首页 >> 社会>> 兼顾并提高!科研团队找到提升植物碳水利用效率的“钥匙”
  • 兼顾并提高!科研团队找到提升植物碳水利用效率的“钥匙”

  • 时间:2019-11-11 16:56:40 阅读:2784
  • 《科学技术日报》记者马爱平

    长期以来,促进光合作用碳同化和提高植物水分利用效率似乎不能同时实现。植物叶片的气孔具有双重矛盾的功能,可以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。这意味着气孔吸收二氧化碳,也通过蒸腾作用损失一些水分。

    最近,浙江大学农业与生物技术学院的研究员王一舟与格拉斯哥大学和剑桥大学的研究团队合作,发现增强气孔动力学可以提高植物水分利用效率,而不影响植物固碳。该团队开发了第一个动态气孔保卫细胞计算生物学模型Onguanard,为植物气孔分子生理学的研究开辟了一条新的研究途径。相关研究成果最近发表在《科学、植物细胞》和《植物生物学杂志》上,王一舟被新植物学家授予科学研究奖。

    第一个动态气孔保卫细胞计算生物学模型

    “在生长过程中,植物会通过表皮的气孔吸收外界的二氧化碳进行光合作用,同时由于蒸腾作用,它们会通过气孔损失一些水分。理论上,深入了解气孔行为和有效调节气孔开度可以提高植物水分利用效率和作物产量。”9月12日,王一舟告诉《科学日报》,正是通过气孔调节,光合作用得到加强,而蒸腾作用受到抑制。

    气孔行为如何调节?

    “从狭义上说,保卫细胞是两个相邻的细胞,它们之间的间隙就是气孔。由于气孔保卫细胞的流量和二级保卫细胞的跨膜运输影响细胞内的膨胀压力,进而驱使细胞扩张和改变气孔的孔径,实现气孔行为调控的关键是“解构”过程和所涉及的分子调控机制。王一舟说。

    大多数以前的研究集中在降低气孔密度,以提高植物水分利用效率。

    “气孔密度响应二氧化碳浓度、光照、大气相对湿度和大气中脱落酸的变化。情况很复杂。降低气孔密度并不容易。”王一舟说,此外,这种方法会显著降低植物的光合作用效率。

    2015年,意大利米兰大学教授安娜莫罗尼和其他人开发了蓝光诱导的K通道1(blink1),它激活斑马鱼的K通道。

    通过努力,王一舟团队在拟南芥气孔的保卫细胞中表达了合成的光门控钾通道blink1,它被用作调节植物保卫细胞钾电导和加速气孔孔径变化的工具,增强驱动气孔孔径的溶质通量,加速光照下气孔的开放和照射后的关闭。

    Blink1增加气孔开度和关闭率(科学图片2019,363:1456-1459)

    该研究试图通过加速光强的变化来加速气孔的打开/关闭。

    “也就是说,当光强上升时,气孔打开得更快,增加了进入植物的二氧化碳量;当光强降低时,气孔会更快关闭,以减少水分损失。”王一舟说,通过关注气孔运动的动态,二氧化碳增加和水分流失的影响可以暂时有效地分开。

    为了验证保护细胞中的blink1是否发挥这一功能,研究人员检查了在阳光下生长的blink1转基因系,发现在生物量积累、玫瑰花结面积扩大或耗水量方面与正常植物没有显著差异。

    与非转基因品系相比,blink1转基因品系显著提高了单位水分蒸发的干质量或瞬时碳同化速率与蒸腾速率之比,表明blink1有利于碳同化和水分利用王一舟说。

    “从那以后,我们观察到植物在波动的光线下生长。研究发现,当云掠过植物时,气孔反应变慢,光合作用速率降低。可以理解,较慢的孔隙动力学限制了气体交换。”王一舟说。

    研究人员还发现blink1转基因植物生长的总干物质质量与灌水和缺水两种不同条件下的稳态转化相似,这意味着通过改善气孔动态来提高植物的水分利用效率是稳定的。

    王一舟表示,该研究具有很大的应用价值,希望探索其在棉花等经济作物上的应用,以提高作物产量。

    blink1在植物中的成功应用为我们提供了一种同时提高光合作用和水分利用效率的有效方法,并为未来作物遗传育种提供了重要的理论和技术支持。”王一舟说。

    此外,通过多年的跨学科研究,王一舟的合作团队建立了第一个动态气孔保卫细胞的计算生物学模型。

    “通过定量和系统的分析,我们重新发现了微观层次上植物离子通道中的离子转运活动与宏观层次上气孔‘打开和关闭’等生理活动之间的关系。基于这些新见解,我们构建了一套新的计算生物学模型,为探索气孔分子调控机制提供了强有力的研究工具。”王一舟说。

    在此基础上开发的保卫细胞定量动态建模软件适用于不同植物种类气孔的“描述”,具有真实的预测能力。

    借助模型的预测功能,王一舟等研究人员对植物气孔行为、离子通道调节机制和离子稳态网络进行了系统研究,并取得了一系列创新性研究成果。

    例如,研究表明,在气孔关闭过程中,植物气孔中阴离子通道蛋白slac1的缓慢突变会影响钾通道的活性,这是由于缺乏氯离子丢失的质膜通道,从而减慢气孔的开放王一舟说。

    借助动态气孔保卫细胞计算生物学模型,王一舟等研究人员成功预测slac1突变体中阴离子的积累会影响氢离子和钙离子(ca 2)的负载,增加胞质溶胶的ph值和钙离子浓度,进而实现钾离子通道的调节,这一点已被实验证实。

    研究表明,“夹紧”氢离子和钙离子(ca 2)的负载可以调节钾离子通道和孔的打开和关闭。

    这也导致了另一个预测:改变钾离子门控通道和依赖通道的电压最有可能实现气孔动力学的增强和水分利用效率的提高。

    “气孔保卫细胞实验只是研究的一部分。接下来,研究小组计划使用光遗传学工具来理解植物不同组织类型之间的功能联系。”王一舟说。

      最新资讯
    网站首页 | 关于我们 | 联系方式 | 招聘信息 | 版权声明 | 网站地图 |
    Copyright (c) 2010 sabjimata.com. All Rights Reserved. 乌龙资讯 版权所有