新通道提升植物碳水利用效率

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2019-04-09

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

一直以來(lái)，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(wú)法同時(shí)實(shí)現。近日，英國格拉斯哥大學(xué)的研究人員發(fā)現，增強氣孔動(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(guò)蒸騰作用限制水分流出。這意味著(zhù)氣孔吸收CO2的同時(shí)也會(huì )通過(guò)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(xué)農業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院研究員王一州說(shuō)，“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A(yíng)nna Moroni等開(kāi)發(fā)了藍光誘導K+通道1（BLINK1），在斑馬魚(yú)身上激活了K+通道。“這或許能夠應用到植物上，實(shí)現植物氣孔的調控。”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《中國科學(xué)報》，30多年來(lái)，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(guò)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(mén)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(dòng)氣孔孔徑的溶質(zhì)通量，加速光照下的氣孔開(kāi)度和照射后的閉合。

Blatt介紹，研究試圖通過(guò)加快光強度變化加快氣孔的開(kāi)啟/關(guān)閉：當光強度上升時(shí)，氣孔打開(kāi)得更快，增加CO2進(jìn)入植物的量；當光強度下降時(shí)，氣孔關(guān)閉更快，減少水分的流失。通過(guò)關(guān)注氣孔運動(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(kāi)。

為驗證保衛細胞中的BLINK1是否發(fā)揮了此功能，研究人員檢測了在日光期間生長(cháng)的BLINK1轉基因株系，發(fā)現其在生物量積累、花環(huán)面積擴展或用水方面，與正常植株無(wú)明顯差異。

此后，研究人員又在波動(dòng)的光照中觀(guān)察植物。研究發(fā)現，當云從植物上方經(jīng)過(guò)時(shí)，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(dòng)力學(xué)限制了氣體交換。”王一州說(shuō)。

與此同時(shí)，研究人員觀(guān)測在白天波動(dòng)的日光期間生長(cháng)的BLINK1轉基因株系，發(fā)現BLINK1加速了氣孔運動(dòng)速率。與非轉基因株系對比，BLINK1轉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，在充水和缺水條件下，BLINK1轉基因株系植物生長(cháng)的總干物質(zhì)量與穩態(tài)轉換相似，證明通過(guò)提高氣孔動(dòng)力學(xué)提高WUE具有穩定性。

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