植物根据环境条件调整其水分使用，通过保卫细胞识别和响应不同刺激来实现。
植物通过可调开口称为气孔来管理水分摄入，气孔由一对保卫细胞组成。当有足够的水分和良好的光线可以捕捉二氧化碳进行光合作用时，保卫细胞会打开气孔。相反，在低光条件下或水分短缺时，气孔会关闭。
保卫细胞中的SLAC/SLAH型阴离子通道在调节气孔行为中发挥关键作用。这一发现是由德国巴伐利亚朱利乌斯-马克西米利安大学（JMU）生物物理学教授莱纳·赫德里希（Rainer Hedrich）领导的团队建立的。
这些阴离子通道由钙信号触发，钙信号的出现是由于环境因素如水或营养缺乏、土壤盐碱化或病原体攻击。钙信号的形式因触发刺激而异，通常被称为钙特征。观察到的一个常见特征是钙瞬变，其特征是细胞内钙水平迅速且短暂地上升。
钙瞬变遵循全或无规则
钙瞬变传递了多少信息？为了探讨这个问题，赫德里希团队采用光遗传学方法，使用专门设计的模型植物，这些植物配备了光激活的钙通道：利用光脉冲诱导保卫细胞中的钙信号，从而分析细胞反应。
“我们很惊讶地发现持续0.1、1和10秒的光脉冲产生了几乎相同的钙瞬变，”发表在《当代生物学》期刊上的一项研究的主作者黄守光（Shouguang Huang）表示。光刺激后，保卫细胞中的钙浓度在30秒内增加，然后在接下来的30秒内逐渐减少。
“我们怀疑这种全或无现象是因为外部进入细胞的钙促使从内部储存中释放额外的钙，从而增强信号，”莱纳·赫德里希解释说。当抑制内质网中的钙储存导致无法产生钙瞬变及随后的反应时，研究人员证实了他们的假设。
阴离子电流滞后于钙信号
“我们很惊讶地发现，在钙信号的同时，我们还检测到保卫细胞中随后反应的发生，这涉及到阴离子电流的膨胀，”黄守光表示。与钙瞬变类似，不同的光脉冲持续时间触发的阴离子电流具有相似的形状和强度。这些电流滞后于钙信号，仅在细胞浆中的钙浓度超过特定阈值后才膨胀。
在钙瞬变结束后，阴离子电流仍可以在额外的30秒内被检测到。这种延迟反应与处理钙信号的酶特性有关，这些酶激活或抑制阴离子通道，正如莱纳·赫德里希所解释的那样。这表明，只持续0.1秒的钙流入在细胞内被放大，促使持续时间超过一百倍的反应。
保卫细胞具有计数能力
植物需要多少钙瞬变来关闭气孔？为了调查这个问题，研究人员每隔半分钟向保卫细胞发出0.1秒的光脉冲，并观察气孔。在第一次脉冲后，气孔的宽度减少了10%；在三次脉冲后，减少了30%；六次脉冲后减少了80%；而在12次或更多脉冲后，完全关闭了100%。
“这表明保卫细胞能够处理六个连续的钙瞬变，并将其转化为气孔运动。从本质上讲，保卫细胞可以计数到六，”莱纳·赫德里希表示。“值得注意的是，增加刺激频率并没有加快气孔关闭，而减少频率则延迟了这一运动。”
展望未来——未来研究问题
这项研究的下一步是什么？“目前，我们正在研究刺激-反应过程的哪一部分受钙瞬变频率的影响，以及它如何影响反应速度。我们还在探讨保卫细胞如何解释钙信号并将其转化为以数量为基础的阴离子通道酶活化，”这位JMU生物物理学家表示。此外，还需要确定保卫细胞保持特定钙信号信息的时间长度。
