《Plant Stress》：REVIEW: MOLECULAR AND PHYSIOLOGICAL REGULATION OF STOMATAL FUNCTION IN LEGUMES UNDER ABIOTIC STRESS: AN INTEGRATIVE OVERVIEW
2. 植物激素对气孔开闭的影响
气孔的开闭是响应环境和激素信号的动态过程。在被子植物中，调控气孔孔径的主要信号通路包括光、CO2和脱落酸（ABA）。然而，研究表明其他多种激素也参与其中。本节将综述豆科植物中气孔功能的激素调控现状，重点阐述激素信号如何在非生物胁迫下贡献于气孔行为。模型物种的研究结果为理解机制提供了背景，同时突出了豆科植物中保守或特异的性状以及现有的知识缺口。
2.1. 脱落酸
ABA是响应盐分、寒冷和干旱等外部胁迫的主要植物激素，从而诱导对不利条件的适应反应。在胁迫条件下，ABA通过局部生物合成和从根及维管组织的长距离运输在保卫细胞中积累，触发信号级联反应，促进气孔关闭并减少蒸腾失水。
尽管在拟南芥中对ABA信号已有广泛了解，但关于豆科植物中ABA调控途径的信息仍然有限。目前，ABA相关通路已在少数豆科物种中得到研究，包括大豆、菜豆、蒺藜苜蓿和鹰嘴豆。ABA被PYR/PYL/RCAR受体感知。结合后，这些受体与A类PP2C磷酸酶相互作用并抑制其活性，而PP2C被认为是ABA的共受体。在没有ABA时，PP2C抑制关键的下游激酶活性，包括SnRK2.2、SnRK2.3和SnRK2.6/OST1。然而，当ABA与其受体结合时，PP2C的抑制被解除，从而激活SnRK2s。在豆科植物中，PYL和SnRK2被认为是保守的信号机制，而PYL经历了更多的进化多样化，已鉴定出多达21个同源物。在鹰嘴豆中，已鉴定出五个A类PP2C基因。其中，CaPP2C-A9和CaPP2C-A11与拟南芥的ABI1和ABI2同源，而PP2C-A4和PP2C-A6则与HAB1和HAB2相关。鹰嘴豆中的几个SnRK2基因，包括CaSnRK2.3、CaSnRK2.9、CaSnRK2.11和CaSnRK2.13，被归类为III类成员，与拟南芥的SnRK2.2、SnRK2.3和SnRK2.6同源。这些基因对盐、干旱和外源ABA的响应性支持了它们与拟南芥ABA信号网络的功能保守性。信号元件同源物的丰富性与豆科植物进化过程中特有的基因组复制事件相关。
功能研究进一步支持了ABA在非生物胁迫下对豆科植物气孔调控的保守作用。早期的生理实验证明，ABA处理降低了菜豆和蚕豆的蒸腾和气孔导度。最近的研究将干旱诱导的ABA积累与大豆和苜蓿气孔导度的降低联系起来，耐旱品种通常表现出更强的ABA相关气孔响应。
除了在气孔孔径控制中的作用外，ABA还影响气孔发育。在拟南芥中，ABA缺陷型突变体表现出气孔密度增加，而ABA过度积累则导致气孔密度降低。这些发现表明ABA不仅调节气孔功能，也调节其发育。
总的来说，这些发现表明ABA是豆科植物在非生物胁迫下气孔功能的核心调节因子，通过保守的信号模块发挥作用，这些模块可能因基因组复制事件和物种特异性调控适应而多样化。
2.2. 生长素
生长素调节关键的发育过程，如细胞分裂、细胞伸长和顶端优势。最早阐明吲哚-3-乙酸、萘乙酸和2,4-二氯苯氧乙酸如何通过离子流调节气孔运动的研究之一是在光照条件下使用蚕豆表皮条进行的。在这种情况下，生长素诱导的H+-ATP酶超极化促进了K+吸收进入保卫细胞，导致膨胀压增加和气孔开放。后来证明，在黑暗中施用IAA也能在蚕豆表皮中引起气孔开放，这归因于IAA和萘乙酸抑制了H2O2的生成。
在拟南芥中，光照下外源施用生长素通过减少气孔数量显著降低了子叶的气孔密度。相反，在黑暗中生长时，生长素信号抑制因子突变体表现出气孔过度生产，表明生长素在气孔发育中具有调节作用。
在豆科植物中，关于生长素对气孔影响的研究有限。在大豆中，施用吲哚-3-丁酸增加了气孔导度、蒸腾速率、气孔密度和气孔孔长。在紫花苜蓿中，生长素处理增加了气孔宽度和孔长。最近，在木豆中，用IAA浸种导致在对照和干旱胁迫条件下发育中的植株气孔导度增加。
虽然生长素长期以来因其在植物生长和发育中的作用而被认可，但越来越多的证据凸显了它们对气孔生理学的显著影响。在豆科植物蚕豆中，生长素介导气孔开放的机制，特别是通过调节H+-ATP酶活性、K+内流和ROS信号，相对而言得到了较好的阐明。然而，在其他豆科植物中，研究仍然稀少且主要是描述性的。尽管在大豆、紫花苜蓿和木豆等物种中施用生长素在对照和胁迫条件下显示出对气孔行为的明显影响，但这些反应背后的分子机制仍知之甚少。
2.3. 油菜素内酯
BRs是促进生长的多羟基化类固醇，类似于动物类固醇激素。它们调节多种发育过程，包括细胞分裂、细胞伸长、维管分化、生殖发育以及生长和响应非生物与生物胁迫所需的基因表达调节。在气孔生物学中，BRs影响保卫细胞功能和气孔发育，尽管其效应通常依赖于环境背景，并受到与其他激素和氧化还原信号通路相互作用的塑造。
在豆科植物中，BR介导的气孔调节机制见解有限。在蚕豆中，BR施用通过阻断内向整流K+通道抑制气孔孔径，从而减少保卫细胞对K+的吸收。后来的研究发现，在黑暗条件下，EBR施用后H2S参与了H2O2和NO信号积累诱导的气孔关闭。相比之下，拟南芥中的研究报告称，BR信号通过ROS依赖机制促进保卫细胞中淀粉降解，促进气孔开放。这些不同的反应凸显了BR作用的复杂性及其对细胞和环境背景的强烈依赖性。
在豆科植物中，BR参与气孔调节的证据主要来自在胁迫条件下进行的生理研究。在大豆中，叶面喷施24-表油菜素内酯在盐胁迫下以及在不同发育阶段的非胁迫条件下增加了气孔导度和蒸腾作用。此外，在涝渍和干旱胁迫下，EBL处理增加了气孔导度、蒸腾速率、气孔密度和气孔指数，同时增强了净光合作用和光系统II效率。进一步证明，在涝渍条件下施用BR增强了抗氧化酶活性，减少了脂质过氧化和膜损伤，减轻了光抑制，并保持了叶绿素含量，表明BR介导的氧化还原稳态调节有助于改善气孔和光合性能。
在豌豆、菜豆、花生和绿豆中，在正常或胁迫条件（包括盐、热和金属胁迫）下BR处理后，也报告了类似的对气孔导度和蒸腾的刺激作用。
值得注意的是，BR反应在豆科物种中并不一致。在木豆中，BR施用降低了气孔导度和蒸腾作用，这与在其他豆科植物中观察到的 predominantly 积极效应形成对比。这些不同的反应强调了BR信号的物种特异性，并表明BR介导的气孔调节可能受到下游信号成分或激素串扰差异的影响。
总体而言，现有证据表明BRs主要在非生物胁迫条件下调节豆科植物的气孔功能，但在分子水平上的机制理解仍然有限。未来需要整合遗传、分子和生理学方法来阐明BR信号如何与ROS和激素网络相互作用以调节豆科作物的气孔行为。
2.4. 细胞分裂素
CK是腺嘌呤衍生的植物激素，参与调节细胞分裂、茎和根形态发生以及叶片生长。
在菜豆和蚕豆中，施用激动素或苄氨基嘌呤可诱导气孔开放，部分是通过减少保卫细胞中H2O2的积累。在非胁迫条件下，紫花苜蓿和大豆中也报告了对气孔导度、蒸腾速率以及气孔数量和大小相似的促进作用。
在非生物胁迫下，CK对气孔行为的影响似乎更为复杂且依赖于环境。在菜豆中，CK施用抵消了干旱期间ABA诱导的气孔关闭，部分恢复了气孔导度和蒸腾作用。在生理水平上，对棉花、杏仁、葡萄和菜豆的研究表明，通过木质部运输的CK降低了组织对ABA的敏感性，有利于气孔开放，而在水分亏缺下增加的ABA则减少了CK的生物合成和长距离运输。
这种拮抗相互作用得到了拟南芥和烟草中CK水平升高的株系的证据支持，这些株系表现出ABA诱导的气孔关闭延迟。从机制上讲，CK介导的对ABA诱导关闭的抑制与保卫细胞中抗氧化反应的激活有关，减少了ROS积累和下游第二信使如一氧化氮，从而减弱了ABA信号输出。
然而，CK反应在豆科植物中并不总是促进气孔开放。在某些情况下，在对照条件下施用CK降低了气孔导度，而在干旱胁迫下则恢复了气孔导度，这突显了生理背景对CK作用的强烈影响。尽管有证据表明CK参与拟南芥的气孔发育，特别是通过反式玉米素介导的气孔密度增加，但豆科植物中相应的发育数据仍然缺乏。
总体而言，现有证据表明细胞分裂素主要通过与非生物胁迫期间ABA依赖性信号通路的相互作用来调节豆科植物的气孔功能。然而，豆科植物中CK介导的气孔调节的分子机制在很大程度上仍未探索，强调了对针对性遗传和分子研究的需求。
2.5. 乙烯
乙烯是一种气体植物激素，参与调节多种过程，包括器官衰老、叶片脱落、果实成熟和根毛发育。
乙烯由位于内质网上的受体家族感知。在没有乙烯的情况下，这些受体激活Raf样激酶CTR1，从而抑制下游信号传导。乙烯结合后，受体介导的CTR1抑制释放了EIN2，从而激活EIN3/EIL1转录因子并诱导乙烯响应基因。此外，CTR1失活与异源三聚体G蛋白信号通路的激活有关，促进通过NADPH氧化酶产生ROS，细胞质pH值增加和一氧化氮积累，共同促成气孔关闭。
早期在豆科植物中的研究报告称乙烯对豌豆的气孔运动没有影响，即使长时间暴露后也是如此。然而，在花生、大豆和菜豆中得到了相反的结果，乙烯显著降低了气孔导度。机制上的见解出现在拟南芥中，乙烯利或乙烯合成前体1-氨基环丙烷-1-羧酸触发的乙烯诱导气孔关闭与H2O2信号有关。通过证明乙烯诱导蚕豆中ROS水平升高，证实了该机制在豆科植物中是保守的。
然而，乙烯并不总是促进气孔关闭。在蚕豆中，乙烯利在光照和黑暗条件下都刺激了气孔开放，在木豆的非胁迫条件下也报告了气孔导度增加。这些对比鲜明的反应表明，乙烯介导的豆科植物气孔调节高度依赖于物种和环境背景。
乙烯也与拟南芥的气孔发育有关，乙烯信号激活增加了气孔密度，而抑制乙烯生物合成则降低了气孔密度。豆科植物中类似的证据仍然缺乏。
总体而言，现有研究表明乙烯是豆科植物气孔功能的一个依赖于环境的调节因子，其可变效应受物种、激素浓度和环境条件的影响。需要进一步的以胁迫为重点的分子研究来阐明乙烯信号在豆科植物气孔调节中的作用。
2.6. 赤霉素
GAs是一组由四环二萜酸组成的植物激素。它们促进萌发、茎伸长、生长、叶片扩张和种子发育。
在豆科植物中，GA施用通常与非胁迫条件下气孔导度和蒸腾速率的增加有关。早期在菜豆和蚕豆中的研究报告称，GA处理后气孔开放增强。然而，在非生物胁迫下，GA介导的对气孔行为的影响通常减弱。
在涝渍等非生物胁迫条件下，叶面喷施赤霉酸降低了花生的气孔阻力，表明气孔开放。即使在热胁迫下，用GA浸种也增加了木豆的气孔导度。关于气孔形成，基于使用GA抑制剂的研究报告称，GAs是下胚轴气孔形成所必需的。
迄今为止，GA似乎在豆科植物中具有明确的响应，即使在胁迫条件下也能促进气孔开放。然而，与其他激素一样，指向其在分子水平上作用的研究仍然缺乏。
2.7. 茉莉酸类
JAs是亚麻酸衍生的激素，调节营养和生殖发育，并在植物防御非生物和生物胁迫中发挥关键作用。JAs通常被认为通过激活K+通道和增加NO及ROS产生的机制诱导气孔关闭。
然而，茉莉酸甲酯在豆科植物不同条件下的效应似乎更为复杂。在大豆中，在盐胁迫水培条件下施用MeJA导致对蒸腾速率和气孔导度的相反效应，在干旱胁迫下观察到甚至更强的降低。在拟南芥中使用JA生物合成前体的不同突变体进行的研究表明，12-氧代-植物二烯酸与气孔孔径呈负相关，12-OPDA也被证明在气孔关闭的转录因子调节中发挥作用。甚至茉莉酸信号激动剂冠菌碱的应用，在黎明时施用也显示出气孔开放。
探索JA对拟南芥气孔发育影响的研究表明，JA在子叶和真叶的气孔数量和簇生调节中具有负面作用，施用JA时气孔指数较低，而JA感知或生物合成突变时气孔指数较高。在豆科植物中，这仅在豌豆中进行了探索，其中MeJA在对照条件下降低了气孔密度，但在热或冷胁迫下增加了气孔密度。在所有情况下，处理后气孔导度和蒸腾速率均下降。
茉莉酸类在物种中主要发挥气孔关闭效应，NO和ROS信号是中心介质，并激活K+通道。在豆科植物中，它们的作用通常倾向于促进关闭。在豆科植物中观察到了物种和胁迫特异性的JA反应。在发育方面，JAs在拟南芥中负向调节气孔密度和簇生，对于豆科植物豌豆的数据表明其作用相似但对环境更敏感。总体而言，JAs是豆科植物气孔生理学的多方面调节因子，需要更多的功能研究来解析其在各种环境情景下的信号网络。
2.8. 水杨酸
SA是一种酚类植物激素，以其在植物防御反应中的作用而闻名，但它也参与调节气孔开放。在拟南芥中，已知SA以剂量依赖的方式通过ROS积累促进气孔关闭。
有趣的是，这种效应最早在豆科植物如菜豆和蚕豆中被描述。在干旱和热胁迫响应中也观察到了这种反应。机制研究表明，SA诱导的气孔关闭需要ROS产生；然而，这种氧化爆发似乎是通过不同于NADPH氧化酶的途径发生的。相反，SA激活了SHAM敏感的过氧化物酶，导致细胞外质外体氧化爆发。细胞外产生的H2O2随后可以扩散到保卫细胞中，表明ROS信号可以通过质外体进行细胞间传播。这些发现与早期在蚕豆中的报告一致，其中SA诱导的气孔关闭是由SHAM敏感的过氧化物酶活性介导的，而不是依赖于RBOH的ROS产生。
然而，其他豆科植物（大豆、绿豆、花生和木豆）显示出相反的结果。水杨酸的应用甚至在盐胁迫、铁缺乏和镉胁迫下引起了气孔开放。
这些对比鲜明的结果表明SA对豆科植物气孔生理的影响具有物种和环境依赖性。迄今为止，在分子水平上，已知SA改变了ROS水平，但几乎所有关于SA对豆科植物气孔孔径影响的研究仍然是功能和描述性研究的结果。需要更多的分子分析和转导成分研究来理解SA诱导的豆科植物气孔反应的作用。
2.9. 褪黑素
褪黑素是一种众所周知的神经激素，在动物中因其调节昼夜节律的作用而被广泛研究，于1995年首次在植物中检测到，最近，第一个褪黑素的植物受体被鉴定。在植物中，褪黑素促进根、茎和外植体生长。关于其对气孔运动的影响，在拟南芥中证明褪黑素通过部分涉及硫化氢的机制促进气孔关闭，硫化氢调节钾离子通道。相比之下，在正常条件下叶面喷施褪黑素增加了气孔导度和蒸腾速率，然而，在干旱胁迫下，褪黑素对这些参数没有显著影响。迄今为止，没有关于褪黑素对豆科植物气孔影响的报道。
2.10. 独脚金内酯
独脚金内酯是由ABC环结构通过烯醇醚桥连接到甲基丁烯酸内酯D环组成的萜类内酯。已鉴定出30多种类型的SLs，主要以其抑制枝条分枝和作为从枝菌根真菌共生的信号分子的作用而闻名。除了对根发育的贡献外，关于SLs对气孔发育和运动影响的研究有限。拟南芥SL生物合成突变体和SL信号突变体表现出比野生型植物更宽的气孔孔径。外源SL应用于生物合成突变体诱导了气孔关闭，由H2O2和NO介导。据我们所知，没有关于独脚金内酯对豆科植物气孔影响的报告。
2.11. 差距与展望
气孔孔径和密度的激素调节是一个广泛而复杂的话题。虽然一些激素的信号通路和生理效应，特别是与气孔关闭相关的经典激素ABA，已被广泛研究，但其他激素如褪黑素和独脚金内酯才刚刚开始被探索，特别是在气孔调节的背景下。
有趣的是，关于某些激素如CK、乙烯或SA效应的一些最早研究是在豆科物种上进行的，揭示了激素施用对气孔开放的影响。然而，对于那些已研究激素效应的豆科物种，信息仍然稀缺且主要是描述性的，侧重于生理结果，如增加气孔导度、蒸腾以及气孔形态的变化。
仍然需要填补广泛的知识空白，以阐明豆科物种中的信号通路，并将激素应用的特定环境效应与豆科物种相关联。在这一空白中，全基因组和片段复制事件对菜豆和大豆中ABA元件的多样化影响可以为其他激素途径所探索。此外，信号通路的多样化为非生物胁迫适应研究领域开辟了机会。
最后，褪黑素和独脚金内酯等激素在模型和作物植物的气孔调节方面仍然几乎没有被探索，为豆科植物气孔研究留下了广阔的道路。
3. 气孔信号转导
3.1. 调控气孔孔径的转录因子和基因表达调控
转录因子在整合非生物胁迫和环境信号以控制气孔孔径方面发挥着核心作用。迄今为止，主要在拟南芥中描述了参与气孔控制的各种转录因子，但在其他物种中也描述了新的转录因子。几种气孔调节转录因子的同源物已在作物物种中得到描述；然而，在本综述范围内，我们仅关注那些在豆科植物中经过功能或转录表征的转录因子。早期的综述已对参与气孔孔径调节的转录因子进行了出色的汇编。在这里，我们更新了参与气孔孔径调节的转录因子列表，重点关注它们在非生物胁迫中的作用，并阐明哪些转录因子已在豆科植物中得到研究。
