劉 俊，郭志富

(1．丹東農業(yè)科學院，遼寧鳳城 118109；2．沈陽農業(yè)大學水稻研究所，農業(yè)部東北水稻生物學與遺傳育種重點實驗室，遼寧沈陽110866)

?

植物氣孔發(fā)育分子機制研究進展

劉 俊1，郭志富2*

(1．丹東農業(yè)科學院，遼寧鳳城 118109；2．沈陽農業(yè)大學水稻研究所，農業(yè)部東北水稻生物學與遺傳育種重點實驗室，遼寧沈陽110866)

氣孔作為植物生長發(fā)育所必需的重要因素，是植物與外界環(huán)境進行氣體和水分交換的通道，在調節(jié)植物光合作用、蒸騰作用以及水分利用中具有非常重要的作用。氣孔的形成與發(fā)育受到轉錄因子的調控，包括bHLH類轉錄因子、MYB類轉錄因子和Dof轉錄因子，同時受到一系列負調控因子、蛋白激酶及受體蛋白的影響。另外，氣孔的發(fā)育還受CO2濃度、光照及激素等環(huán)境因子的影響。這些因素在某種程度上相互作用，共同決定植物氣孔的形成、分布、生長及發(fā)育過程。該研究綜述了近年來氣孔發(fā)育相關的研究進展，總結了參與氣孔發(fā)育的相關因子，并且對未來研究需要解決的問題進行簡要的討論。

植物；氣孔；轉錄因子；調控；環(huán)境因素

氣孔是植物體內水分和CO2與外界環(huán)境進行交換的通道，控制著植物光合作用中CO2分子的平衡以及蒸騰作用中水分的交換，是影響植物生長發(fā)育過程中物質生產、抵御水分脅迫和溫度脅迫的重要因素[1-2]。氣孔位于植物莖葉等器官的表皮，由一對保衛(wèi)細胞圍繞形成。保衛(wèi)細胞通過離子驅動膨脹來調控氣孔的開閉，獲得更高的光合效率，同時控制水分的蒸騰。植物在生長過程中通過氣孔攝入CO2為光合作用提供底物，為植物提供能量。同時，植物根據(jù)環(huán)境的變化通過蒸騰作用調節(jié)體內水分的流失速率[3-5]。

植物氣孔發(fā)育的過程較復雜，受到轉錄因子、蛋白激酶及各種功能基因編碼的蛋白等因素的協(xié)同控制，同時受環(huán)境因素的影響。筆者綜合近年來氣孔發(fā)育相關的研究工作，對氣孔的形成、氣孔發(fā)育的信號傳導途徑、相關基因的功能及其轉錄調控因子的作用等研究概況進行總結，并且對該領域存在的問題提出相應的見解。

1 氣孔的形成

氣孔的發(fā)育一般要經過3次連續(xù)的前體物質變化，即擬分生組織母細胞(Peristemoid mother cells，MMCs)、擬分生細胞(Meristemoid，M)和保衛(wèi)母細胞(Guard mother cells，GMCs)[6]。首先，表皮細胞分化形成MMCs；隨后，MMCs通過不對稱分裂的方式，分化形成一個小的三角形M和一個大的姊妹細胞；最后，M進一步分化成為GMCs，GMCs以對稱分裂的方式形成兩個腎形保衛(wèi)細胞(Guard cells，GCs)，從而形成氣孔[7-9]。氣孔的分布方式在單子葉植物和雙子葉植物中存在明顯的不同。在雙子葉植物中，氣孔一般隨機分布在葉片或莖部等器官，規(guī)律性不強，而在單子葉植物中，氣孔一般整齊地排列在葉脈兩側。雖然植物氣孔在雙子葉和單子葉植物中存在較大差異，但其分布都遵循“單細胞間隔法則”，也就是任何兩個氣孔之間至少間隔一個非氣孔表皮細胞。這使得氣孔與鄰近細胞的離子交換順利進行，從而提高每個氣孔的效率，進而確立CO2吸收與光合作用之間的最佳比例[10]。

2 轉錄因子對氣孔發(fā)育的調控

2.1 bHLH轉錄因子

bHLH(Basic-helix-loop-helix)轉錄因子在植物中廣泛存在。它利用動態(tài)的螺旋-環(huán)-螺旋結構與靶基因啟動子相結合，激活很多功能基因的表達。研究表明，植物中參與氣孔發(fā)育的關鍵轉錄因子主要為bHLH型蛋白，其中包括3個高度相關的成員(SPCH、MUTE和FAMA)，在氣孔發(fā)育過程中承擔著關鍵的調節(jié)作用[11]。在整個調控過程中，SPCH控制植物氣孔發(fā)育的第一步，使得表皮細胞分化，是不對稱分裂所必需的，但在GMCs的分裂中不發(fā)揮作用。相關研究表明，spch突變體植株不能形成M、GMCs和氣孔，且生長緩慢，而當過表達SPCH基因時，轉基因植株的氣孔表現(xiàn)出過多的不對稱分裂，并且形成過量的氣孔[12]。MUTE控制著細胞的擴增分裂，使得所有表皮原細胞轉換為GCs在M中高量表達。Mute突變體植株在幾次不對稱分裂后失去分化為GMCs的能力，而過表達MUTE植株使得所有葉表皮細胞全部轉換成氣孔[13]。FAMA在氣孔發(fā)育的晚期階段發(fā)揮作用，在GMCs和未成熟的GCs中特異存在。fama的突變體植株不能形成正常的氣孔，過表達FAMA基因后轉基因植株表現(xiàn)出抑制細胞分裂、迫使GMCs直接分化為GCs的現(xiàn)象[14-15]。最近，Matos 等[16]研究發(fā)現(xiàn)在GMCs分化為GCs的過程中，F(xiàn)AMA必須結合另一種叫作RBR的蛋白才能行使功能，當FAMA和RBR間相互作用被打破時GCs有變?yōu)樵紶顟B(tài)的趨勢。

另外，2個bHLH型轉錄因子包括ICE1/SCRM和SCRM2，其突變體scrm-D使得所有表皮細胞產生分裂，執(zhí)行氣孔發(fā)育途徑中的調控功能。依次敲除ICE1/SCRM和SCRM2后，植株表現(xiàn)出與spch、mute和fama突變體相類似的表型。蛋白互作試驗表明，它分別與SPCH、MUTE和FAMA存在相互作用[17-18]。另外，ICE1/SCRM被證明可以啟動冷相關表達基因，適當提高植物的耐冷性。這說明氣孔性狀與溫度等環(huán)境因子可能存在更密切的關聯(lián)[19]，但具體的調控途徑、作用機制仍不清楚，需研究人員進一步研究。

2.2 MYB轉錄因子

MYB蛋白是指含有一段51～52個氨基酸肽段結構域的一類轉錄因子，包含一系列高度保守的氨基酸殘基和間隔序列，在植物功能基因轉錄表達中起重要的調節(jié)作用。MYB轉錄因子在氣孔發(fā)育晚期具有重要的調控作用。這類因子主要包括FLP(FOURLIPS)和MYB88編碼的兩種R2R3類MYB蛋白，兩者具有相似的序列結構[20]。在調控功能上，這類轉錄因子在GMCs分裂形成GCs的過程中得以表達，其作用與FAMA類似，具有防止GMCs過度分裂，使其形成保衛(wèi)細胞，從而促進保衛(wèi)細胞分化的作用。flp突變體表現(xiàn)出氣孔成簇的表型，雖然MYB88缺失后沒有明顯的表型，但二者的純合雙突變體能使得flp單突變體的表型更加明顯。這說明MYB88可能與FLP共同作用于GMCs分裂形成GCs的過程[20-22]。

2.3 Dof轉錄因子

Dof(DNA binding with one finger)蛋白是植物所特有的一類轉錄因子，含有一個獨特的富含Cys殘基的單鋅指保守結構域，被命名為Dof結構域。目前，人們已在多種單子葉植物和雙子葉植物中發(fā)現(xiàn)Dof蛋白。它們在高等植物基因表達調控中起作用。Negi等[23]克隆了在成熟GCs中表達的Dof型轉錄因子基因SCAP1，鑒定了擬南芥突變體scap1。當SCAP1基因缺失時，擬南芥保衛(wèi)細胞出現(xiàn)不規(guī)則分布，喪失CO2介導的氣孔關閉及光誘導的氣孔張開的功能，導致氣孔開閉受到抑制。另外，SCAP1通過與鉀離子通道蛋白、MYB60轉錄因子和果膠甲酯酶作用影響氣孔發(fā)育，突變體scap1中相關離子平衡被打破，細胞外果膠酯化作用受損，導致氣孔不能正常形成。相對bHLH轉錄因子，對MYB轉錄因子和DOF轉錄因子的研究較少，對其調控氣孔發(fā)育的具體機理、與其他功能蛋白的相互作用及與外界環(huán)境的關系仍不十分清楚。

進一步激勵和支持企業(yè)加大研發(fā)投入，以前沿引領技術、現(xiàn)代工程技術、顛覆性技術創(chuàng)新作為突破口，提高知識產權的創(chuàng)新能力，把創(chuàng)新型企業(yè)當作發(fā)展目標，發(fā)展自主核心技術。同時，鼓勵企業(yè)積極在全球產業(yè)鏈中進行知識產權布局，可以通過建立海外代工廠消減加征關稅影響，或者利用提高技術許可費從而提高海外同類產品價格的方式有效反擊“301調查”。

3 氣孔發(fā)育的負調控因子及受體

在氣孔發(fā)育過程中存在一系列的負調控因子。它們影響著氣孔各個發(fā)育階段，其中主要包括表皮模式因子EPF(Epidermal patterning factors)、富含亮氨酸的類受體蛋白TMM(Too many mouth)、類枯草桿菌蛋白酶SDD1(Stomatal density and distribution 1)和富含亮氨酸的受體激酶ERECTA家族等。EPF家族包含11個成員，其中對EPF1、EPF2、STOMAGEN和CHAL四個成員的研究最深入，而對其他成員的具體功能、調控機制仍需進一步研究[24-25]。

在所有EPF家族成員中，EPF1最早被發(fā)現(xiàn)。它在晚期的擬分生細胞、GMCs和早期的GCs中均有表達。過表達EPF1基因后可抑制植株表皮產生氣孔，雖然仍存在一些擬分生細胞，但擬分生細胞不再繼續(xù)分化。epf1突變體植株氣孔彼此聚集成簇狀，違背單細胞間隔法則。EPF2與EPF1的氨基酸序列高度相似，對氣孔密度同樣發(fā)揮負調控的作用，可抑制擬分生組織細胞的形成。過表達EPF2使得植株表皮不產生氣孔。epf2突變體植株的氣孔密度和非氣孔表皮細胞密度均有所增加。據(jù)此推測，EPF2可能具有限制起始氣孔細胞系發(fā)育的功能。EPF2在一定程度上可以替代EPF1的功能，但是EPF1不能代替EPF2的功能。另外，EPF2的表達需要bHLH轉錄因子SPCH和促分裂原蛋白活化激酶YODA(YDA)的參與[26-27]。Sugano等[28]鑒定了擬南芥中一種特殊的具有正調控作用的EPF因子，即STOMAGEN。它與EPF1和EPF2競爭性地結合TMM受體蛋白調控氣孔發(fā)育。過表達STOMAGEN后，植株產生簇狀氣孔群，而STOMAGEN基因缺失后的突變體植株幾乎不能形成氣孔。STOMAGEN是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一個屬于EPF負調控家族的正調控因子。它與負調控因子競爭同一種受體以調控細胞分化，在植物中尚屬于首次發(fā)現(xiàn)。CHAL作為EPF家族的一個重要成員，與EPF1和EPF2類似，可以抑制氣孔的發(fā)育。CHAL是tmm突變體中的莖部特異性阻遏因子，其功能的發(fā)揮需要在沒有TMM的條件下以器官特異的方式進行。TMM功能缺失后，葉片表面氣孔數(shù)量增加，而在莖部則不產生氣孔。當tmm突變體中缺失CHAL后，莖部氣孔得以恢復[29-30]。

TMM基因編碼富亮氨酸重復區(qū)受體蛋白，是氣孔信號傳導過程中的重要調節(jié)因子，主要是通過抑制響應定位信號的細胞進行不對稱分裂來調控分裂方向。TMM基因功能缺失后，植株葉表皮氣孔密度會大幅增加[31-32]。SDD1是一種類枯草桿菌蛋白酶，作為信號分子被細胞膜上的TMM受體識別且結合，從而把胞外信號轉化為胞內信號，再通過一系列的激酶反應調控氣孔發(fā)育。sdd1突變體植株表現(xiàn)出氣孔密度增加、氣孔聚集成簇的表型[33]。雖然突變體tmm和sdd1的氣孔密度均有所增加，但sdd1比tmm具有更多正確分布的氣孔、更少的氣孔群，推測在單細胞空間模式中SDD1功能不如TMM重要，但就氣孔密度性狀而言SDD1更重要[34]。

MAPK是植物促分裂原蛋白活化激酶級聯(lián)信號，可以傳遞自身發(fā)育信號來調節(jié)氣孔發(fā)育，也可以轉導外部環(huán)境信號來影響氣孔生理狀態(tài)和發(fā)育狀態(tài)，是氣孔發(fā)育的負調控因素。YDA是一種MAPKKK。YDA基因功能喪失后，突變體植株表皮會出現(xiàn)更多的氣孔。YDA-MKK4/5-MPK3/6信號模塊負調控MMCs向M的轉變和M向GMCs的轉變[35-38]。

4 環(huán)境對氣孔發(fā)育的影響及其調控機制

植物氣孔的發(fā)育受CO2、光、激素等環(huán)境因素的影響。CO2濃度升高，導致植物葉片的氣孔密度減少，而CO2濃度降低，則使氣孔密度增多。這一短暫的響應是調節(jié)葉片氣體交換的反饋機制。

4.1 植物氣孔響應CO2濃度變化的分子機制

受全球氣候變暖的影響，大氣中CO2濃度持續(xù)升高對氣孔發(fā)育有著顯著的影響。CO2濃度升高會導致氣孔密度降低。在這一響應途徑中，3-酮?；o酶A合成酶(High carbon dioxide，HIC)和碳酸酐酶(Carbonic anhydrases，CA)起著至關重要的作用[39]。Gray等[40]發(fā)現(xiàn)，HIC基因是植物感受CO2濃度變化而影響氣孔發(fā)育的負調控因子，當CO2濃度升高時hic突變體植株氣孔指數(shù)比野生型提高42%。Hu等[41]對擬南芥雙突變體(ca1，ca4)的研究表明，缺失碳酸酐酶基因CA1和CA4后突變體植株CO2響應作用消失，氣孔密度提高，但ABA和藍光響應機制仍正常。Engineer等[42]在此基礎上進一步明確碳酸酐酶參與CO2濃度變化影響氣孔發(fā)育的胞外信號途徑。在CO2濃度升高的背景下，EPF2在野生型植株中檢測到EPF2，在ca1、ca4雙突變體中并未檢測到EPF2的表達，而EPF2是CO2影響氣孔發(fā)育所必須的因素，說明EPF2的表達受到碳酸酐酶的調控。EPF2的激活需要一個裂解過程，但這個裂解過程一直不明確。Engineer等發(fā)現(xiàn)了一種新的胞外蛋白激酶CRSP(CO2響應分泌蛋白酶)。它可以裂解EPF2，進而激活其表達，從而抑制起始氣孔細胞系的發(fā)育。

4.2 響應光信號的氣孔發(fā)育因子

植物氣孔運動受到藍光和紅光的調節(jié)，其中受光敏色素B(Phytochrome B，phyB)介導的紅光信號調控調控途徑最為重要。在此途徑中，PIF類轉錄因子(Phytochrome-interacting factors，PIFs)與光敏色素相互作用，共同控制氣孔變化[43]。Casson等[44]發(fā)現(xiàn)，phyB、PIF4突變體 及PIF4phyB雙突變體植株葉片氣孔指數(shù)都比野生型小。phyB突變體和PIF4phyB雙突變體的氣孔指數(shù)基本相同，但均低于PIF4 突變體，表明phyB可能通過PIF4依賴和PIF4非依賴途徑調控氣孔發(fā)育。此外，phyB能夠促進幼嫩葉片上氣孔發(fā)育基因FAMA和TMM的表達[45]。組成型光形態(tài)建成因子(Constitutively photomorphogenic，COP)是擬南芥光形態(tài)建成的阻遏子。COP1參與調控氣孔發(fā)育過程。COP1突變體表現(xiàn)出氣孔堆積成簇的現(xiàn)象。研究人員推測COP1基因位于氣孔發(fā)育調控途徑中phyA和phyB的下游，與TMM基因共同調控YODA基因及其下游的bHLH家族基因。據(jù)此推測，隱花色素一光敏色素COP1信號系統(tǒng)和MAPK信號途徑相互作用調控氣孔發(fā)育過程[46]。Delgado等[47]發(fā)現(xiàn)了另一個組成型光形態(tài)建成因子COP10，其突變體同樣表現(xiàn)為氣孔成簇現(xiàn)象，與COP1功能相似。

4.3 激素對氣孔發(fā)育的影響

油菜素內酯(Brassinosteroids，BR)是植物中的一種留醇類激素，在植物種子休眠、器官分化、維管組織發(fā)育、開花和衰老及光形態(tài)建成等生長發(fā)育過程中均發(fā)揮著重要的調控作用[48-49]。BR在短時間內能誘導光合作用CO2同化速率的提高，從而進一步影響植物氣孔的變化。BR對氣孔的影響取決于BR濃度。低濃度BR可以促進氣孔張開，并且抑制氣孔關閉，而高濃度BR可以促進氣孔關閉，并且抑制氣孔開放[50]。

ABA能夠引發(fā)氣孔關閉，并且同時阻止氣孔打開，通過這種調控方式來減少由蒸騰作用導致的水分散失。這種氣孔運動的調節(jié)作用是與多種細胞事件級聯(lián)反應關聯(lián)的[51]。擬南芥aba2突變體均因ABA合成缺陷而導致ABA含量較低。這些突變體的氣孔密度均高于野生型植株，表明ABA水平與氣孔指數(shù)呈負相關[52]。

另外，赤霉素可通過TMM促進擬分生細胞分裂影響下胚軸的氣孔產生。單獨用赤霉素處理的擬南芥幼苗的下胚軸會產生大量氣孔，若與生長素或乙烯同時處理，則效果更明顯。因此，乙烯和生長素可以輔助赤霉素調控氣孔發(fā)育，但是植物激素影響氣孔發(fā)育的分子機理尚不明確[53-54]。

5 結語

植物自身的氣孔可以調控蒸騰作用和光合作用，直接控制植物體內水分和氣體與外界環(huán)境的交換，在維持植物生長和發(fā)育方面發(fā)揮著至關重要的作用。目前，研究人員已鑒定了與氣孔發(fā)育相關的各種影響因子。轉錄因子類因素包括bHLH轉錄因子、MYB轉錄因子、Dof轉錄因子，其中對bHLH類轉錄因子的研究最深入。SPCH、MUTE和FAMA3種基因對氣孔的形成與發(fā)育均有著決定性作用。同時，這3種轉錄因子還與其他類型的轉錄因子、受體、激酶等存在相互作用，共同控制著植物氣孔的發(fā)育。氣孔負調控因子及一些受體同樣是氣孔發(fā)育的重要因素，其中以EPF家族成員、TMM受體蛋白的功能研究最為詳盡，EPF1、EPF2、STOMAGEN和CHAL四種調控因子可能均須與SPCH或TMM相互作用才能執(zhí)行調控功能。氣孔形成、生長及發(fā)育過程與環(huán)境因子有著密不可分的關系，如CO2、光和激素等因素均可影響植物氣孔性狀的變化。在這些過程中，研究人員鑒定了與CO2濃度相關的HIC、CA1、CA4、CRSP等基因的功能及相互影響，與光信號相關的phB、FIP、COP1、COP10等基因及互作關系，體現(xiàn)了氣孔發(fā)育的過程的高度復雜性。相對而言，激素影響氣孔性狀的分子機制研究并不十分深入，仍需研究人員努力發(fā)掘與激素相關的各類功能基因及其相互作用。人們對氣孔發(fā)育與環(huán)境因子相互作用的分子機制進行了較深入的研究，發(fā)現(xiàn)了一系列影響因子，并且在一定程度上鑒定其分子調控機制，但氣孔形成與發(fā)育屬于復雜的數(shù)量性狀，與諸多環(huán)境因素的關聯(lián)可能更為復雜，氣孔變化受溫度、干旱等非生物脅迫因素影響的具體調控機制仍不明確。這方面的研究在未來很長一段時間仍將是植物學領域的熱點和難點。

[1] CASSON S A，HETHERINGTON A M.Environmental regulation of stomatal development[J].Curr Opin Plant Biol，2010，13(1)：90-95．

[2] 崔國新，韓寶達，趙瀟男，等.氣孔發(fā)育及其調控[J].植物生理學報，2012，48(9)：829-836.

[3] NI D A.Role of vacuolar invertase in regulatingArabidopsisstomatal opening[J].Acta physiologiae plantarum，2012，34(6)：2449-2452.

[4] 趙益超，公華林，宋開俠.氣孔發(fā)育的研究進展[J].現(xiàn)代農業(yè)進展，2008，11：361-366.

[5] 錢寶云，李霞.植物氣孔運動調節(jié)的新進展[J].植物研究，2013，33(1)：120-128.

[6] 賈瑞玲，秦倩倩，張彥萍，等.擬南芥氣孔發(fā)育的分子遺傳機制[J].細胞生物學雜志，2009，31(6)：817-822.

[7] VON G U，BERGER D，ALTMANN T.The subtilisin-like serine protease SDD1 mediates cell-to-cell signaling duringArabidopsisstomatal development[J].Plant cell，2002，14(71)： 1527-1539.

[8] BERGMANN D C，LUKOWITZ W，SOMERVILLE C R.Stomatal development and pattern controlled by a MAPKK Kinase[J].Science，2004，304(5676)：1494-1497.

[9] SHIMADA T，SUGANO S S，HARA-NISHIMURA I.Positive and negative peptide signals control stomatal density[J].Cell Mol Life Sci，2011，68(12)：2081-2088.

[10] DONG J，MACALLISTER C A，BERGMANN D C.BASL controls asymmetric cell division inArabidopsis[J].Cell，2009，137(7)：1320-1330.

[11] LIU T，OHASHI-ITO K，BERGMANN D C.Orthologs ofArabidopsisthalianastomatal bHLH genes and regulation of stomatal development in grasses[J].Development，2009，136：2265-2276.

[12] MACALISTER C A，OHASHI-ITO K，BERGMANN D C.Transcription factor control of asymmetric cell divisions that establish the stomatal lineage[J].Nature，2007，445：537-540.

[13] PILLITTERI L J，SLOAN D B，BOGENSCHUTZ N L，et al.Termination of asymmetric cell division and differentiation of stomata[J].Nature，2007，445：501-505.

[14] OHASHI-ITO K，BERGMANN D C.ArabidopsisFAMA controls the final proliferation/differentiation switch during stomatal development[J].Plant cell，2006，18：2493-2505.

[15] DAVIES K A，BERGMANN D C.Functional specialization of stomatal bHLHs through modification of DNA-binding and phosphoregulation potential[J].Proc Natl Acad Sci USA，2014，111(43)：15585-15590.

[16] MATOS J L，LAU O S，HACHEZ C，et al.Irreversible fate commitment intheArabidopsisstomatal lineage requires a FAMA and RETINOBLASTOMA-RELATED module[J].Elife，2014，3：1-15.

[17] CHINNUSAMY V，OHTA M，KANRAR S，et al.ICE1：A regulator of cold-induced transcriptome and freezing tolerance inArabidopsis[J].Genes Dev，2003，17：1043-1054.

[18] KANAOKA M M，PILLITTERI L J，F(xiàn)UJII H，et al.SCREAM/ICE1 and SCREAM2 specify three cell-state transitional steps leading toArabidopsisstomatal differentiation[J].Plant cell，2008，20：1775-1785.

[19] SERNA L，F(xiàn)ENOLL C.Stomatal development inArabidopsis：How to make a functional pattern[J].Trends in plant science，2000，5：458-460.

[20] LAI L B，NADEAU J A，LUCAS J，et al.The Arabidopsis R2R3 MYB proteins FOUR LIPS and MYB88 restrict divisions late in the stomatal cell lineage[J].Plant cell，2005，17：2754-2767.

[21] LEE E，LUCAS J R，GOODRICH J，et al.Arabidopsisguard cell integrity involves the epigenetic stabilization of the FLP and fama transcription factor genes[J].The plant journal， 2014，78：566-577.

[22] YANG M，SACK F D.The too many mouths and four lips mutations affect stomatal production inArabidopsis[J].The plant cell，1995，7：2227-2239.

[23] NEGI J，MORIWAKI K，KONISHI，M.A Dof transcription factor，SCAP1，is essential for the development of functional stomata inArabidopsis[J].Current Biology，2013，23：479-484.

[24] HARA K，KAJITA R，TORII K U，et al.The secretory peptide gene EPF1 enforces the stomatal one-cell-spacing rule[J].Genes Dev，2007，21：1720-1725.

[25] HARA K，YOKOO T，KAJITA R，et al.Epidermal cell density is auto-regulated via a secretory peptide，EPIDERMAL PATTERNING FACTOR 2 inArabidopsisleaves[J].Plant cell physiol，2009，50：1019-1031.

[26] HUNT L，BAILEY K J，GRAY J E.The signaling peptide EPFL9 is a positive regulator of stomatal development[J].New Phytol，2010，186：609-614.

[27] HUNT L，GRAY J E.The signaling peptide EPF2 controls asymmetric cell divisions during stomatal development[J].Curr Biol，2009，19：864-869.

[28] SUGANO S S，SHIMADA T，IMAI Y，et al.Stomagen positively regulates stomatal density inArabidopsis[J].Nature，2010，463：241-244.

[29] KATSIR L，DAVIES K A，BERGMANN D C，et al.Peptide signaling in plant development[J].Curr Biol，2011，21：356-364.

[30] ABRASH E B，BERGMANN D C.Regional specification of stomatal production by the putative ligand CHALLAH[J].Development，2010，13：447-455.

[31] NADEAU J A，SACK F D.Control of stomatal distribution on theArabidopsisleaf surface[J].Science，2002，296(5573)：1697-1700.

[32] GEISLER M，NADEAU J，SACK F D.Oriented asymmetric divisions that generate the stomatal spacing pattern inArabidopsisare disrupted by the too many mouths mutation[J].The plant cell，2000，12：2075-2086.

[33] BERGMANN D C，SACK F D.Stomatal development[J].Annu Rev Plant Biol，2007，58：163-181.

[34] DIETER B，THOMAS A.A subtilisin-like serine protease involved in the regulation of stomatal densityand distribution inArabidopsisthaliana[J].Genes & Development，2000，14：1119-1131.

[35] BERGMANN D C，LUKOWITZ W，SOMERVILLE C R.Stomatal development and pattern controlled by a MAPKK Kinase[J].Science，2004，304：1494-1497.

[36] WANG H C，NGWENYAMA N，LIU Y D，et al.Stomatal development and patterning are regulated by environmentally responsive mitogen·activated protein kinases inArabidopsis[J].The plant cell，2007，19：63-73.

[37] LAMPARD G R，LUKOWITZ W，ELLIS B E，et al.Novel and expanded roles for MAPK signaling inArabidopsisstomatal cell fate revealed by cell type-specific manipulations[J].The plant cell，2009，21：3506-3517.

[38] LAKE J A，QUICK W P，BEERLING D J，et al.Plant development：Signals from mature to new leaves[J].Nature，2001，411：154.

[39] WEI N，KWOK S F，VON ARNIM A G，et al.ArabidopsisCOP8，COP10，andCOP11 genes are involved in repression of photo-morphogenic development in darkness[J].Plant cell，1994，6：629-643.

[40] GRAY J E，HOLROYD G H，LEE F M，et al.The HIC signalling pathway links CO2perception to stomatal development[J].Nature，2000，408：713-716.

[41] HU H，BOISSON-DERNIER A，ISRAELSSON-NORDSTR?M M，et al.Carbonic anhydrases are upstream regulators of CO2-controlled stomatal movements in guard cells[J].Nature Cell Biol，2010，12：87-93.

[42] ENGINEER C B，GHASSEMIAN M，ANDERSON J C，et al.Carbonicanhydrases，EPF2 and a novel protease mediate CO2control of stomatal development[J].Nature，2014，513：246-250.

[43] THOMAS P W，WOODWARD F I，QUICK W P.Systemic irradiance signaling in tobacco[J].Newhytol，2004，161：193-198.

[44] CASSON S A，F(xiàn)RANKLIN K A，GRAY J E，et al.Phytochrome B and PIF4 regulate stomatal development in response to light quantity[J].Curr Biol，2009，19：229-234.

[45] BOCCALANDRO H E，RUGNONE M L，MORENO J E，et al.Phytochrome B enhances photosynthesis at the expense of water-use efficiency inArabidopsis[J].Plant physiol，2009，150：1083-1092.

[46] LIU L J，ZHANG Y C，LI Q H，et al.COP1-mediated ubiquitination of CONSTANS is implicated in cryptochrome regulation of flowering inArabidopsis[J].Plant cell，2008，20：292-306.

[47] DELGADO D，BALLESTEROS I，TORRES-CONTRERAS J，et al.Dynamic analysis of epidermal cell divisions identifies specific roles for COP10 inArabidopsisstomatal lineage development[J].Planta，2012，236：447-461.

[48] KIM T W，WANG Z Y.Brassinosteroid signal transduction from receptor kinases to transcription factors[J].Ann Rev Plant Biol，2010，61：681-704.

[49] KIM T W，MICHNIEWICZ M，BERGMANN D C，et al.Brassinosteroid regulates stomatal development by GSK3-mediated inhibition of a MAPK pathway[J].Nature，2012，482：419-422.

[50] ZHU J Y，SAE-SEAW J，WANG Z Y.Brassinosteroid signalling[J].Development，2013，140：1615-1620.

[51] TANAKA Y，NOSE T，JIKUMARU Y，et al.ABA inhibits entry into stomatal lineage development inArabidopsisleaves[J].Plant J，2013，74(3)：448-457.

[52] ACHARYA B R，ASSMANN S M.Hormone interactions in stomatal function[J].Plant Mol Biol，2009，69：451-462.

[53] LIU J，WANG B S，XIE X Z.Regulation of stomatal development in plants[J].Hereditas，2011，33：131-137.

[54] KAZAMA H，DAN H，IMASEKI H，et al.Transient exposure to ethylene stimulates cell division and alters the fate and polarity of hypocotyl epidermal cells[J].Plant physiol，2004，134：1614-1623.

Research Progress of Molecular Mechanism on Stomatal Development in Plants

LIU Jun1, GUO Zhi-fu2*

(1. Dandong Academy of Agricultural Sciences, Fengcheng, Liaoning 118109; 2. Key Laboratory of Northeast Rice Biology and Breeding of Ministry of Agriculture, Rice Research Institute, Shenyang Agricultural University, Shenyang, Liaoning 110866)

Stomata is a key channel for gas and water exchange between plant and environment, which acts an important role to regulate plant photosynthesis, transpiration and water utilization. Various transcription factors such as bHLH transcription factors, MYB transcription factors and Dof transcription factors regulate stomatal formation and development, while a series of negative regulators, protein kinases and receptor proteins are involved in the stomatal development. Also, several environmental such as CO2 and light and hormonal factors are known to affect stomatal development. These factors may interact on some level to collectively regulate stomatal formation, distribution, patterning and development. In this review, we do a brief overview of advances in stomatal development research, summarize the related factors, and then point out the questions which should be resolved in the future.

Plant; Stomata; Transcription factors; Regulation; Environmental factor

國家轉基因生物新品種培育重大專項(2014ZX08003001-001-007)。

劉俊(1978- )，男，內蒙古呼和浩特人，助理研究員，博士，從事作物遺傳育種方面的研究。*通訊作者，副教授，博士，從事植物分子生物學方面的研究。

2015-11-11

S 184

A

0517-6611(2015)35-012-04