综述：禾本科植物气孔模式建成与发育

本综述系统阐述了禾本科植物气孔发育的分子机制与形态建成路径，聚焦其独特的哑铃型保卫细胞（GCs）和并列副卫细胞（SCs）的发育范式。文章揭示了由SPCH/ICE转录因子级联、SCR/SHR介导的维管关联模式、MUTE调控的副卫细胞母细胞（SMCs）极化、以及PAN/WPR/ROP信号模块控制的细胞不对称分裂等核心机制，强调了气孔形态与快速开闭动力学（EPF/EPFL信号调控）的功能关联，为作物水分利用效率（WUE）的遗传改良提供了发育生物学视角。

　　

禾本科植物气孔模式建成与发育

引言

植物气孔是叶片和茎部表皮上调节植物-大气气体交换的表皮复合结构。禾本科植物（Poaceae）形成了高度衍生的气孔形态：两个哑铃形的保卫细胞（GCs）两侧各有一个平行排列的副卫细胞（SCs），这被认为是植物界中最衍生且开闭最快的气孔形态。禾本科植物的气孔在严格线性梯度中发育，具有高度可预测的时空模式，使其成为研究发育生物学的理想系统。

distinct developmental modules coordinate stomatal initiation between and within tissues

禾本科叶片表皮发育以半克隆线性细胞列的形式进行，细胞列的身份在叶片基部通过对称的原表皮细胞分裂确定。模型植物二穗短柄草（Brachypodium distachyon）的远轴叶表皮由气孔列和毛状细胞列组成。气孔列仅产生未来的保卫细胞和气孔间细胞，这些细胞要么分化为铺路细胞，要么被重编程为副卫细胞母细胞（SMCs）以形成副卫细胞。bHLH转录因子SPEECHLESS1（SPCH1）、SPCH2和INDUCER OF CBF EXPRESSION 1（ICE1/SCRM）的突变体在二穗短柄草和水稻中无法启动气孔谱系。有趣的是，在完全渗透的非起始突变体如bdice1中，本应形成气孔的细胞列转而形成毛状细胞；反之，过表达BdSPCH2会重编程毛状细胞前体形成异位保卫细胞对。这些相反表型表明早期叶表皮中存在两种拮抗的细胞身份模块，分别调控气孔列和毛状细胞列的身份。

此外，禾本科植物的气孔列总是形成于叶脉旁边，表明存在协调维管发育和气孔身份的发育模块。GRAS结构域转录因子SCARECROW（SCR）和SHORTROOT（SHR）在水稻、玉米和二色蜀黍（Setaria viridis）的突变体中出现多效性效应，影响气孔形成，表明这些蛋白参与气孔列的启动。

A conserved cell signalling module regulates stomatal file patterning

在拟南芥中，气孔密度和模式通过调节气孔谱系基础细胞（SLGCs）和分生组织细胞的分裂潜能和分裂方向来控制。而禾本科植物既没有SLGCs也没有分生组织细胞，其密度调控依赖于相邻气孔列的数量（通常为1-3列）和每列气孔的数量。 specialized表皮细胞（即毛状细胞或气孔）与至少一个大铺路细胞交替出现的列内模式取决于不对称的横向“模式分裂”。

保守的气孔信号级联成分参与维持分裂后的命运不对称性。在禾本科植物中，中脉衍生的STOMAGEN-1（也称为EPFL9或EPFL9-1）及其旁系同源物EPFL10（EPFL9-2, STOMAGEN-2）促进气孔起始；而EPF1和EPF2则降低叶片气孔密度。在二穗短柄草和大麦中，yda1突变体显示列内出现气孔、毛状细胞和硅质/栓质细胞的簇集，表明YDA1在横向模式分裂后较大的子细胞中抑制气孔和毛状细胞命运。BdYDA1在较大基细胞基部极化分布，暗示其在大的基细胞中不对称地抑制特化表皮细胞命运。大麦中 putative气孔极性基因HvBREVIS RADIX-Solo（HvBRX-Solo）的突变与大麦yda1突变体表型相似，提示细胞极性与MAPK信号之间存在联系。

Establishment, polarization and division of the subsidiary cell lineage

在产生小保卫母细胞（GMC）和大气孔间铺路细胞的横向模式分裂之后，已建立的GMC招募侧向平行的副卫细胞（SCs）。首先，GMC相邻细胞获得SMC命运；其次，SMC强烈极化，导致细胞核向GMC/SMC界面迁移；第三，一次纵向不对称分裂形成一个SC，随后分化并功能整合入气孔复合体。

SC发育的主调控因子是bHLH转录因子MUTE，禾本科mute突变体缺乏SCs。MUTE在GMCs中表达，其蛋白随后移动到相邻细胞列中以启动SMC命运。如果这种移动性受损，GMC和SMC分裂的时空协调会严重紊乱。除SC形成中的作用外，MUTE还确保正确的GMC分裂。水稻和玉米的突变体完全中止气孔复合体形成，因为所有GMC进行横向而非纵向分裂，导致孔形成失败和GC分化停滞。二穗短柄草的mute突变体形成75%功能正常但缺少SCs的两细胞气孔，25%的复合体中止并显示倾斜或横向分裂。GMCs中低水平的功能性BdMUTE足以挽救分裂面定向错误但不能挽救SC招募，表明MUTE在GMC分裂面定向中具有GMC自主作用。

SMC分裂高度不对称，因此需要近端和远端极性因子的相互作用以确保细胞核向GMC/SMC界面迁移和在GMC上下方建立皮质分裂位点。一套极性因子特异定位于GMC/SMC界面。最初，BRICK家族（BRK）蛋白（编码SCAR/WAVE组分）在GMC/SMC界面极性定位。近端极性域的建立似乎不依赖于SMC身份，且先于并有助于近端肌动蛋白斑块形成。PAN2而非PAN1是极化WEB1/PMI2-Related（WPR）蛋白所必需的，WPR蛋白直接与肌动蛋白相互作用，因此可能参与肌动蛋白斑块形成。SMC细胞核随后向靠近GMC/SMC界面的未来分裂位点迁移，该过程由近端结构域引导。核膜蛋白MAIZE LINC KASH SINE-LIKE2将SMC细胞核连接到细胞骨架以指导核迁移并稳定分裂位点的核位置，这是正确分裂面定向所必需的。在二穗短柄草SMCs中，一个短暂的远端极性结构域由BdPOLAR形成，它由近端结构域（即BdPAN1）极化并指导SMC分裂面定向，可能通过排斥皮质分裂位点形成。

在玉米中，phragmoplast然后在SMC分裂面形成，并由肌球蛋白OPAQUE1/DISCORDIA2（O1）和推定的PHRAGMOPLAST ORIENTING KINESIN（POK）类驱动蛋白引导至皮质分裂位点。此外，最近发现表明O1和完整的肌动蛋白丝似乎是微管结合蛋白TANGLED1（TAN1）在皮质SMC分裂位点积累所必需的，以重组微管定向从而影响分裂面定向。在二穗短柄草中，BdPOLAR在分裂后迅速重新定位于新形成的SC，这种重定位在拟南芥气孔谱系中未见。

Guard cell morphogenesis and stomatal maturation

SC招募后，一次对称的纵向GMC分裂形成GC对。GMC分裂后，形成孔，细胞骨架重组，细胞壁各向异性修饰以建立禾本科GC独特的哑铃形状。此外，与相关的帚灯草目（如Flagellariaceae）不同，禾本科GC顶端之间形成大的共质体连接。有限元建模方法表明，中央杆处广泛的细胞壁增厚和GC之间的共质体连接分别对于高效气孔开放和GC间压力均衡化是必需的。这些生物力学建模方法也证实了大量实验数据，表明SC和GC的相互加压对于卓越的气孔动力学是必需的。

GC分化和孔形成需要转录因子FAMA和SCRM2，它们可能作为异源二聚化伙伴发挥作用。它们在二穗短柄草中的相应突变体在GMC分裂后中止气孔发育，未能形成孔且不启动哑铃形GC形态建成。虽然这让人联想到FAMA在拟南芥中的作用，但禾本科FAMA缺乏与细胞周期抑制剂RETINOBLASTOMA-RELATED（RBR）相互作用的LxCxE motif，并且似乎没有分裂抑制的作用。GC形态建成的关键作用可能归于禾本科SCRM2，它在二穗短柄草中 apparently亚功能化以控制GC形态建成和分化。显著的是，禾本科SCRM2同源物在莎草科（Cyperaceae）中缺失，莎草科是帚灯草目但缺乏禾本科样哑铃GC，这表明禾本科SCRM2在生成哑铃形GCs中的作用。

除了这个初始转录因子模块外，只有少数控制GC形态建成和成熟的因子已知。例如，玉米表位酶BIZUI3（BZU3）似乎参与气孔复合体的形态建成。BZU3催化UDP-半乳糖转化为UDP-葡萄糖（可能用于气孔壁形成）和UDP-GalNAc转化为UDP-GlcNAc（植物中蛋白质N-糖基化的供体）。确实，bzu3突变体的糖蛋白质组学揭示了像PAN2这样蛋白质N-糖基化状态的改变，而PAN2是SC形态建成所必需的。进一步研究表明，SC形成非细胞自主地是二穗短柄草正常GC形态建成所必需的，因为不招募SCs的GCs未能形成哑铃形状。这可能表明共享的GC-SC质外体（PAN2从分裂前到气孔成熟主要驻留于此）在气孔复合体形态建成中的作用。

最后，通过突变二穗短柄草中一个毛状细胞特异性过氧化物酶（BdPOX）来改变细胞壁性质和叶毛状细胞大小，间接导致GC广泛伸长。这种效应可能是由于毛状细胞伸长和气孔伸长之间的生物力学反馈，以平衡和协调表皮细胞大小。这些数据表明气孔和毛状细胞在分化晚期存在协调发育，此外还有叶片表皮 Mediolateral 模式建成过程中的协调发育。

Outlook

禾本科植物的禾本科气孔形态可以说是植物界中最衍生的气孔形式。尽管副卫细胞（SCs）的数量和排列在陆地植物中多样且可变，但大多数陆地植物科形成肾形GCs，而哑铃形GCs仅存在于禾本科和一些密切相关的帚灯草目（如莎草科）物种中。禾本科形态通过实验与快速气孔动力学相关联，在恶劣气候条件下提供优势。虽然禾本科植物内部和跨物种的气孔生理学是研究焦点，但其发育方面仍有许多待研究。例如，准确将气孔行列置于叶脉旁边的分子途径、分化和功能整合SCs或指导独特GC形态建成的机制仍然未知。尽管在细胞壁成熟和组成方面取得了进展，但禾本科植物气孔细胞壁的生化和生物力学细节了解甚少。此外，尽管气孔信号途径的一些遗传参与者已被证明是列内模式所必需的，但哪些受体感知EPF配体、信号如何超越YDA传递以及哪些转录因子被磷酸化和降解仍然未知。而且，有强烈迹象表明，与拟南芥相比，禾本科气孔谱系和表皮模式建成中的内在细胞极性由不同参与者调控。最后，尽管许多发育模块在驯化谷类作物（即水稻、玉米、大麦）和野生模型禾草（如二穗短柄草）中功能保守，但重要差异（如mute突变对GC发育的不同影响和基因家族数量（即SPCH, ICE1）的差异扩展）未来必须解决。比较（单细胞）转录组学以及正向和反向遗传学将进一步增进我们对禾本科如何形成植物界最快、形态最衍生的气孔复合体的理解，以及如何利用这些发育模块来理解禾本科气孔形式如何改善功能。