新通道提升植物碳水利用效率

　　一直以來，促進光合作用碳同化與提高植物水分利用效率（WUE）似乎無法同時實現。近日，英國格拉斯哥大學的研究人員發現，增強氣孔動力學可以在不影響植物碳固定的情況下提高WUE。相關研究成果日前發表于《科學》雜志。

　　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，并通過蒸騰作用限制水分流出。這意味著氣孔吸收CO2的同時也會通過蒸騰作用損失一部分水分。

　　繼往的多數研究將提高WUE的努力集中于降低氣孔密度。“氣孔密度響應大氣中CO2濃度、光照、大氣相對濕度和脫落酸的變化，情況復雜，降低氣孔密度絕非易事。” 該論文作者之一、浙江大學農業與生物技術學院研究員王一州說，“此外，這種方式會明顯降低植物光合作用效率。”

　　2015年，意大利米蘭大學教授Anna Moroni等開發了藍光誘導K+通道1（BLINK1），在斑馬魚身上激活了K+通道。“這或許能夠應用到植物上，實現植物氣孔的調控。”該論文通訊作者、格拉斯哥大學教授、浙江大學講座教授Michael Blatt告訴《中國科學報》，30多年來，他一直致力于氣孔保衛細胞的離子轉運和定量建模，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細胞中表達了合成的光門控K+通道BLINK1，作為調節植物保衛細胞K+電導和加速光氣孔孔徑變化的工具，增強驅動氣孔孔徑的溶質通量，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度變化加快氣孔的開啟/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。

　　為驗證保衛細胞中的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。

　　此后，研究人員又在波動的光照中觀察植物。研究發現，當云從植物上方經過時，氣孔響應變慢，光合作用速率降低。“可以理解為，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產生的干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干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，以提高作物產量。

　　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。