● 摘要
紫外线B（UV-B）作为一种重要的环境信号调控着植物的生长发育，但目前对其信号转导机制却知之甚少。动物细胞中研究已表明异三聚体G蛋白参与了UV-B辐射信号的传递，但G蛋白是否也参与植物细胞响应UV-B信号的传递却并不清楚。在植物气孔运动的研究中，许多证据表明G蛋白参与了脱落酸、胞外钙调素、病源激发子和臭氧等多种刺激调控气孔运动的信号转导过程，且其作用是调控信号分子过氧化氢（H2O2）和一氧化氮（NO）的形成。在UV-B调控气孔运动的研究中，前期研究已表明H2O2和NO参与了UV-B诱导气孔关闭的信号转导过程，但对于（1）UV-B诱导H2O2和NO形成的具体酶学途径；（2）G蛋白是否参与该UV-B信号转导过程；（3）G蛋白与H2O2和NO的关系等一系列问题均不清楚。本研究结合药理学、遗传学和细胞生物学的研究方法，以模式植物拟南芥为材料，对上述问题进行了研究，得到以下主要实验结果和结论：
1. 以野生型拟南芥叶片为材料，当UV-B辐射强度达到0.5 W·m-2时诱导气孔关闭最为显著，且该剂量UV-B在辐射3 h后气孔关闭程度最显著，说明0.5 W·m-2 UV-B辐射处理3 h是诱导拟南芥叶片气孔关闭的最适辐射剂量和处理时间，故以下实验均采用该UV-B辐射强度处理3 h。
2. G蛋白抑制剂百日咳毒素（PTX）能显著抑制0.5 W·m-2 UV-B诱导的气孔关闭，而其活化剂霍乱毒素（CTX）能模拟UV-B的作用诱导可见光下叶片气孔关闭；UV-B辐射不能诱导G蛋白α亚基GPA1的功能缺失突变体gpa1-1和gpa1-2的气孔关闭， 却能诱导GPA1基因过表达株系wGα和其组成活化型株系cGα的气孔关闭，且cGα和wGα在UV-B辐射下气孔关闭速度明显快于野生型。表明异三聚体G蛋白α亚基参与了UV-B辐射诱导拟南芥气孔关闭的信号转导过程。
3. H2O2的清除剂抗坏血酸（ASA）和过氧化氢酶（CAT）以及NADPH氧化酶抑制剂二苯基碘（DPI）均能显著抑制UV-B诱导拟南芥野生型气孔关闭和保卫细胞H2O2的生成；但UV-B不能诱导NADPH氧化酶AtrbohD和AtrbohF的功能缺失单突变体和双突变体的气孔关闭和保卫细胞H2O2的生成。说明H2O2参与了UV-B诱导拟南芥气孔关闭的过程，且H2O2的形成依赖于NADPH氧化酶AtrbohD和AtrbohF。
4. PTX能显著抑制UV-B诱导保卫细胞H2O2的形成，外源H2O2也能逆转PTX对UV-B诱导气孔关闭的抑制效应；CTX能诱导可见光下保卫细胞H2O2的生成，且其诱导的H2O2的生成和气孔关闭均可被ASA、CAT和DPI抑制；UV-B不能诱导突变体gpa1-1和gpa1-2的保卫细胞形成H2O2，却能使cGα和wGα保卫细胞H2O2形成量高于野生型；外源H2O2能诱导可见光和UV-B辐射下突变体gpa1-1和gpa1-2的气孔关闭，CTX也不能诱导NADPH氧化酶AtrbohD和AtrbohF的功能缺失单突变体和双突变体的气孔关闭和保卫细胞H2O2的生成。上述结果表明在UV-B诱导气孔关闭的信号转导过程中Gα作用于H2O2的上游。
5. NO清除剂c-PTIO和硝酸还原酶（NR）抑制剂钨酸钠均能抑制UV-B诱导的拟南芥野生型气孔关闭和保卫细胞NO的形成；但UV-B辐射不能诱导NR单突变体nia1和双突变体nia1nia2的气孔关闭和保卫细胞NO的形成，却能诱导NR单突变体nia2气孔关闭和保卫细胞NO的形成。该结果不仅再次证明NO参与了UV-B诱导气孔关闭的信号转导过程，而且进一步表明UV-B诱导的NO依赖于Nia1，而不依赖于Nia2。
6. PTX能抑制UV-B诱导保卫细胞NO的形成，外源NO供体硝普钠（SNP）也明显逆转PTX对UV-B诱导气孔关闭的抑制效应；CTX能诱导可见光下保卫细胞NO的生成，且其诱导的NO的生成和气孔关闭均可被c-PTIO和钨酸钠显著抑制；UV-B不能诱导突变体gpa1-1和gpa1-2的保卫细胞形成NO，却能使cGα和wGα保卫细胞NO形成量高于野生型；SNP能诱导可见光和UV-B辐射下突变体gpa1-1和gpa1-2的气孔关闭，CTX却不能诱导突变体nia1和nia1nia2的气孔关闭和保卫细胞NO的生成。上述结果表明UV-B诱导的保卫细胞NO形成依赖于Gα。
7. 外源H2O2不能诱导可见光和UV-B辐射下突变体nia1和nia1nia2的气孔关闭，而SNP却能促使可见光和UV-B辐射下NADPH氧化酶AtrbohD和AtrbohF的功能缺失单突变体和双突变体的气孔关闭；UV-B辐射不能诱导NADPH氧化酶AtrbohD和AtrbohF的功能缺失单突变体和双突变体的保卫细胞形成NO，却能诱导突变体nia1和nia1/nia2保卫细胞形成H2O2。该结果表明UV-B诱导气孔关闭的信号链中H2O2在NO的上游发挥作用。
综上所述，本文结果阐明拟南芥叶片保卫细胞接受0.5 W·m-2 UV-B刺激后，启动了一个包括Gα、H2O2和NO的链式信号转导途径，该途径导致了气孔关闭。在该途径中，首先UV-B活化了异三聚体G蛋白的α亚基Gα，活化的Gα诱导了NADPH氧化酶AtrbohD和AtrbohF途径来源的H2O2产生，产生的H2O2又诱导了Nia1途径来源的NO形成，形成的NO进而导致气孔关闭。该结果不仅丰富了植物异三聚体G蛋白的生物学功能，而且有助于人们深入理解植物细胞响应UV-B辐射这一重要环境因子的信号转导机制。