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Science|研究者在擬南芥葉片氣孔保衛細胞中引入了離子通道

來源: 發布時間:2019-10-21 10:03:48 點擊數: 使用提問咨詢價格

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

Glasgow大學和浙江大學作物所為該論文的共同通訊單位。

 

植物細胞代謝可較迅速適應光照條件的變化,但氣孔的響應較慢。由于反應滯后,葉片光合作用效率較低。研究者使用光遺傳學技術,在擬南芥葉片氣孔細胞中引入了藍光響應離子通道,在光照強度波動的條件下,氣孔可更快的打開和關閉,從而提高了水分利用效率,促進了植株生長。

通過離子流進出,葉片保衛細胞實現自身的膨脹和收縮,控制氣孔的開放和關閉。當植物感測到光線時,信號會發送給葉片衛細胞以增加其離子含量,引發衛細胞吸水膨脹,植物葉片氣孔開放。在黑暗條件下,保衛細胞失水收縮,氣孔關閉。實驗發現,自然條件下保衛細胞對光照波動變化響應速度慢,植物的水分利用效率WUE不高。 

 

研究者借用了神經生物學中的一種工具——光遺傳學技術。這項技術使研究者能夠利用光來控制膜電壓,從而激活神經元。Glasgow大學的研究者Michael Blatt說,“改變細胞的電壓相對容易,但是轉移足夠多的離子以改變細胞內的離子含量總量,才是真正的挑戰。”

 

研究者將一種細胞特異性啟動子——藍光響應鉀離子通道BLINK1,引入到擬南芥葉片氣孔保衛細胞中,觀察它們是否能加快離子通量。

 

為測試氣孔打開和關閉的速度與植物水分利用效率的關系,研究者在擬南芥氣孔保衛細胞中引入了合成光激活BLINK1離子通道(1)。在被藍光激活的兩分鐘內,BLINK1通道允許鉀離子快速進入細胞(2)。細胞內離子的增加引發保衛細胞吸水膨脹,氣孔張開(3)。處于黑暗中8到10分鐘后,BLINK1通道的活性下降,保衛細胞開始萎縮,氣孔關閉(4)。

 

實驗結果表明,暴露于藍光兩分鐘,葉片氣孔細胞內的BLINK1通道打開,使鉀離子大量進入保衛細胞。保衛細胞吸水膨脹,氣孔張開變大。

 

光敏通道BLINK1促進氣孔迅速開放

 

具BLINK1通道的植物葉片比對照組植物能更快地打開氣孔,更快地吸收二氧化碳。當置于黑暗條件下后,這種植物葉片還能夠更快地關閉氣孔,避免了不必要的水分損失。實驗數據表明,具BLINK1的擬南芥生長速度是對照組植物的2.2倍

 

光敏通道BLINK1增強了測試擬南芥光合碳同化和水分利用效率WUE


LI-6800系統中的6800-17整株擬南芥葉室,可測量整株擬南芥的光合氣體交換參數,如凈光合速率A、蒸騰速率Tr、水分利用效率WUE、氣孔導度gsw等。本研究中,研究者使用的是其上一代產品LI-6400XT進行的測量。

 

法國艾克斯-馬賽生物科學與生物技術學院的植物電生理學家Nathalie Leonhardt說,“這是非常有趣和創新的實驗,這項研究證明了BLINK通道的作用。”

 

研究者Blatt指出,“這項研究證明了可以對植物細胞進行生物工程改造,控制氣孔開閉的速度,進而提高植物的水分利用效率。”

 

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