气孔，作为绝大多数陆地植物表面的一种由一对保卫细胞形成的微小开口结构，是植物与外界环境进行气体交换的主要通道。当气孔打开时，二氧化碳（CO2），这一光合作用的关键成分，会扩散进入植物的同化器官内部；与此同时，植物体内的水分也会通过气孔散发到环境中。植物的水分利用效率（Water Use Efficiency, WUE），即光合碳同化效率与水分散失的比例，很大程度上取决于气孔的功能。气孔在调节WUE中起着核心作用。然而，由于植物光合作用的速度通常比气孔开闭速度快1至2个数量级，这种速度差可能导致不必要的水分损失，进而影响WUE。
为了应对这一挑战，之前的研究（Science，2019）采用光遗传学方法，在植物中过表达了人工合成的钾离子通道BLINK1，以加快气孔的反应速度，从而提高了植物对碳和水的利用效率。现在，改进气孔动力学（即气孔开闭的速度），通过利用植物自身的离子转运蛋白来进一步提高WUE，成为了研究的焦点。
近日，浙江大学农学院王一州团队联合北京大学、英国格拉斯哥大学和日本名古屋大学等单位，在Science Advances期刊上发表了题为Dual function of overexpressing plasma membrane H+-ATPase in balancing carbon-water use的研究成果。该研究首先使用OnGuard模型在波动光照条件下筛选出能够改善气孔动力学的重要膜转运蛋白。接着，通过实验验证了保卫细胞中的质膜质子ATP酶（plasma membrane H+-ATPase）可以有效加快气孔的开关速度。研究人员种植了质膜质子ATP酶超表达的植株（GC1::AHA2），在不同光照条件下进行了测试。结果表明，在高恒定光照下，超表达植株的生物量显著高于野生型植物；而在波动光照条件下，虽然超表达植株的生物量没有显著增加，但其水分利用效率却明显提升。这项研究揭示了质膜质子ATP酶在协调碳同化与水利用之间的双重作用，并强调了计算模拟在未来优化气孔功能研究中的重要性。
本文的第一单位为浙江大学；共同通讯作者为浙江大学王一州研究员和北京大学王愔研究员；共同第一作者为浙江大学蒋杭进研究员与王一州课题组的硕士生苏敬涵。此次研究得到了来自英国格拉斯哥大学的Michael R. Blatt教授、Adrian Hills，以及日本名古屋大学的Toshinori Kinoshita教授等的参与与支持。本课题的研究工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和崖州湾种子实验室等机构的资助。
