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英国科学家揭示保卫细胞内膜Ca2+-ATPases通过‘碳记忆’同时提高碳同化和水分利用率

科技工作者之家 08月03日

光合作用所需的二氧化碳(CO2)主要通过气孔进入叶肉细胞。每个气孔都由成对的保卫细胞包围,这些保卫细胞通过调节气孔孔径的大小,来平衡植物对CO2的需求与水分散失之间的矛盾。研究表明,通过加速气孔运动,来实现光合碳同化和水分利用率的同时增加是可能的。但CO2是如何综合影响保卫细胞和叶肉细胞来增强气孔动力学的,仍有待研究。

2021年7月29日,Nature Plants在线发表了英国格拉斯哥大学Michael R. Blatt团队题为“Guard cell endomembrane Ca2+-ATPases underpin a ‘carbon memory’ of photosynthetic assimilation that impacts on water-use efficiency”的论文,该研究表明,细胞内膜钙离子(Ca2+)在保卫细胞对光和CO2变化的响应中起核心作用。

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为了进一步深入了解气孔调控机制,作者在叶肉光合作用耦合保卫细胞的机械模型中加入 CO2这一因素,从整体上来探索气孔与叶片碳同化的关系。建立的OnGuard模型,包括保卫细胞运输、信号传导和基本代谢,可适应叶面蒸腾作用,并成功预测了多个物种(包括拟南芥)保卫细胞的紧急行为。使用OnGuard平台来指导实验,作者发现保卫细胞内膜自动抑制的Ca2+-ATPases和Ca2+循环在光和CO2变化时的短期响应中起关键作用。

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图1 CO2通过气孔从大气向叶肉内扩散的示意图。

研究结果表明,在碳同化和水分利用效率的气孔动力学中存在“碳记忆”;作者还建立了可定量的机械模型,可在整个植物中分析从保卫细胞运输到光合作用的差距。

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图2保卫细胞内膜储存的 Ca2+决定了气孔快速反应中潜在的碳记忆。

最后,作者强调,本研究的发现只是OnGuard预测的一小部分样本。该研究结果揭示了一个调控网络,它清楚地解释了拟南芥气孔对pCi (CO2 within the air space of the leaf)的主要动力学响应。OnGuard平台已被证明对其他物种保卫细胞和气孔行为方面的预测同样是成功的。OnGuard能够将保卫细胞的微观过程与整个植物对碳和水的利用联系起来,这为处理气孔生理的许多其他方面开辟了新的途径,将更有利于解析控制叶面气体交换的复杂过程。

来源:植物科学最前沿

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光合作用 植物 co2

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