新通道提升植物碳水利用效率

据本报记者(见习记者不夜)报道，促进光合作用碳同化和提高植物水分利用效率(WUE)似乎不能同时实现。最近，来自格拉斯哥大学的研究人员发现，增强气孔动态可以改善WUE，而不影响植物的固碳。相关的研究结果最近发表在《科学》杂志上。

植物叶片的气孔具有双重而矛盾的功能，它能促进二氧化碳流入叶片进行光合作用，并通过蒸腾作用限制水分的流出。这意味着气孔吸收二氧化碳，也通过蒸腾作用损失一些水分。

以前的大部分研究将集中在降低气孔密度以改善WUE。气孔密度对大气CO2浓度、光照、大气相对湿度和脱落酸的变化有反应。情况很复杂，降低气孔密度并不容易。”论文作者之一、浙江大学农业与生物技术学院的研究员王一舟说，“此外，这种方法会显著降低植物的光合效率。”

2015年，意大利米兰大学教授安娜·莫罗尼(Anna Moroni)和其他人开发了蓝光诱导的K+通道1(BLINK1)，它激活了斑马鱼的K+通道。"这可以应用于植物来调节气孔."该论文的通信作者、格拉斯哥大学教授、浙江大学教授迈克尔·布拉特告诉《中国科学日报》，30多年来，他一直致力于离子传输和气孔保卫细胞的定量建模，并对制定通过气孔功能提高作物水分利用的策略非常感兴趣。

研究人员在拟南芥气孔保卫细胞中表达合成的光门控钾离子通道BLINK1，作为调节植物保卫细胞钾离子电导和加速气孔开度变化的工具，增强驱动气孔开度的溶质通量，加速光照下气孔的打开和光照后的关闭。

布拉特说，这项研究试图通过加速光强度的变化来加速气孔的打开/关闭:当光强度增加时，气孔打开得更快，增加了进入植物的CO2量；当光强度降低时，毛孔关闭得更快，减少了水分的流失。通过关注气孔运动的动力学，可以暂时有效地分离CO2增加和水分损失的影响。

为了验证保护细胞中的BLINK1是否具有这种功能，研究人员检查了在阳光下生长的BLINK1转基因株系，发现在生物量积累、莲座区扩大或耗水量方面与正常植物没有显著差异。

从那以后，研究人员在波动的光线下观察植物。研究发现，当云掠过植物时，气孔反应变慢，光合作用速率降低。"可以理解，较慢的孔隙动力学限制了气体交换."王一舟说。

同时，研究人员观察到BLINK1转基因株系在白天波动的阳光下生长，发现BLINK1加快了气孔运动速率。与非转基因品系相比，BLINK1转基因品系显著提高了单位水分蒸发的干质量或瞬时碳同化速率与蒸腾速率的比值，证明BLINK1有利于碳同化和水分利用。

此外，研究人员还发现，BLINK1转基因植物生长的总干物质质量与充水和缺水条件下的稳态转化相似，证明了WUE通过改善气孔动力学是稳定的。

王一舟说，这项研究具有很大的应用价值，并希望探索其在棉花等一些经济作物上的应用，以提高作物产量。

布拉特说，气孔保卫细胞实验只是研究的一部分。接下来，研究小组计划使用光遗传学工具来理解植物不同组织类型之间的功能联系。

相关论文信息:DOI: 10.1126/science.aaw0046

中国科学新闻(2019-04-02，第一版集锦)