气孔是植物与外界环境进行气体交换的“窗户”,维系着植物三个最重要的生理活动过程--光合作用、呼吸作用和蒸腾作用。而植物正是通过控制气孔运动来维持体内水分平衡和光合作用同化的CO2量等,从而适应复杂多变的环境。气孔运动需要许多膜蛋白的参与,将多种离子泵出或泵进细胞,改变细胞膨压,导致气孔关闭或打开,如Ca2+通道、K+通道、阴离子通道和H+-ATPase等。气孔运动看似简单,却蕴含着复杂的调控机理,近年来,不同实验室对“ABA促进气孔关闭和光诱导气孔开放”调控气孔运动做了大量研究,对气孔运动的调控过程有了较为深入的理解。生物膜系统之间大量的物质和信息交流构成了细胞生命活动的基础,而物质交流过程则是由囊泡运输介导完成的,三位科学家由于“细胞内主要运输体系--囊泡运输调节机制的发现”而分享了2013年诺贝尔生理学或医学奖。研究发现:RAB蛋白家族和ARF蛋白家族这两类小G蛋白参与调控了囊泡运输,DN形式的小G蛋白被锁定在持续非活化状态,不能与下游的效应蛋白结合发挥功能,从而阻断特定的囊泡运输途径。此外,一些化学药剂也能够阻断囊泡运输途径,如BFA和Wortminnin等。而囊泡运输在气孔运动中发挥着怎样的功能,鲜有报道,从囊泡运输的角度来揭示气孔运动中膜上离子通道的动态变化过程,能够为研究气孔运动的调控机制开辟一个崭新的视角。本研究使用遗传干扰的手段和药剂细胞学的方法,分别在保卫细胞中阻断ARF1介导的从高尔基外排的囊泡运输途径和RAB5介导的液泡降解途径,并利用化学药剂也分别阻断上述两条途径,来研究囊泡运输在气孔运动中的功能;并检测气孔运动中的一个关键膜蛋白AHA1,是否受这两条囊泡运输途径的调控。研究结果和结论如下:(1)ARF1介导的从高尔基外排的囊泡运输途径在气孔运动中发挥重要功能。使用保卫细胞特异性启动子,在保卫细胞中过表达ARF1-DN,阻断ARF1介导的囊泡运输途径,导致植物矮小,不能正常生长;气孔异常,几乎一直处于关闭状态,不能响应光刺激,说明ARF1介导的囊泡运输途径参与调控了气孔运动,并发挥重要功能。(2)RAB5介导的液泡降解途径不直接参与气孔运动。使用保卫细胞特异性启动子,在保卫细胞中过表达RAB5-DN,阻断RAB5介导的液泡降解途径,与野生型相比,植物生长未受到影响,失水率也没有差异;气孔开度偏小,但能够正常地响应ABA和光刺激,说明RAB5介导的液泡降解途径不直接参与气孔响应环境的运动过程。(3)在气孔响应光刺激的过程中,AHA1在ARF1-DN的背景下,荧光密度明显小于野生型,大约是野生型的一半;而AHA1在RAB5-DN的背景下,荧光密度与野生型持平。说明ARF1介导的从高尔基外排的囊泡运输途径,参与了AHA1的运输,而RAB5介导的液泡降解途径,并没有参与AHA1的运输。(4)用药剂细胞学方法分析了AHA1的囊泡运输途径。AHA1对囊泡运输抑制剂BFA和WM是敏感的,而且从质膜上内吞下来的AHA1经TGN/EE到液泡去降解;在气孔响应光刺激的过程中,BFA敏感的囊泡运输途径参与了AHA1的运输。综上所述,ARF1介导的从高尔基外排的囊泡运输途径在气孔运动中发挥重要功能,并参与了AHA1的动态运输;RAB5介导的液泡降解途径不直接参与气孔运动,也不参与AHA1的动态运输。BFA敏感的内吞和外排途径以及WM敏感的液泡降解途径参与了AHA1的动态运输。