来自 科技前沿 2019-09-23 15:32 的文章
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新通道提升植物碳水利用效率,上海生科院发现

大气CO2浓度升高不仅加剧了全球气候变化,还改变了动植物的生长发育过程。其中,对C3植物最重要的影响是增加了光合作用,并降低气孔导度。而植物气孔导度的降低导致植物蒸腾作用降低,水分利用率增加,对蚜虫这类取食植物韧皮部汁液的刺吸式口器昆虫来说,寄主植物保持相对高的水势和膨压对蚜虫被动取食、获取植物汁液非常重要。在调节水分利用效率和叶片气孔的张开程度过程中,植物脱落酸信号途径发挥至关重要的作用。当ABA信号通路被阻断,植物不能够通过调节气孔的关闭保持自身水分平衡,从而对水分胁迫非常敏感。在深入研究CO2浓度升高对植物-蚜虫营养和抗性关系影响的基础上,中国科学院动物研究所种群生态与全球变化研究组利用蒺藜苜蓿-豌豆蚜研究系统进一步探讨CO2浓度升高如何通过调节植物水势,进而影响蚜虫的取食行为、体内代谢与渗透调节(osmoregulation)。

一直以来,促进光合作用碳同化与提高植物水分利用效率似乎无法同时实现。近日,英国格拉斯哥大学的研究人员发现,增强气孔动力学可以在不影响植物碳固定的情况下提高WUE。相关研究成果日前发表于《科学》杂志。

3月21日,国际学术期刊The Plant Cell 发表了中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所王永飞研究组题为S-type Anion Channels SLAC1 and SLAH3 Function as Essential Negative Regulators of Inward K+ Channels and Stomatal Opening in Arabidopsis 的研究论文。该研究发现了一个ABA信号途径通过蛋白互作抑制光信号途径,并因此抑制植物气孔开放的新机制。

研究表明,蚜虫在取食汁液过程中可以诱导寄主植物ABA信号途径的激活,导致部分气孔的闭合,降低了气孔导度,有利于寄主植物保持较高的水分状态;相对而言,气孔对ABA不敏感型突变体(Sta-1)在蚜虫为害后,无法调节气孔闭合,使得植物蒸腾作用增加,水势降低,不利于蚜虫的取食。进一步研究发现,大气CO2浓度升高可以通过调控植物碳酸酐酶信号途径,进一步闭合气孔并且降低气孔导度。由于CO2浓度升高条件下寄主植物水分含量的提高,蚜虫取食木质部的时间延长,有利于蚜虫自身获取更多水分,降低血淋巴的渗透势,进而维持韧皮部的取食,有利于自身种群增长。该研究首次证实了温室气体二氧化碳的增加通过改变植物的水分代谢有利于蚜虫取食,为未来气候变化背景下蚜虫的种群爆发提出预警。

植物叶片气孔具有双重且相互矛盾的作用,能够促进二氧化碳流入叶片进行光合作用,并通过蒸腾作用限制水分流出。这意味着气孔吸收CO2的同时也会通过蒸腾作用损失一部分水分。

干旱胁迫和ABA信号诱导气孔关闭,从而减少水分散失,提升植物的耐旱能力。而光照则可以诱导气孔开放,便于植物吸收CO2和释放氧气,同时散失大量水分,促进植物的生长发育。但光照诱导气孔开放必须是在没有干旱胁迫和ABA信号刺激的前提下才可以实现,否则光信号无法诱导气孔开放,即干旱/ABA信号途径可以有效抑制光信号途径及其诱导的气孔开放。但多年来,干旱信号途径抑制光信号途径从而进一步抑制光诱导的气孔开放运动的信号传递机理并不清楚。该研究发现,干旱诱导拟南芥气孔保卫细胞中大量质膜慢阴离子通道(S-type anion channels)SLAC1和SLAH3的蛋白积累。SLAC1和SLAH3一方面作为质膜慢阴离子通道介导阴离子跨质膜外流,同时大量积累的SLAC1和SLAH3蛋白还通过蛋白互作的方式,强力抑制气孔保卫细胞质膜内向K+通道,以此有效抑制光诱导的气孔开放。众所周知,SLAC1和SLAH3是ABA信号途径中的关键组份,而质膜内向K+通道则是光信号途径的关键组份。因此,该研究揭示了一个干旱/ABA和光信号途径互作,并共同参与气孔运动调控的新机制。

皇冠官网地址,以上内容发表在Global Change Biology(Yucheng Sun, Huijuan Guo , Liang Yuan, Jianing Wei, Wenhao Zhang and Feng Ge. Plant stomatal closure improves aphid feeding under elevated CO2. 2015, 21: 2739-2748)。该文第一作者孙玉诚和郭慧娟为中国科学院动物研究所种群生态与全球变化研究组研究员和助理研究员,通讯作者为研究员戈峰。该研究工作得到了中国科学院战略性先导科技专项(No. XDB11050400)和基金面上项目(No. 31170390 和 31221091)的资助。

继往的多数研究将提高WUE的努力集中于降低气孔密度。“气孔密度响应大气中CO2浓度、光照、大气相对湿度和脱落酸的变化,情况复杂,降低气孔密度绝非易事。” 该论文作者之一、浙江大学农业与生物技术学院研究员王一州说,“此外,这种方式会明显降低植物光合作用效率。”

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2015年,意大利米兰大学教授Anna Moroni等开发了蓝光诱导K+通道1,在斑马鱼身上激活了K+通道。“这或许能够应用到植物上,实现植物气孔的调控。”该论文通讯作者、格拉斯哥大学教授、浙江大学讲座教授Michael Blatt告诉《中国科学报》,30多年来,他一直致力于气孔保卫细胞的离子转运和定量建模,并且非常有兴趣制定通过气孔功能改善作物用水的策略。

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