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Science|研究者在拟南芥叶片气孔保卫细胞中引入了离子通道

来源: 发布时间:2019-10-21 10:03:48 点击数: 使用提问咨询价格

原文以Optogenetic manipulation of stomatal kinetics improves carbon assimilation, water use, and growth 为标题发表于2019年3月29日的 Science上。原文作者:M. Papanatsiou、王一州等。

Glasgow大学和浙江大学作物所为该论文的共同通讯单位。

 

植物细胞代谢可较迅速适应光照条件的变化,但气孔的响应较慢。由于反应滞后,叶片光合作用效率较低。研究者使用光遗传学技术,在拟南芥叶片气孔细胞中引入了蓝光响应离子通道,在光照强度波动的条件下,气孔可更快的打开和关闭,从而提高了水分利用效率,促进了植株生长。

通过离子流进出,叶片保卫细胞实现自身的膨胀和收缩,控制气孔的开放和关闭。当植物感测到光线时,信号会发送给叶片卫细胞以增加其离子含量,引发卫细胞吸水膨胀,植物叶片气孔开放。在黑暗条件下,保卫细胞失水收缩,气孔关闭。实验发现,自然条件下保卫细胞对光照波动变化响应速度慢,植物的水分利用效率WUE不高。 

 

研究者借用了神经生物学中的一种工具——光遗传学技术。这项技术使研究者能够利用光来控制膜电压,从而激活神经元。Glasgow大学的研究者Michael Blatt说,“改变细胞的电压相对容易,但是转移足够多的离子以改变细胞内的离子含量总量,才是真正的挑战。”

 

研究者将一种细胞特异性启动子——蓝光响应钾离子通道BLINK1,引入到拟南芥叶片气孔保卫细胞中,观察它们是否能加快离子通量。

 

为测试气孔打开和关闭的速度与植物水分利用效率的关系,研究者在拟南芥气孔保卫细胞中引入了合成光激活BLINK1离子通道(1)。在被蓝光激活的两分钟内,BLINK1通道允许钾离子快速进入细胞(2)。细胞内离子的增加引发保卫细胞吸水膨胀,气孔张开(3)。处于黑暗中8到10分钟后,BLINK1通道的活性下降,保卫细胞开始萎缩,气孔关闭(4)。

 

实验结果表明,暴露于蓝光两分钟,叶片气孔细胞内的BLINK1通道打开,使钾离子大量进入保卫细胞。保卫细胞吸水膨胀,气孔张开变大。

 

光敏通道BLINK1促进气孔迅速开放

 

具BLINK1通道的植物叶片比对照组植物能更快地打开气孔,更快地吸收二氧化碳。当置于黑暗条件下后,这种植物叶片还能够更快地关闭气孔,避免了不必要的水分损失。实验数据表明,具BLINK1的拟南芥生长速度是对照组植物的2.2倍

 

光敏通道BLINK1增强了测试拟南芥光合碳同化和水分利用效率WUE


LI-6800系统中的6800-17整株拟南芥叶室,可测量整株拟南芥的光合气体交换参数,如净光合速率A、蒸腾速率Tr、水分利用效率WUE、气孔导度gsw等。本研究中,研究者使用的是其上一代产品LI-6400XT进行的测量。

 

法国艾克斯-马赛生物科学与生物技术学院的植物电生理学家Nathalie Leonhardt说,“这是非常有趣和创新的实验,这项研究证明了BLINK通道的作用。”

 

研究者Blatt指出,“这项研究证明了可以对植物细胞进行生物工程改造,控制气孔开闭的速度,进而提高植物的水分利用效率。”

 

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