AtCLCa介导的胞质pH稳态调控SO2 诱导的气孔关闭与保卫细胞死亡的分子机制

本研究针对SO2 污染引发植物气孔防御反应的分子机制不明问题，通过激素分析、突变体表型筛选及细胞生物学手段，揭示拟南芥中硝酸/质子反向转运蛋白AtCLCa通过调控胞质pH稳态，介导SO2 诱导的气孔关闭与保卫细胞死亡。研究发现SO2 毒性不依赖ABA、JA等激素信号或ROS/H2 S/NO通路，而直接通过弱酸特性引发胞质酸化，AtCLCa功能缺失突变体表现出显著增强的SO2 抗性。该成果为作物抗大气污染育种提供了新靶点，发表于《Plant and Cell Physiology》。

　　

大气污染物二氧化硫（SO₂
）长期威胁植物生存和农业生产。当SO₂
通过气孔进入叶片后，会溶解形成亚硫酸（H₂
SO₃
），但究竟如何触发气孔关闭这一关键防御反应，科学界存在多种假说：可能是植物激素如脱落酸（ABA）或茉莉酸（JA）的调控，也可能是活性氧（ROS）或气体信号分子如硫化氢（H₂
S）和一氧化氮（NO）的作用，还可能是H₂
SO₃
直接导致的胞质酸化。这些争议亟待实验验证，而阐明这一机制对培育抗污染作物具有重要意义。

为解决这一科学问题，冈山大学植物资源研究所的Lia Ooi、Takakazu Matsuura和Izumi C. Mori团队在《Plant and Cell Physiology》发表研究，通过多角度实验证明SO₂
诱导的气孔关闭主要依赖胞质酸化途径，而液泡膜定位的硝酸/质子反向转运蛋白AtCLCa（CLORIDE CHANNEL A）是调控这一过程的关键因子。研究首次揭示clca突变体因改善胞质pH稳态而显著增强对SO₂
的抗性，为理解植物应对大气污染的细胞学机制提供了新视角。

研究采用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）系统分析激素动态变化，结合激素信号缺陷突变体（如ABA受体六突变体sextuple和JA不敏感突变体coi1）的表型分析；通过ROS清除剂（NAC、tiron）和气体信号分子抑制剂（cPTIO、hypotaurine）的药理学实验；利用clca突变体进行气孔开度测量和保卫细胞活力检测（CFDA/PI双染色法），并比较了不同弱酸（马来酸与甲酸）对气孔运动的影响。

潜在植物激素参与SO₂
诱导气孔关闭的验证
LC-MS分析发现1.2 mM H₂
SO₃
处理导致JA、JA-Ile和IAA含量显著波动，ABA仅轻微上升。但JA不敏感突变体coi1和ABA受体缺陷突变体sextuple对SO₂
的气孔响应与野生型无差异，外源IAA处理也不改变气孔开度，表明这些激素并非SO₂
信号的核心介质。

气体信号分子与ROS的排除
与甘薯中报道不同，NO清除剂cPTIO和H₂
S清除剂hypotaurine未能抑制拟南芥的SO₂
诱导气孔关闭。ROS清除剂NAC和tiron同样无效，且NADPH氧化酶双突变体rbohD/F此前已被证明不影响该过程，基本排除了氧化应激途径的参与。

AtCLCa介导的胞质pH稳态机制
关键发现来自clca突变体分析：在0.3 mM H₂
SO₃
处理下，clca2和clca3的气孔开度分别比野生型WS和Col大32%和64%，保卫细胞死亡率显著降低。pKa1≈1.9的马来酸（与H₂
SO₃
酸性相近）能模拟SO₂
效应，而pKa1较高的甲酸无效，证实特定弱酸引发的胞质酸化是致死主因。AtCLCa作为液泡H⁺
/NO₃
^-
反向转运体，其功能缺失可能通过稳定胞质pH或阻止离子失衡来增强细胞存活。

整体表型与生态意义
有趣的是，clca突变体叶片在SO₂
处理后出现更严重褪绿，这是因为其保卫细胞存活时间延长导致更多SO₂
进入叶片。这一"气孔抗性悖论"提示作物改良需同时提升保卫细胞和叶肉细胞的SO₂
耐受性。

该研究确立了胞质酸化是SO₂
毒性的核心机制，AtCLCa作为pH稳态调节元件成为潜在分子靶标。发现不仅解释了不同物种对SO₂
敏感性差异的生化基础（如拟南芥与甘薯信号通路的区别），也为应对大气污染提供了新思路——通过调控质子转运系统而非传统防御通路来增强植物抗性。未来研究可探索AtCLCa同源基因在作物中的功能，或利用合成生物学手段设计pH缓冲系统，培育"智能气孔"调控的新品种。