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新通道提升植物碳水利用效率
來源:中國科學報 發布時間:2019-04-10

  一直以来,促进光合作用碳同化与提高植物水分利用效率(WUE)似乎无法同时实现。近日,英国格拉斯哥大学的研究人员发现,增强气孔动力学可以在不影响植物碳固定的情况下提高WUE。相关研究成果日前发表于《科学》杂志。

  植物葉片氣孔具有雙重且相互矛盾的作用,能夠促進二氧化碳流入葉片進行光合作用,並通過蒸騰作用限制水分流出。這意味著氣孔吸收CO2的同時也會通過蒸騰作用損失一部分水分。

  继往的多数研究将提高WUE的努力集中于降低气孔密度。“气孔密度响应大气中CO2浓度、光照、大气相对湿度和脱落酸的变化,情况复杂,降低气孔密度绝非易事。” 该论文作者之一、浙江大学农业与生物技术学院研究员王一州说,“此外,这种方式会明显降低植物光合作用效率。”

  2015年,意大利米兰大学教授Anna Moroni等开发了蓝光诱导K 通道1(BLINK1),在斑马鱼身上激活了K 通道。“这或许能够应用到植物上,实现植物气孔的调控。”该论文通讯作者、格拉斯哥大学教授、浙江大学讲座教授Michael Blatt告诉《中国科学报》,30多年来,他一直致力于气孔保卫细胞的离子转运和定量建模,并且非常有兴趣制定通过气孔功能改善作物用水的策略。

  研究人员在拟南芥气孔中的保卫细胞中表达了合成的光门控K 通道BLINK1,作为调节植物保卫细胞K 电导和加速光气孔孔径变化的工具,增强驱动气孔孔径的溶质通量,加速光照下的气孔开度和照射后的闭合。

  Blatt介紹,研究試圖通過加快光強度變化加快氣孔的開啓/關閉:當光強度上升時,氣孔打開得更快,增加CO2進入植物的量;當光強度下降時,氣孔關閉更快,減少水分的流失。通過關注氣孔運動的動力學,有效地將CO2增加和水分損失的影響暫時分開。

  爲驗證保衛細胞中的BLINK1是否發揮了此功能,研究人員檢測了在日光期間生長的BLINK1轉基因株系,發現其在生物量積累、花環面積擴展或用水方面,與正常植株無明顯差異。

  此後,研究人員又在波動的光照中觀察植物。研究發現,當雲從植物上方經過時,氣孔響應變慢,光合作用速率降低。“可以理解爲,較慢的氣孔動力學限制了氣體交換。”王一州說。

  與此同時,研究人員觀測在白天波動的日光期間生長的BLINK1轉基因株系,發現BLINK1加速了氣孔運動速率。與非轉基因株系對比,BLINK1轉基因株系每單位水蒸發産生的幹質量或碳同化的瞬時速率與蒸騰速率的比率明顯提高,證明BLINK1有利于碳同化和水的利用。

  此外,研究人員還發現,在充水和缺水條件下,BLINK1轉基因株系植物生長的總幹物質量與穩態轉換相似,證明通過提高氣孔動力學提高WUE具有穩定性。

  王一州表示,該研究具有極大的應用價值,希望能夠探索其在一些經濟作物,比如棉花上的應用,以提高作物産量。

  Blatt表示,氣孔保衛細胞的實驗只是研究的一部分,下一步,研究團隊計劃使用光遺傳學工具,理解植物中不同組織類型之間的功能鏈接。


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