Введение
Парами клеток, которые контролируют стоматологическую отверстие, являются специализированные растительные клетки в эпидермисе листьев, стеблей и других органов, которые используются для контроля газообмена. Они образуются парами, между которыми имеется промежуток, образующий стоматологические поры. Стоматологические поры наиболее крупны, когда вода свободно доступна, и охранные клетки становятся пульсифицированными, и закрыты, когда доступность воды критически мала, и охранные клетки становятся вялыми. Фотосинтез зависит от диффузии углекислого газа (CO2) из воздуха через желудочки в мезофильные ткани. Кислород (O2), полученный в качестве побочного продукта фотосинтеза, выходит из растения через желудочки. Когда желудочки открыты, вода теряется в результате испарения и должна быть заменена через потоки транспирации, с водой, поглощаемой корнями. Растения должны уравновешивать количество CO2, поглощенного из воздуха, с потерями воды через стоматологические поры, и это достигается как активным, так и пассивным контролем тургорное давление защитной клетки и размера стоматологических поров.
Guard cells are specialized plant cells in the epidermis of leaves, stems and other organs that are used to control gas exchange. They are produced in pairs with a gap between them that forms a stomatal pore. The stomatal pores are largest when water is freely available and the guard cells become turgid, and closed when water availability is critically low and the guard cells become flaccid. Photosynthesis depends on the diffusion of carbon dioxide (CO2) from the air through the stomata into the mesophyll tissues. Oxygen (O2), produced as a byproduct of photosynthesis, exits the plant via the stomata. When the stomata are open, water is lost by evaporation and must be replaced via the transpiration stream, with water taken up by the roots. Plants must balance the amount of CO2 absorbed from the air with the water loss through the stomatal pores, and this is achieved by both active and passive control of guard cell turgor pressure and stomatal pore size.
Функция охранной ячейки
Охранные клетки - это клетки, окружающие каждую стому. Они помогают регулировать скорость транспирации, открывая и закрывая желудочки. Свет - главный триггер для открытия или закрытия. Каждая клетка-хранитель имеет относительно толстую и тонкую кутикулу на стороне поры и тонкую напротив нее. Когда вода входит в клетку, тонкая сторона выпуклости выступает наружу, как воздушный шар, и тянет с собой толстую сторону, образуя полумесяц; объединенные полумесяцы образуют отверстие поры. Охранные клетки содержат белки фототропина, которые являются серинными и треониновыми киназами с активностью фоторецепторов синего света. Фототрофины содержат два домена светового, кислородного и датчика напряжения (LOV) и являются частью суперсемейства доменов PAS. Фототропины вызывают множество реакций, таких как фототропизм, движение хлоропластов и расширение листьев, а также открытие стоматозной стенки. Серин и треонин затем фосфорилируются в белке, что вызывает активность H+ АТФазы.) и различно ориентированных микроволокнов целлюлозы, заставляя их изгибаться наружу, когда они выпуклые, что, в свою очередь, заставляет желудочки открываться. Стоматы закрываются, когда происходит осмотическая потеря воды, возникающая из-за потери K+ в соседние клетки, в основном ионов калия (K+).
Потери воды и эффективность использования воды
Водный стресс (суха и соляный стресс) является одной из основных экологических проблем, вызывающих серьезные потери в сельском хозяйстве и в природе. Устойчивость растений к засухе обусловлена несколькими механизмами, которые работают вместе, включая стабилизацию и защиту растения от повреждений, вызванных высыханием, а также контроль того, сколько воды растения теряют через стоматологические поры во время засухи. В ответ на засуху вырабатывается растительный гормон - абсцисовая кислота (АВК). Выявлен основной тип рецептора АБА. Растительный гормон АВА заставляет стоматологические поры закрываться в ответ на засуху, что уменьшает потери воды растений через перенос в атмосферу и позволяет растениям избегать или замедлять потери воды во время засухи. Использование растений, устойчивых к засухе, приведет к сокращению потерь урожая во время засухи. Поскольку защитные ячейки контролируют потерю воды растений, исследование того, как регулируется открытие и закрытие стоматологических сосудов, может привести к разработке растений с улучшенным предотвращением или замедлением высыхания и лучшей эффективностью использования воды.
Поглощение и высвобождение ионов
Поглощение ионов в защитные клетки вызывает открытие стоматологического отверстия: для открытия поров газообмена требуется поглощение ионов калия в защитные клетки. Калийные каналы и насосы были определены и показали свою функцию в поглощении ионов и открытии стоматологических отверстий. Выделение ионов из защитных клеток вызывает закрытие стоматологических пор: были выявлены другие ионные каналы, которые опосредуют высвобождение ионов из защитных клеток, что приводит к осмотическому выходу воды из защитных клеток в результате осмоса, сокращения защитных клеток и закрытия стоматологических пор (рисунки 1 и 2). Специализированные каналы выброса калия участвуют в опосредованном высвобождении калия из клеток-хранителей. Анионные каналы были определены как важные регуляторы закрытия стоматологии. Анионные каналы выполняют несколько основных функций в контроле за закрытием стоматологии: в результате высвобождения отрицательно заряженных анионов из клеток-хранителей происходит электрическое смещение мембраны к более положительным напряжениям (деполяризация) на внутриклеточной поверхности плазменной мембраны клеток-хранителей. Эта электрическая деполяризация клеток-хранителей приводит к активации внешних калийных каналов и высвобождению калия через эти каналы. По крайней мере два основных типа анионных каналов были охарактеризованы в плазменной мембране: анионные каналы типа S и анионные каналы типа R.
Вакуолярный ионный транспорт
Вакуолы - это крупные внутриклеточные органеллы, хранящиеся в клетках растений. В дополнение к ионным каналам в плазменной мембране вакуолярные ионные каналы выполняют важные функции в регулировании открытия и закрытия стоматологии, поскольку вакуолы могут занимать до 90% объема охранной клетки. Поэтому большинство ионов выделяются из вакуолов, когда стоматы закрыты. Васкулярные каналы K+ (VK) и быстрые вакулярные каналы могут опосредовывать высвобождение K+ из вакуолов. Вакуолярные каналы K+ (VK) активируются при повышении внутриклеточной концентрации кальция. Было показано, что SV-каналы функционируют как катионные каналы, которые проницаемы для ионов Ca2+, а Guard-клетки контролируют газообмен и ионный обмен через открытие и закрытие. K+ - это один ион, который входит и выходит из клетки, вызывая положительный заряд. Малат является одним из основных анионов, используемых для противодействия этому положительному заряду, и он перемещается через ионный канал AtALMT6. AtALMT6 - это алюминиевый активированный малатовый транспортер, который содержится в охранных клетках, в частности, в вакуолах. Этот канал транспортировки вызывает приток или выток малата в зависимости от концентрации кальция. Защитные клетки также являются отличной моделью для основных исследований того, как клетка интегрирует многочисленные виды входных сигналов для получения ответа (открытие или закрытие желудка). Эти реакции требуют координации многочисленных клеточных биологических процессов в клетках-хранителях, включая прием сигналов, регулирование ионных каналов и насосов, мембранный трафик, транскрипцию, перестройку цитоскелета и многое другое. В будущих исследованиях важно определить, как некоторые из выявленных белков будут выполнять свою функцию в этих разнообразных клеточных биологических процессах.
Guard cells control gas exchange and ion exchange through opening and closing. K+ is one ion that flows both into and out of the cell, causing a positive charge to develop. Malate is one of the main anions used to counteract this positive charge, and it is moved through the AtALMT6 ion channel. AtALMT6 is an aluminum activated malate transporter that is found in guard cells, specifically in the vacuoles. This transport channel was found to cause either an influx or efflux of malate depending on the concentrations of calcium. Guard cells also provide an excellent model for basic studies on how a cell integrates numerous kinds of input signals to produce a response (stomatal opening or closing). These responses require coordination of numerous cell biological processes in guard cells, including signal reception, ion channel and pump regulation, membrane trafficking, transcription, cytoskeletal rearrangements and more. A challenge for future research is to assign the functions of some of the identified proteins to these diverse cell biological processes.
Разработка
Во время развития листьев растений специализированные защитные клетки дифференцируются от "хранительных материнских клеток". Плотность стоматологических поров в листьях регулируется сигналами окружающей среды, включая увеличение концентрации CO2 в атмосфере, что уменьшает плотность стоматологических поров на поверхности листьев у многих видов растений по неизвестным на данный момент механизмам. Генетику развития стоматологии можно непосредственно изучить с помощью визуализации эпидермиса листьев с помощью микроскопа. Было выявлено несколько основных контрольных белков, которые функционируют в пути, опосредующем развитие защитных клеток и стоматологических поров.