新通道提升植物碳水利用效率

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來源：科學網

2019-04-09

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。

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(xiàn)。近日，英國格拉斯哥大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，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(fā)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(yè)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(fā)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(xiàn)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(wèi)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(wèi)細胞中表達了合成的光門控K+通道BLINK1，作為調節(jié)植物保衛(wèi)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(wèi)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的BLINK1轉基因株系，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)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(fā)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(fā)現(xiàn)，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(wěn)態(tài)轉換相似，證明通過提高氣孔動力學提高WUE具有穩(wěn)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。