植物如何测量其二氧化碳吸收量

当水稀缺时，植物可以关闭毛孔，以防止失去过多的水。这使得它们能够在更长时间的干旱中存活，但是大多数孔隙闭合，二氧化碳吸收也受到限制，这会损害光合作用性能，从而影响植物生长和产量。

植物通过精心设计的传感器网络实现平衡行为 - 在干燥条件下干燥和饥饿之间导航。由德国巴伐利亚州Julius-Maximilians-Universität(JMU)Würzburg的生物物理学家Rainer Hedrich领导的国际植物科学家团队现在已经确定了这些传感器。结果发表在Nature Plants杂志上。

微阀控制光合作用和供水

当光充足时，植物打开叶子中的孔隙以吸收二氧化碳(CO 2)，随后它们在称为光合作用的过程中转化为碳水化合物。与此同时，通过微型阀门的水量比二氧化碳流入的水量多出一百倍。

当有足够的水可用时，这不是问题，但是当夏天中间土壤被干燥时，植物需要切换到生态模式以节约用水。然后植物只会打开毛孔进行光合作用，只要有必要就可以生存。通过成对围绕每个孔的专门保护细胞来实现打开和关闭孔。由孔和保卫细胞组成的单元称为气孔。

保护单元具有用于CO 2和ABA的传感器

保卫细胞必须能够测量光合作用和水供应，以适应不断变化的环境条件。为此，它们具有测量叶内CO 2浓度的受体。当CO 2值急剧上升时，这表明光合作用没有理想地运行。然后关闭毛孔以防止不必要的蒸发。一旦将CO 2浓度再次下降，孔隙重新打开。

供水是通过激素测量的。当水是稀少，植物产生脱落酸(ABA)，一键应激激素，和设置它们的CO 2的控制周期到水节省模式。这是通过装有ABA受体的保卫细胞实现的。当叶子中的激素浓度增加时，毛孔就会闭合。

ABA受体参与ABA和CO2诱导的造口闭合。当处于干旱胁迫模式时，植物产生大量的ABA激素，其作用于保卫细胞(左，左保卫细胞)并与主要参与者PYL2和次要参与者PYR1结合。高CO2水平(左，右保卫细胞)引起PYL4,5，并且在一定程度上PYR1变得更敏感并且在低细胞内浓度下结合ABA。在这两种情况下，ABI1磷酸酶都被结合，使OST1激酶首先激活自身，然后激活SLAC1阴离子通道。由此产生的阴离子流出使膜电位去极化，从而激活了GORK钾输出通道。渗透活性盐的流出导致水流出保护细胞。它们缩小，造口关闭(右)。信用：

分析CO 2 -ABA网络

JMU研究小组希望揭示保卫细胞控制周期的组成部分。为此，他们将拟南芥物种暴露于升高的CO 2或ABA 水平。他们这样做了几个小时就触发了基因水平的反应。然后，从叶中分离气孔，使用生物信息学技术分析保卫细胞的各自基因表达谱。为此，该团队将TobiasMüller和Marcus Dietrich带到了维尔茨堡大学的两位生物信息学专家。

两位专家发现，在高CO 2或ABA浓度下，基因表达模式存在显着差异。此外，他们发现，过度的CO 2也引起一些ABA基因的表达改变。这些研究结果使研究人员仔细研究了ABA信号通路。他们对PYR / PYL家族的ABA受体特别感兴趣(pyrabactin受体和类pyrabactin)。拟南芥有14种这样的受体，其中6种位于保卫细胞中。

显微镜下的ABA受体

“为什么一个保卫细胞需要多达六种受体才能使用一种激素?为了回答这个问题，我们与马德里大学的Pedro Luis Rodriguez教授合作，他是ABA受体的专家，”Hedrich说。Rodriguez的团队生成了拟南芥突变体，他们可以单独研究ABA受体。

“这使我们能够将6个ABA受体中的每一个分配给网络中的任务，并确定负责ABA和CO 2诱导的气孔关闭的各个受体，”Hedrich 's的同事Peter Ache解释说。

Guard单元在计算中使用ABA作为货币

“我们从调查结果中得出结论，保卫细胞利用ABA作为货币来抵消目前的光合碳固定性能与水平衡的状态，”Hedrich解释说。“当供水是好的，我们的研究结果表明，ABA受体的评估基本荷尔蒙平衡准‘无压力’，并保持气孔开放的CO 2供应。如果缺水，干旱胁迫受体识别高架ABA水平并使保卫细胞关闭气孔，以防止植物干燥。“

接下来，JMU研究人员旨在研究ABA和CO 2相关受体的特征以及它们的信号通路和组分。

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