植物通过气孔进行气体交换：每吸收一个二氧化碳分子，就有100个水分子逸出。
植物通过精密的传感器网络，在干燥和饥饿之间实现平衡。当光线充足时，植物会打开叶片上的气孔，吸收二氧化碳（CO2），然后通过光合作用将其转化为碳水化合物。与此同时，通过气孔释放的水量是摄入CO2的100倍。当水分充足时，这个过程不会有任何问题，但在燥热的仲夏时，植物就需要转换到节水模式：收缩气孔，防止水分流失过多，使其能够在干旱期存活下来，但由于大多数气孔关闭，二氧化碳的吸收受到限制，随之影响了光合作用的性能，进而影响了植物的生长。
近日，由德国巴伐利亚州维尔茨堡大学（JMU）生物物理学家Rainer Hedrich领导的国际植物科学家团队，确定了控制植物叶片气孔开闭的传感器的位置，研究结果发表在《自然·植物》杂志。
植物叶片气孔的开/关是通过成对的包围每个气孔的特殊保卫细胞来完成的。保卫细胞必须能够测量光合作用和水的供应，以适应不断变化的环境条件。为了达到这个目的，保卫细胞中存在可以测量叶子内部CO2浓度的受体。当叶子内部的CO2值急剧上升时（光合作用不理想的信号），保卫细胞就会关闭气孔，防止不必要的蒸发。一旦CO2浓度下降，气孔就会重新打开。
水的供应是通过激素来测量的。当植物缺水时会产生脱落酸（ABA，一种关键的应激激素），并将其CO2控制周期设置为节水模式。这是通过带有ABA受体的保卫细胞完成的。当叶片中的ABA浓度增加时，气孔就会关闭。
ABA和CO2诱导的气孔关闭。
为了阐明植物保卫细胞控制周期的组成情况，研究人员将拟南芥放置在高浓度的CO2或ABA中数小时以触发基因水平的反应。然后从叶片中分离气孔，利用生物信息学技术分析保卫细胞的基因表达谱。
为了完成这项任务，研究小组邀请了JMU的两位生物信息学专家Tobias Muller和Marcus Dietrich。他们发现，在高浓度的CO2或ABA下，基因表达模式存在显著差异。此外，过量的CO2也会导致部分ABA基因的表达发生改变。这些发现促使研究人员进一步研究了ABA信号通路中的ABA受体。
拟南芥有14个ABA受体，其中6个在保卫细胞中。“为什么针对一种激素的一个保卫细胞需要多达6个受体？为了回答这个问题，我们与马德里大学的Pedro Luis Rodriguez教授展开了合作，他是ABA受体方面的专家。” Hedrich说。
在这项实验中，Rodriguez的团队制备了拟南芥突变体，这样研究人员就可以在其中单独研究ABA受体。Hedrich的同事Peter Ache解释说：“这使我们能够在网络中分别为6个ABA受体分配任务，并确定由ABA和CO2诱导的气孔关闭的单个受体。”
最后，Hedrich总结到：“我们从研究结果中得出结论：当水供应良好时， ABA受体会将基本激素平衡状态评估为准‘无压力’，并保持气孔打开供应CO2。当缺水时，干旱迫使受体识别到ABA水平的升高，使保卫细胞关闭气孔，防止植物缺水。接下来，我们打算研究ABA和CO2相关受体的特性以及它们的信号通路和组成。”
科界原创 编译：花花 审稿：阿淼 责编：雷鑫宇
期刊来源：《自然·植物》
期刊编号：2055-026X
原文链接：https://phys.org/news/2019-08-carbon-dioxide-uptake.html
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