK葉子的蒸騰速率可能低于WT葉子。 GCHXK和WT葉片的蒸騰速率通過全天連續(xù)稱重在不同光強度（100、400、600 和 800 μmol/m2 .s）下進行測量。在一天中，每個光強度下的蒸騰速率保持相當(dāng)一致（圖4A-D），這可能是由于生長室內(nèi)的恒定條件。在低光照強度（100 μmol/m2·s）下，GCHXK 生根葉的蒸騰速率略高于WT 生根葉，在800 μmol/m2·s強度時與WT相似。而在400 μmol/m2·s時，GCHXK生根葉片的蒸騰速率很小但顯著低于WT葉片，在 600 μmol/m2·s 時，有根GCHXK的蒸騰速率是WT的一半（圖4C），表明氣孔孔徑顯著減少。每個光強度下的恒定蒸騰率使我們能夠繪制平均蒸騰率與光強度（圖4E）。 WT葉片的蒸騰速率受光照強度的影響顯著，在低光照條件下非常低，峰值為600μmol/m2·s，而GCHXK葉片在不同光照強度下的蒸騰速率相對恒定，蒸騰速率為600 μmol/m2·s。這些結(jié)果表明，HXK 緩和了氣孔對光強度的反應(yīng)，甚至可能在低光強度下增加氣孔開度。