王愔研究员课题组与浙江大学农业与生物技术学院王一州研究员课题组合作在Science Advances上发表气孔动力学调控机制的最新研究进展。
气孔存在于绝大多数陆生植物的表面，是由一对保卫细胞构成的微孔隙结构。气孔开闭是植物与环境进行气体交换的最主要通道。在气孔张开时，光合作用的重要底物CO2会通过气孔扩散到同化器官内部，同时植物体的水分也会通过气孔扩散到环境中。植物光合碳同化的效率与水分散失的比例被称为植物的水分利用效率（Water Use Efficiency, WUE）。由此可见，气孔在调控植物水分利用效率方面起着至关重要的作用。由于一般情况下，植物的光合作用速率比气孔运动的速率快1-2个数量级，因此如何有效改善气孔动力学（stomatal kinetics，即气孔开闭的速度）进而提升植物的水分利用效率是本研究关注的重点。
研究团队首先利用OnGuard模型筛选出有助于改善气孔动力学的重要膜蛋白，进一步借助实验方法证实了保卫细胞中的质膜质子ATP酶（plasma membrane H+-ATPase）可以有效提升气孔的开闭速度。通过在不同光照环境下种植质膜质子ATP酶的超表达株系（GC1：：AHA2），研究团队发现在较高的恒定光下，超表达株系的生物量相较野生型植物显著增加；而在波动光下，超表达株系的生物量虽然没有明显增加，但是水分利用效率显著提升（参见图1）。这些研究结果揭示了先前未被认识到的质膜质子ATP酶在平衡碳同化和水分利用方面的双重作用。同时，该研究还强调了计算模拟在未来改善气孔功能研究中的重要性。![]()
图1 质膜质子ATP酶的超表达株系（GC1::AHA2）与野生型（Wild-type）拟南芥在不同光照条件下（Fixed light为恒定光，1和0.25 hour为波动光）的生长情况和水分利用效率。A，超表达株系与野生型植物在不同光照条件下的生长情况比较；B，超表达株系与野生型植物的莲座叶面积（左）与水分利用效率（右）比较。浙江大学王一州研究员和北京大学王愔研究员为论文的共同共通信作者，浙江大学蒋杭进研究员与王一州课题组硕士生苏敬涵为本文的共同一作，王愔课题组博士生任姿蓉、2021级本科生王得贤参与了该课题的实验工作，其他共同作者还包括英国格拉斯哥大学的Michael R. Blatt教授、Adrian
Hills，日本名古屋大学的Toshinori Kinoshita教授。该研究以“Dual
function of overexpressing plasma membrane H+-ATPase in balancing carbon-water
use”为题在Science Advances期刊正式上线。
