研究人员在控制水分流失的植物中发现难以捉摸的二氧化碳传感器

50 多年前，研究人员发现植物可以感知二氧化碳 (CO 2 ) 的浓度。随着 CO 2 水平的变化，叶子中称为气孔的“呼吸”孔打开和关闭，从而控制水分蒸发、光合作用和植物生长。植物通过气孔蒸发损失了 90% 以上的水分。CO 2对气孔开口的调节对于确定水生植物损失多少至关重要，并且由于二氧化碳对变暖世界中气候和水资源的影响增加而变得至关重要。

但识别二氧化碳传感器并解释它在植物中的运作方式仍然是一个长期存在的难题。

加州大学圣地亚哥分校的科学家们最近使用多种工具和研究方法，在鉴定拟南芥植物中长期寻找的 CO 2 传感器方面取得了突破，并解开了其功能部件。加州大学圣地亚哥分校项目科学家 Yohei Takahashi、生物科学学院杰出教授 Julian Schroeder 及其同事确定了 CO 2传感器机制并详细介绍了其遗传、生化、生理和预测结构特性。他们的结果发表在 12 月 7 日的《科学进展》杂志上。

由于气孔控制植物水分流失，因此该传感器对于水资源管理至关重要，并对气候引起的干旱、野火和农作物管理具有重要意义。

“每吸入一个二氧化碳分子，典型的植物就会通过气孔蒸发掉大约 200 到 500 个水分子，”诺华公司主席兼细胞与发育生物学系教员施罗德说。“传感器非常重要，因为它可以识别 CO 2浓度何时上升，并确定植物在吸收二氧化碳时损失了多少水。”

新研究的一个重大惊喜是传感器的组成。研究人员没有将其追溯到单一来源或蛋白质，而是发现传感器通过两种植物蛋白质协同工作。这些被鉴定为 1) 一种称为 HT1 的“高叶温度 1”蛋白激酶和 2) 丝裂原活化蛋白激酶家族的特定成员，或称为 MPK4 和 MPK12 的“MAP”激酶。

“我们的研究结果表明，植物通过两种蛋白质的可逆相互作用来调节气孔运动，从而感知CO 2浓度的变化，”目前在日本转化生物分子研究所工作的高桥说。“这可以为我们提供一个新的工厂工程和化学目标，以实现高效的工厂用水和从大气中吸收CO 2 。”

该团队的研究结果已提交给加州大学圣地亚哥分校的一项专利，随着 CO 2水平的上升，该研究结果可能会导致植物有效用水的创新。

施罗德说：“这一发现不仅与农作物有关，而且与树木及其深根有关，如果长时间不下雨，它们会使土壤干涸，从而导致野火。” “如果我们可以利用这些新信息帮助树木更好地应对大气中CO 2的增加，它们可能会更慢地使土壤变干。同样，农作物的用水效率也可以得到提高——每滴水更多的农作物。”

为了进一步探索他们的传感器发现，研究人员与化学与生物化学系的研究生 Christian Seitz 和 Andrew McCammon 教授合作。使用尖端技术，Seitz 和 McCammon 创建了传感器复杂结构的详细模型。该模型涉及已知基因突变限制植物响应二氧化碳调节蒸腾能力的区域。新图像显示突变体聚集在两个传感器蛋白 HT1 和 MPK 聚集在一起的区域。

“这项工作是好奇心驱动研究的一个很好的例子，它汇集了从遗传学到建模到系统生物学的多个学科，并产生了能够帮助社会的新知识，在这种情况下，通过培育更健壮的作物，”马修说Buechner 是国家科学基金会生物科学理事会的项目主任，该理事会支持这项研究。