植物通過氣孔進行氣體交換：每吸收一個二氧化碳分子，就有100個水分子逸出。
植物通過精密的傳感器網絡，在乾燥和飢餓之間實現平衡。當光線充足時，植物會打開葉片上的氣孔，吸收二氧化碳（CO2，2為下標），然後通過光合作用將其轉化為碳水化合物。與此同時，通過氣孔釋放的水量是攝入二氧化碳的100倍。當水分充足時，這個過程不會有任何問題，但在燥熱的仲夏時，植物就需要轉換到節水模式：收縮氣孔，防止水分流失過多，使其能夠在乾旱期存活下來，但由於大多數氣孔關閉，二氧化碳的吸收受到限制，隨之影響了光合作用的性能，進而影響了植物的生長。
近日，由德國巴伐利亞州維爾茨堡大學（JMU）生物物理學家Rainer Hedrich領導的國際植物科學家團隊，確定了控制植物葉片氣孔開閉的傳感器的位置，研究結果發表在《自然·植物》雜誌。
植物葉片氣孔的開/關是通過成對的包圍每個氣孔的特殊保衛細胞來完成的。保衛細胞必須能夠測量光合作用和水的供應，以適應不斷變化的環境條件。為了達到這個目的，保衛細胞中存在可以測量葉子內部二氧化碳濃度的受體。當葉子內部的二氧化碳值急劇上升時（光合作用不理想的信號），保衛細胞就會關閉氣孔，防止不必要的蒸發。一旦二氧化碳濃度下降，氣孔就會重新打開。
水的供應是通過激素來測量的。當植物缺水時會產生脫落酸（ABA，一種關鍵的應激激素），並將其二氧化碳控制周期設置為節水模式。這是通過帶有ABA受體的保衛細胞完成的。當葉片中的ABA濃度增加時，氣孔就會關閉。
ABA和二氧化碳誘導的氣孔關閉。
為了闡明植物保衛細胞控制周期的組成情況，研究人員將擬南芥放置在高濃度的二氧化碳或ABA中數小時以觸發基因水平的反應。然後從葉片中分離氣孔，利用生物信息學技術分析保衛細胞的基因表達譜。
為了完成這項任務，研究小組邀請了JMU的兩位生物信息學專家Tobias Muller和Marcus Dietrich。他們發現，在高濃度的二氧化碳或ABA下，基因表達模式存在顯著差異。此外，過量的二氧化碳也會導致部分ABA基因的表達發生改變。這些發現促使研究人員進一步研究了ABA信號通路中的ABA受體。
擬南芥有14個ABA受體，其中6個在保衛細胞中。「為什麼針對一種激素的一個保衛細胞需要多達6個受體？為了回答這個問題，我們與馬德裡大學的Pedro Luis Rodriguez教授展開了合作，他是ABA受體方面的專家。」 Hedrich說。
在這項實驗中，Rodriguez的團隊製備了擬南芥突變體，這樣研究人員就可以在其中單獨研究ABA受體。Hedrich的同事Peter Ache解釋說：「這使我們能夠在網絡中分別為6個ABA受體分配任務，並確定由ABA和二氧化碳誘導的氣孔關閉的單個受體。」
最後，Hedrich總結到：「我們從研究結果中得出結論：當水供應良好時， ABA受體會將基本激素平衡狀態評估為準『無壓力』，並保持氣孔打開供應二氧化碳。當缺水時，乾旱迫使受體識別到ABA水平的升高，使保衛細胞關閉氣孔，防止植物缺水。接下來，我們打算研究ABA和二氧化碳相關受體的特性以及它們的信號通路和組成。」
科界原創 編譯：花花審稿：阿淼 責編：雷鑫宇
期刊來源：《自然·植物》
期刊編號：2055-026X
原文連結：https://phys.org/news/2019-08-carbon-dioxide-uptake.html
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