农学院王一州团队ScienceAdvances揭示改善气孔动力学提升植物水分利用效率的机制

气孔存在于绝大多数陆生植物的表面，是由一对保卫细胞构成的微孔隙结构。气孔开闭是植物与环境进行气体交换的最主要通道。在气孔张开时，光合作用的重要底物CO₂会通过气孔扩散到同化器官内部，同时植物体的水分也会通过气孔扩散到环境中。植物光合碳同化的效率与水分散失的比例被称为植物的水分利用效率（Water Use Efficiency, WUE）。可见，气孔在调控植物水分利用效率中扮演着至关重要的角色。然而，植物的光合作用速率通常比气孔的运动速率快1至2个数量级，这种差异导致了不必要的水分流失，从而降低了WUE。课题组前期通过光遗传学手段在植物中过表达人工合成钾离子通道BLINK1，以加速气孔的开闭速率，从而提升植物的碳水利用效率（Science，2019）。如何利用植物天然的离子转运体，有效改善气孔动力学（stomatal kinetics，即气孔开闭的速度），以进一步提升植物的水分利用效率，则成为业界研究的重点。

近日，农学院王一州团队联合北京大学、英国格拉斯哥大学和日本名古屋大学等单位，在Science Advances期刊上发表了题为Dual function of overexpressing plasma membrane H⁺-ATPase in balancing carbon-water use的研究成果。研究团队首先利用OnGuard模型在波动光下筛选出有助于改善气孔动力学的重要膜转运蛋白，进一步借助实验方法证实了保卫细胞中的质膜质子ATP酶（plasma membrane H⁺-ATPase）可以有效提升气孔的开闭速度。通过在不同光照环境下种植质膜质子ATP酶的超表达株系（GC1：：AHA2），研究团队发现在较高的恒定光下，超表达株系的生物量相较野生型植物显著增加；而在波动光下，超表达株系的生物量虽然没有明显增加，但是水分利用效率显著提升。这些研究结果揭示了质膜质子ATP酶在平衡碳同化与水利用方面的双重作用，强调了计算模拟在未来改善气孔功能研究中的重要性。

本文的第一单位为浙江大学；共同通讯作者为浙江大学王一州研究员和北京大学王愔研究员；共同第一作者为浙江大学蒋杭进研究员与王一州课题组的硕士生苏敬涵。此次研究得到了来自英国格拉斯哥大学的Michael R. Blatt教授、Adrian Hills，以及日本名古屋大学的Toshinori Kinoshita教授等的参与与支持。本课题的研究工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和崖州湾种子实验室等机构的资助。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp8017

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