利用Plantarray高通量植物生理表型平臺研究細胞分裂素活性

Cytokinin activity increases stomatal density and transpiration rate in tomato

細胞分裂素活性增加番茄的氣孔密度和蒸騰速率

以前關于細胞分裂素（CK）和干旱的研究表明，細胞分裂素對植物適應限制性條件有積極和消極的影響。本研究探討了CK對番茄（Solanum lycopersicum）植物蒸騰、氣孔活動和干旱反應的影響。在干旱條件下，過度表達擬南芥CK降解酶CK氧化酶/脫氫酶3（CKX3）的轉基因番茄植株由于全株蒸騰作用降低而保持較高的葉片水分狀況。蒸騰作用降低的原因可能是葉片面積減小，氣孔密度降低。與野生型植物相比，CKX3過表達植物的扁平細胞更少、更大，每葉面積氣孔更少。此外，與未經處理的葉片相比，經CK處理的野生型葉片表現出更強的蒸騰作用，具有更多的扁平細胞和增加的每葉面積氣孔數。CK水平的調控不影響氣孔運動或脫落酸誘導的氣孔關閉。此外，我們發現氣孔孔徑與保衛細胞中CK誘導的啟動子雙組分信號傳感器（TCS）的活性沒有相關性。先前的研究表明，干旱降低了CK水平，我們認為這是一種適應缺水的機制：降低的CK水平抑制生長并降低氣孔密度，兩者都降低了蒸騰作用，從而提高了對長期干旱條件的耐受性。

圖1.AtCKX3 過表達減少了番茄在灌溉和干旱脅迫下的整株蒸騰作用

在正常灌溉條件下，35S>>CKX3 植株的每日蒸騰速率顯著低于 M82 植株的測量值（圖 1A）。然而，CKs 內源性水平的降低并未影響每日蒸騰速率的模式，這表明二者氣孔運動的模式近似（圖 1B）。停止灌溉5天后，M82植株的VWC達到33%，同時35S>>CKX3植株達到57%（圖1D）。在此時間點對照植株萎蔫，而 35S>>CKX3 植株保持高的 RWC 并*膨脹（圖 2）。轉基因植株在整個干旱處理期間保持較低且穩定的蒸騰速率（圖 1C），僅在干旱7天后VWC達到30%。因此，35S>>CKX3 植株中蒸騰作用的減少導致土壤中可用水的利用速率減慢。35S>>CKX3 植株的生長遲緩可能是整個植物蒸騰量較低的主要原因。盡管如此，即使將每日蒸騰速率標準化為葉面積以消除植物大小的影響，仍然發現 35S>>CKX3 植株的蒸騰作用顯著降低（圖 1A）。

圖2. 在番茄M82植株上施用細胞分裂素6-芐基氨基嘌呤（BA）可提高植株蒸騰速率和氣孔密度

番茄M82植株（8周）用合成的CK BA連續處理7天。最后一次BA處理后三天，使用蒸滲儀測量每日蒸騰作用。經過處理的植株在蒸騰速率和gs方面表現出小而顯著的增加（圖2A，B）。氣孔導度的日常模式不受影響（圖2B），這表明 BA處理對氣孔運動沒有影響。對取自幼葉背面表皮印記的顯微分析表明，CK處理對氣孔孔徑沒有影響（圖2C、D）。該分析還表明，CK增加了氣孔密度（圖2C、E）。盡管在給定的葉面積中發現更多和更小的扁平細胞和更多的氣孔，但二者之間的比率不受BA處理的影響（圖2F），表明BA對氣孔沒有影響。這些結果表明BA通過促進表皮細胞分裂來增加氣孔密度。雖然CK處理增加了每片葉面積的細胞總數并減少了扁平細胞的大小，但它對保衛細胞的大小沒有影響（圖 2C）。由于BA處理對葉片大小或總葉面積沒有影響，較高的氣孔密度應增加每株植物的氣孔總數。綜上所述，這些結果表明CK通過增強表皮細胞分裂來促進整株植物的蒸騰作用，從而增加氣孔總數。與CKX3過表達的強烈影響相比，CK對蒸騰作用的影響相對較小（圖2A、B），這是因為在該實驗中只有少量葉子暴露于BA處理，而它們在仍處于細胞分裂階段。