新通道提升植物碳水利用效率

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來源：科學(xué)網(wǎng)

2019-04-09

王一州表示，該研究具有極大的應(yīng)用價(jià)值，希望能夠探索其在一些經(jīng)濟(jì)作物，比如棉花上的應(yīng)用，以提高作物產(chǎn)量。

一直以來，促進(jìn)光合作用碳同化與提高植物水分利用效率（WUE）似乎無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)。近日，英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)氣孔動(dòng)力學(xué)可以在不影響植物碳固定的情況下提高WUE。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

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

繼往的多數(shù)研究將提高WUE的努力集中于降低氣孔密度。“氣孔密度響應(yīng)大氣中CO2濃度、光照、大氣相對(duì)濕度和脫落酸的變化，情況復(fù)雜，降低氣孔密度絕非易事。” 該論文作者之一、浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院研究員王一州說，“此外，這種方式會(huì)明顯降低植物光合作用效率。”

2015年，意大利米蘭大學(xué)教授Anna Moroni等開發(fā)了藍(lán)光誘導(dǎo)K+通道1（BLINK1），在斑馬魚身上激活了K+通道。“這或許能夠應(yīng)用到植物上，實(shí)現(xiàn)植物氣孔的調(diào)控。”該論文通訊作者、格拉斯哥大學(xué)教授、浙江大學(xué)講座教授Michael Blatt告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，30多年來，他一直致力于氣孔保衛(wèi)細(xì)胞的離子轉(zhuǎn)運(yùn)和定量建模，并且非常有興趣制定通過氣孔功能改善作物用水的策略。

研究人員在擬南芥氣孔中的保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)了合成的光門控K+通道BLINK1，作為調(diào)節(jié)植物保衛(wèi)細(xì)胞K+電導(dǎo)和加速光氣孔孔徑變化的工具，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)氣孔孔徑的溶質(zhì)通量，加速光照下的氣孔開度和照射后的閉合。

Blatt介紹，研究試圖通過加快光強(qiáng)度變化加快氣孔的開啟/關(guān)閉：當(dāng)光強(qiáng)度上升時(shí)，氣孔打開得更快，增加CO2進(jìn)入植物的量；當(dāng)光強(qiáng)度下降時(shí)，氣孔關(guān)閉更快，減少水分的流失。通過關(guān)注氣孔運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)，有效地將CO2增加和水分損失的影響暫時(shí)分開。

為驗(yàn)證保衛(wèi)細(xì)胞中的BLINK1是否發(fā)揮了此功能，研究人員檢測(cè)了在日光期間生長(zhǎng)的BLINK1轉(zhuǎn)基因株系，發(fā)現(xiàn)其在生物量積累、花環(huán)面積擴(kuò)展或用水方面，與正常植株無明顯差異。

此后，研究人員又在波動(dòng)的光照中觀察植物。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)云從植物上方經(jīng)過時(shí)，氣孔響應(yīng)變慢，光合作用速率降低。“可以理解為，較慢的氣孔動(dòng)力學(xué)限制了氣體交換。”王一州說。

與此同時(shí)，研究人員觀測(cè)在白天波動(dòng)的日光期間生長(zhǎng)的BLINK1轉(zhuǎn)基因株系，發(fā)現(xiàn)BLINK1加速了氣孔運(yùn)動(dòng)速率。與非轉(zhuǎn)基因株系對(duì)比，BLINK1轉(zhuǎn)基因株系每單位水蒸發(fā)產(chǎn)生的干質(zhì)量或碳同化的瞬時(shí)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(fā)現(xiàn)，在充水和缺水條件下，BLINK1轉(zhuǎn)基因株系植物生長(zhǎng)的總干物質(zhì)量與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換相似，證明通過提高氣孔動(dòng)力學(xué)提高WUE具有穩(wěn)定性。

王一州表示，該研究具有極大的應(yīng)用價(jià)值，希望能夠探索其在一些經(jīng)濟(jì)作物，比如棉花上的應(yīng)用，以提高作物產(chǎn)量。