植物通过在叶片上扩展微小的开口，即气孔，来应对热量，这类似于出汗。然而，科学界直到现在仍未完全理解这一过程是如何运作的。生物学家的最新研究揭示了植物适应气温升高的机制。
气孔是叶片表面的小开口，允许植物通过蒸发管理水分损失。它们还调节二氧化碳的摄入，这是光合作用和生长所必需的。
自19世纪以来，人们就知道植物调节其气孔以释放水蒸气以降温，这一过程被称为蒸腾或“出汗”。随着全球气温的上升和热浪的增加，气孔扩张的能力对于保护植物免受热损害至关重要。
尽管有这些知识，但研究人员在一个世纪以来一直难以确定驱动气孔在热量增加下扩展的遗传和分子机制。
为了解决这一空白，加州大学圣地亚哥分校生物科学学院的博士生Nattiwong Pankasem和朱利安·施罗德教授在期刊《新植物学家》上发表的研究详细描述了这些机制。他们的工作识别出两条植物管理温度升高的关键途径。
“全球气温的上升对农业构成了重大风险，”施罗德指出。“我们的发现揭示了一条遗传途径，在温和的热量下导致气孔打开，而第二条途径在温度进一步上升时激活。”
之前，科学家们在准确测量这些机制方面面临挑战，因为在温度上升的过程中维持稳定湿度（称为蒸气压差或VPD）涉及复杂的过程。挑战在于解开对温度和湿度的反应。
Pankasem通过创建一种新的方法来解决这一问题，在温度升高时将叶片的VPD稳定在一致的水平。他能够识别出影响气孔对温度反应的遗传因素，包括蓝光传感器、干旱激素、二氧化碳传感器和热敏蛋白。
这项研究的一个关键方面是使用先进的气体交换分析仪，该仪器允许在不移除活植物叶片的情况下更好地控制VPD。这一创新使研究人员能够更有效地研究温度如何影响气孔的开放。
研究结果显示，不同植物物种的气孔对升温的反应是由广泛存在的机制调节的。在这项调查中，Pankasem研究了两种植物：拟南芥（Arabidopsis thaliana，一种常被研究的杂草）和多花黑麦草（Brachypodium distachyon，与小麦、玉米和水稻等主要作物相关的开花植物）。
研究表明，二氧化碳传感器在植物如何应对热量方面发挥了关键作用。当叶片迅速升温时，这些传感器会引发温暖叶片中的光合作用增加，导致二氧化碳水平降低，从而促使气孔打开以增强二氧化碳的吸收。
有趣的是，这项研究还揭示了一个在极端高温下触发的第二反应途径。在这种情况下，当光合作用受到压力并减弱时，气孔绕过二氧化碳传感器系统，并脱离通常面向光合作用的反应。实际上，它们找到了一条替代路径——像是从后门进入——以促进降温。
“这一次性机制的含义在于，气孔在没有光合作用优势的情况下打开，将导致作物的水分使用效率降低，”Pankasem表示。“根据我们的结果，植物可能需要更多的水来吸收每单位的CO2。这可能直接影响作物生产的灌溉策略，并在全球变暖背景下对生态系统中植物蒸腾产生广泛影响。”
“这项研究强调了基础、以好奇心驱动的研究在应对社会挑战、增强农业等关键领域的韧性，以及可能推进生物经济方面的重要性，”来自美国国家科学基金会生物科学处的理查德·西尔（Richard Cyr）表示，该机构支持这项研究。“深入了解在高温下控制气孔功能的分子复杂性可能会导致在全球气温上升的情况下减少农业水需求的创新策略。”
随着这些新见解的提出，Pankasem和施罗德现在专注于探索第二热反应系统的分子和遗传基础。
这项研究的合著者包括：Nattiwong Pankasem，许柏凯，布林·洛佩斯，彼得·弗兰克斯，和朱利安·施罗德。该研究得到了人类前沿科学计划（RGP0016/2020）和国家科学基金会（MCB 2401310）的资助。
