上海交通大学农业与生物学院葡萄与葡萄酒研究中心叶文秀助理教授、日本名古屋大学变革性生命分子研究所（WPI-ITbM）Toshinori Kinoshita教授及冈山大学环境生命科学研究生院Yoshiyuki Murata教授等在植物保卫细胞响应芥末的主要辣味成分异硫氰酸烯丙酯（AITC）的机理研究上取得新进展。英国杂志Journal of Experimental Botany于2020年2月27日在线发表了相关研究成果。

 

研究背景

芥末作为常见的调味料，具有催泪性的强烈刺激性辣味，对我们的味觉及嗅觉均具有刺激作用。其辣味的主要成分异硫氰酸烯丙酯（AITC）是动物痛觉通路研究的模式信号分子之一，作为一种次级代谢产物广泛存在于十字花科植物。因具有强烈的刺激性，包括AITC在内的异硫氰酸酯一直以来被认为是植物驱逐昆虫的一类重要化学武器。有趣的是，异硫氰酸酯也会使植物细胞自身感觉到“辣“进而引起胁迫响应，比如诱导气孔关闭，而且这些刺激反应可能在植物的抗旱及抗微生物胁迫过程中扮演重要角色。因此，异硫氰酸酯的生理作用的研究近年来引起了植物学家的广泛关注。然而目前，我们对植物细胞如何响应异硫氰酸酯的机理知之甚少。

 

成果内容

植物气孔是由一对保卫细胞所围成的小孔，其张开及关闭运动调控植物与环境的气体交换和植物与微生物的互相作用。因此，气孔对植物的生长及抗胁迫能力至关重要。本研究利用模式植物拟南芥保卫细胞作为细胞模型，通过药理学、电生理学、活细胞钙成像等技术研究了植物对AITC的响应机制（图）。结果表明AITC能够直接激活保卫细胞膜钙离子通道并诱导胞内细胞器钙离子的释放引起细胞内钙离子浓度的震荡，而这些钙信号是AITC诱导气孔关闭不可或缺的要素。气孔关闭的诱导与气孔张开的抑制的分子机制在很长一段时间里被认为是类似的。本研究的另一个重要发现则是揭示了AITC抑制气孔张开在机理上有别于其诱导的气孔关闭，这一抑制过程并不需要AITC诱导的钙信号通路而是与其抑制细胞膜钾离子通道密切相关。进一步的研究结果发现，AITC并不能直接作用于从而抑制保卫细胞的主要钾离子通道KAT1，而需要通过一种不依赖于钙信号的识别机制来实现这个目的。

研究表明，AITC引起动物感知辣味的感受器TRPA1是一类钙离子通道。有趣的是，植物基因组里并没有同源的离子通道基因，这表明动物和植物细胞对AITC的识别机制可能大相径庭。下一步寻找植物细胞中AITC的感受器的工作将在机理上解释不同细胞是如何感知AITC。

 

研究意义

本研究的成果进一步揭示了植物细胞响应AITC及其调控气孔运动的分子机制，为气孔运动精准调控及提高植物抗胁迫能力的技术开发提供了新的思路。

 

 

 

 

论文信息

论文名：

Inhibition of light-induced stomatal opening by allyl isothiocyanate does not require guard cell cytosolic Ca²⁺ signalling
       出版杂志：Journal of Experimental Botany
       作者：

Wenxiu Ye, Eigo Ando, Mohammad Saidur Rhaman, Md. Tahjib-Ul-Arif, Eiji Okuma, Yoshimasa Nakamura, Toshinori Kinoshita and Yoshiyuki Murata

D O I ：10.1093/jxb/eraa073
 

全文链接：https://doi.org/10.1093/jxb/eraa073

 

资助基金

本研究得到了国家自然科学基金（31901984），日本学术振兴会特别研究员项目（267977）等的资助。