原文以O(shè)ptogenetic manipulation of stomatal kinetics improves carbon assimilation, water use, and growth 為標(biāo)題發(fā)表于2019年3月29日的 Science上。原文作者：M. Papanatsiou、王一州等。
Glasgow大學(xué)和浙江大學(xué)作物所為該論文的共同通訊單位。
植物細(xì)胞代謝可較迅速適應(yīng)光照條件的變化，但氣孔的響應(yīng)較慢。由于反應(yīng)滯后，葉片光合作用效率較低。研究者使用光遺傳學(xué)技術(shù)，在擬南芥葉片氣孔細(xì)胞中引入了藍(lán)光響應(yīng)離子通道，在光照強(qiáng)度波動(dòng)的條件下，氣孔可更快的打開(kāi)和關(guān)閉，從而提高了水分利用效率，促進(jìn)了植株生長(zhǎng)。
通過(guò)離子流進(jìn)出，葉片保衛(wèi)細(xì)胞實(shí)現(xiàn)自身的膨脹和收縮，控制氣孔的開(kāi)放和關(guān)閉。當(dāng)植物感測(cè)到光線時(shí)，信號(hào)會(huì)發(fā)送給葉片衛(wèi)細(xì)胞以增加其離子含量，引發(fā)衛(wèi)細(xì)胞吸水膨脹，植物葉片氣孔開(kāi)放。在黑暗條件下，保衛(wèi)細(xì)胞失水收縮，氣孔關(guān)閉。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自然條件下保衛(wèi)細(xì)胞對(duì)光照波動(dòng)變化響應(yīng)速度慢，植物的水分利用效率WUE不高。
研究者借用了神經(jīng)生物學(xué)中的一種工具——光遺傳學(xué)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)使研究者能夠利用光來(lái)控制膜電壓，從而激活神經(jīng)元。Glasgow大學(xué)的研究者M(jìn)ichael Blatt說(shuō)，“改變細(xì)胞的電壓相對(duì)容易，但是轉(zhuǎn)移足夠多的離子以改變細(xì)胞內(nèi)的離子含量總量，才是真正的挑戰(zhàn)。”
研究者將一種細(xì)胞特異性啟動(dòng)子——藍(lán)光響應(yīng)鉀離子通道BLINK1，引入到擬南芥葉片氣孔保衛(wèi)細(xì)胞中，觀察它們是否能加快離子通量。
為測(cè)試氣孔打開(kāi)和關(guān)閉的速度與植物水分利用效率的關(guān)系，研究者在擬南芥氣孔保衛(wèi)細(xì)胞中引入了合成光激活BLINK1離子通道（1）。在被藍(lán)光激活的兩分鐘內(nèi)，BLINK1通道允許鉀離子快速進(jìn)入細(xì)胞（2）。細(xì)胞內(nèi)離子的增加引發(fā)保衛(wèi)細(xì)胞吸水膨脹，氣孔張開(kāi)（3）。處于黑暗中8到10分鐘后，BLINK1通道的活性下降，保衛(wèi)細(xì)胞開(kāi)始萎縮，氣孔關(guān)閉（4）。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，暴露于藍(lán)光兩分鐘，葉片氣孔細(xì)胞內(nèi)的BLINK1通道打開(kāi)，使鉀離子大量進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞。保衛(wèi)細(xì)胞吸水膨脹，氣孔張開(kāi)變大。
光敏通道BLINK1促進(jìn)氣孔迅速開(kāi)放
具BLINK1通道的植物葉片比對(duì)照組植物能更快地打開(kāi)氣孔，更快地吸收二氧化碳。當(dāng)置于黑暗條件下后，這種植物葉片還能夠更快地關(guān)閉氣孔，避免了不必要的水分損失。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，具BLINK1的擬南芥生長(zhǎng)速度是對(duì)照組植物的2.2倍。
光敏通道BLINK1增強(qiáng)了測(cè)試擬南芥光合碳同化和水分利用效率WUE
LI-6800系統(tǒng)中的6800-17整株擬南芥葉室，可測(cè)量整株擬南芥的光合氣體交換參數(shù)，如凈光合速率A、蒸騰速率Tr、水分利用效率WUE、氣孔導(dǎo)度gsw等。本研究中，研究者使用的是其上一代產(chǎn)品LI-6400XT進(jìn)行的測(cè)量。
法國(guó)艾克斯-馬賽生物科學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院的植物電生理學(xué)家Nathalie Leonhardt說(shuō)，“這是非常有趣和創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)研究證明了BLINK通道的作用。”
研究者Blatt指出，“這項(xiàng)研究證明了可以對(duì)植物細(xì)胞進(jìn)行生物工程改造，控制氣孔開(kāi)閉的速度，進(jìn)而提高植物的水分利用效率。”