近日，Horticultural Plant Journal在線發(fā)表了南京農(nóng)業(yè)大學園藝學院汪良駒教授團隊題為“MdBAM17, a novel member of the β-amylase gene family, positively regulates starch degradation in ALA-induced stomatal opening in apple (Malus × domestica) （蘋果β-淀粉梅基因家族新成員MdBAM17正調(diào)控淀粉降解參與ALA誘導的氣孔開放）”的研究論文。

研究背景淀粉作為植物光合碳同化的主要產(chǎn)物，對氣孔周期性晝夜開閉過程具有重要調(diào)節(jié)作用。（BAM）作為淀粉降解的關(guān)鍵酶類，已被證實能夠促進淀粉的快速降解，促使氣孔開啟。然而，除擬南芥外，其他高等植物BAM的功能及其調(diào)控機制還了解甚少。

5-氨基乙酰丙酸（ALA）是一種重要的植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)，其改善植物光合碳固定能力與其調(diào)控氣孔運動密切相關(guān)。本團隊的研究已經(jīng)證明，ALA能夠逆轉(zhuǎn)ABA引起的氣孔關(guān)閉，從而促進逆境中氣孔開放，增強光合固碳和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效。但是，人們對順境下ALA如何促進氣孔開放的作用機理缺乏了解。此前多項研究指出，ALA參與植物淀粉代謝調(diào)控。據(jù)此推測，ALA調(diào)控的氣孔運動可能與淀粉降解相關(guān)。

研究問題

在正常生長條件下，探究ALA對蘋果葉片氣孔運動的調(diào)節(jié)作用，分析其與保衛(wèi)細胞淀粉代謝之間的相互關(guān)系及其潛在的作用機理。

研究結(jié)果

（1）在一般的晝夜節(jié)律中，外源ALA處理能夠促進光照后葉片氣孔迅速開放，增大氣孔開度。這種效應(yīng)能夠持續(xù)6-9 h（Fig.1, A, D）。使用mPS-PI和I2-KI兩種方法染色以及（BAM）活性檢測結(jié)果表明，ALA促進蘋果葉片保衛(wèi)細胞淀粉含量下降（Fig.1, B, C, E），同時促進下表皮BAM活性上升（Fig.1, F）。這表明ALA可能通過BAM介導保衛(wèi)細胞淀粉降解進而參與氣孔運動調(diào)節(jié)。

Fig.1 Dynamic changes of stomatal apertures, starch granules, and β-amylase activity within guard cells of apple leaves treated with ALA or not

（2）對蘋果等10個薔薇科物種BAM基因家族成員的進化保守性分析發(fā)現(xiàn)，蘋果MdBAM17/20等同處于Group II-A分支上的13個BAM成員（除PbrBAM1b）與擬南芥AtBAM1高度保守。由于AtBAM1參與保衛(wèi)細胞淀粉降解過程，因而推測，MdBAM17/20可能具有類似生物學功能（Fig.3）。

Fig.3 The gene structure, conserved motif distribution, multiple sequence alignment, and collinear correlation of the AtBAM1 orthologous genes in ten species of Rosaceae

（3）基因表達模式及其與BAM活性、保衛(wèi)細胞相對淀粉含量以及氣孔開度的相關(guān)性分析表明，MdBAM17在ALA調(diào)節(jié)的保衛(wèi)細胞淀粉代謝和氣孔運動過程中可能發(fā)揮正調(diào)控作用（Fig.4）。亞細胞定位顯示，MdBAM17與AtBAM1亞細胞定位結(jié)果一致，均位于葉綠體內(nèi)（Fig.5, A）。組織特異性表達分析顯示，MdBAM17能夠在保衛(wèi)細胞中表達（Fig.5, B, C），且受ALA誘導（Fig.5, B-E）。

Fig.4 Relative expression of MdBAM17/20 in ALA-treated apple leaves and the correlation analysis between genes expression and β-amylase activity, relative starch amount, and stomatal apertures

Fig.5 MdBAM17 subcellular localization and effects of ALA on promoter activity of MdBAM17

（4）在蘋果葉片中瞬時過表達（OE-）或沉默表達（RNAi-）MdBAM17能夠顯著影響保衛(wèi)細胞內(nèi)淀粉含量、BAM活性以及氣孔開度（Fig.6）。ALA對保衛(wèi)細胞淀粉含量、BAM活性以及氣孔開度的調(diào)節(jié)作用在OE-或RNAi-MdBAM17葉片中被相應(yīng)的顯著增強或削弱（Fig.6）。這些結(jié)果表明，MdBAM17是介導保衛(wèi)細胞淀粉降解進而參與ALA調(diào)控蘋果葉片氣孔開放的關(guān)鍵基因。

Fig.6 OE- or RNAi-MdBAM17 and ALA treatment affect the

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（4）在蘋果葉片中瞬時過表達（OE-）或沉默表達（RNAi-）MdBAM17能夠顯著影響保衛(wèi)細胞內(nèi)淀粉含量、BAM活性以及氣孔開度（Fig.6）。ALA對保衛(wèi)細胞淀粉含量、BAM活性以及氣孔開度的調(diào)節(jié)作用在OE-或RNAi-MdBAM17葉片中被相應(yīng)的顯著增強或削弱（Fig.6）。這些結(jié)果表明，MdBAM17是介導保衛(wèi)細胞淀粉降解進而參與ALA調(diào)控蘋果葉片氣孔開放的關(guān)鍵基因。

（5）檢測瞬時過表達（OE-）或沉默表達（RNAi-）MdBAM17的蘋果葉片黃酮醇和H2O2含量結(jié)果顯示，MdBAM17表達量的多寡并不影響ALA對保衛(wèi)細胞黃酮醇和H2O2含量的調(diào)控作用（Fig.7）。而外源H2O2處理顯著限制BAM活性和保衛(wèi)細胞淀粉降解，但ALA能夠有效降低ROS含量，緩解這種抑制效果（Fig.S6）。這些結(jié)果表明，ALA經(jīng)由MdBAM17促進淀粉降解進而調(diào)控氣孔開放的機制處于保衛(wèi)細胞活性氧（ROS）信號通路的下游。

由于ROS屬于逆境或ABA信號調(diào)控通路，在順境條件下，ROS含量很低，因而，植物葉片氣孔開度主要由BAM/淀粉信號來調(diào)節(jié)。

本研究探究了ALA在非逆境（無ABA/ROS存在）下調(diào)控蘋果葉片氣孔運動的機理，揭示了MdBAM17基因、BAM活性以及保衛(wèi)細胞淀粉代謝介導氣孔運動的分子機制，為正常生長發(fā)育條件下ALA促進葉片氣孔開放與提高植物光合固碳能力提供了科學依據(jù)。