科学家发现植物用来控制嘴巴的机制

因为呼吸通常是无意识的，所以我们有时会忘记它有多么复杂。但生物学家对植物的复杂过程有了新的认识，这对未来如何养活世界具有重大意义。

加州大学圣地亚哥分校的研究人员与爱沙尼亚和芬兰的合作者一起，发现了一种难以捉摸的分子途径，植物利用这种途径来引导它们“呼吸”二氧化碳。研究人员希望，利用这种机制可以在未来对植物用水效率和碳摄入量进行工程设计，这在大气中二氧化碳浓度持续增加时至关重要。事实上，研究人员已经申请了专利，并正在研究将他们的发现转化为作物育种者和农民工具的方法。

该研究今天发表在《科学进展》杂志上。

气孔，那又怎样?

植物吸收二氧化碳和水，然后利用光将它们转化为生长所需的养分。这个过程也会释放出氧气，供人类和其他动物呼吸。这是光合作用的基本总结。但它究竟是如何工作的呢?

这个过程在微观层面变得更加清晰。在叶子的下面和其他地方，根据植物的不同，有称为气孔的微小开口——每片叶子有数千个，因植物种类而异。就像小城堡的大门一样，气孔两侧的成对细胞——被称为保卫细胞——打开它们的中央孔以吸收二氧化碳。然而，当气孔打开时，植物内部会暴露在自然环境中，植物中的水分会流失到周围的空气中，这会使植物变干。因此，植物必须通过控制气孔保持开放的时间来平衡二氧化碳的摄入量和水蒸气的损失。

“对变化的反应对植物生长至关重要，并调节植物利用水的效率，这很重要，因为我们看到干旱加剧和气温升高，”加州大学圣约翰分校托里梅萨研究所植物科学主席JulianSchroeder说。领导这项新研究的迭戈。

随着气候变化，大气中二氧化碳浓度和温度均升高，影响二氧化碳进入和水蒸气通过气孔损失之间的平衡。如果植物，尤其是小麦、水稻和玉米等作物不能达到新的平衡，它们就有可能枯竭，农民有可能失去宝贵的产出，世界上更多的人有可能挨饿。即使农业取得了进步，2021年发表的一项研究发现，过去60年的全球农业生产力仍比没有气候变化的情况下低21%。

科学家们早就了解气孔以及二氧化碳摄入量和水分流失之间的平衡。直到现在，他们还不知道的是植物如何感知二氧化碳并发出气孔打开和关闭信号以响应不断变化的二氧化碳水平。现在知道这一点将使研究人员能够编辑这些信号——这样植物就可以在吸收二氧化碳和失去水分之间取得适当的平衡——并允许科学家和植物育种者生产出足以适应未来环境的作物。

召唤守卫

研究人员发现了一系列蛋白质，它们像一连串士兵一样工作，感知二氧化碳水平并大喊“关上大门!”让保卫细胞放松并关闭气孔。

“发现植物中的CO2传感器由两种蛋白质组成是很有启发性的，这可能是直到现在才确定该机制的一个原因，”Schroeder说。“NSF在过去二十年的支持对于找到这条难以捉摸的途径至关重要。”

“这项工作是好奇心驱动研究的一个很好的例子，它汇集了从遗传学到建模到系统生物学的多个学科，并产生了能够帮助社会的新知识，在这种情况下，通过培育更健壮的作物，”马修说Buechner是NSF生物科学理事会的项目主任。

在低二氧化碳环境中，植物需要保持气孔打开更长时间以获得光合作用所需的量，一种称为HT1的蛋白质会激活一种酶，迫使保卫细胞膨胀，从而保持气孔打开。

当植物感觉到二氧化碳水平升高时，第二种蛋白质会阻止第一种蛋白质保持气孔打开，然后气孔关闭。如果气孔在植物获得足够的光合作用资源之前关闭，农业产量可能会降低或不存在。

“确定植物如何在不断变化的CO2水平下控制它们的气孔创造了一种不同的开放——一种新的研究途径和应对社会挑战的可能性，”NSF项目主任RichardCyr说，他在加入NSF之前研究植物细胞生物学。机构。