科学家发现关键作物水分流失的非气孔控制

Josiah02 · 发表于 2024-9-19 17:20:01

科学家发现，某些植物可以通过控制叶片水分流失来在干燥的环境中生存，而无需依赖其通常的机制——即气孔。
玉米、高粱和黍子等 C4 作物对全球粮食安全都至关重要，而对它们蒸腾作用的非气孔控制使这些植物能够保持叶片内有利于光合作用的微气候。
这样，尽管温度升高、大气对水的需求增加，植物仍可以在光合作用和生长过程中吸收二氧化碳，而不会增加水的消耗。
来自伯明翰大学、澳大利亚国立大学堪培拉分校和詹姆斯库克大学凯恩斯分校的研究人员于 9 月 16 日在《国家科学院院刊》上发表了他们的研究成果，挑战了人们对植物在胁迫和干燥生长条件下蒸腾和光合作用的传统认识，即仅靠气孔可以控制叶片水分流失。
伯明翰大学的合著者 Diego Márquez 博士评论道：“这彻底改变了我们对植物与水关系的理解，表明非气孔控制蒸腾作用可以限制水分流失，而不会影响碳的增加——挑战了通常被认为是不可避免的权衡。
“我们的研究结果对植物适应气候变化以及如何在干旱环境中种植农作物具有重要意义。了解这一机制可以为提高 C4 作物的用水效率开辟新途径，这对全球粮食安全至关重要。”
研究证实，C4 植物在气孔下腔中维持较低的相对湿度，在蒸汽压差 (VPD) 压力下降至 80%，从而减少水分流失，并强调了非气孔控制在水分利用效率中的重要作用。
这种机制有助于植物通过减少水分流失来维持光合作用，同时又不会显著降低光合作用的细胞间二氧化碳水平。这对于维持生长和确保农作物茁壮成长至关重要。
研究结果还表明，非气孔控制机制可能在 C3 和 C4 光合作用途径分化之前就已经进化，表明它们具有共同的进化特征。
“我们的研究重新定义了对 C4 植物水分利用效率的理解，并揭示了这种替代机制有助于植物继续生长并捕获二氧化碳，即使在对大气水需求很高的情况下也是如此，这挑战了关于这些植物如何在干旱中生存的传统假设，”Márquez 博士补充道。
光合作用是植物利用光和二氧化碳制造糖类以促进生长的过程，其中的酶名为 Rubisco。植物利用通过开放气孔进入的二氧化碳来制造糖类，而开放气孔也会将水蒸气排出。
C3 植物仅依靠通过气孔的二氧化碳扩散来获取碳，而C4植物拥有特殊的叶片结构和酶，可将二氧化碳集中在 Rubisco 周围，从而提高其光合作用性能和水分利用效率。
然而，这种好处是有代价的，因为当气孔关闭时，这些植物的光合作用很容易大幅减少。因此，非气孔机制对于确保它们成功控制水分流失同时保持气孔开放至关重要。

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