原文以Optogenetic manipulation of stomatal kinetics improves carbon assimilation, water use, and growth 為標題發(fā)表于2019年3月29日的 Science上。原文作者：M. Papanatsiou、王一州等。
Glasgow大學(xué)和浙江大學(xué)作物所為該論文的共同通訊單位。
植物細胞代謝可較迅速適應光照條件的變化，但氣孔的響應較慢。由于反應滯后，葉片光合作用效率較低。研究者使用光遺傳學(xué)技術(shù)，在擬南芥葉片氣孔細胞中引入了藍光響應離子通道，在光照強度波動(dòng)的條件下，氣孔可更快的打開(kāi)和關(guān)閉，從而提高了水分利用效率，促進(jìn)了植株生長(cháng)。
通過(guò)離子流進(jìn)出，葉片保衛細胞實(shí)現自身的膨脹和收縮，控制氣孔的開(kāi)放和關(guān)閉。當植物感測到光線(xiàn)時(shí)，信號會(huì )發(fā)送給葉片衛細胞以增加其離子含量，引發(fā)衛細胞吸水膨脹，植物葉片氣孔開(kāi)放。在黑暗條件下，保衛細胞失水收縮，氣孔關(guān)閉。實(shí)驗發(fā)現，自然條件下保衛細胞對光照波動(dòng)變化響應速度慢，植物的水分利用效率WUE不高。
研究者借用了神經(jīng)生物學(xué)中的一種工具——光遺傳學(xué)技術(shù)。這項技術(shù)使研究者能夠利用光來(lái)控制膜電壓，從而激活神經(jīng)元。Glasgow大學(xué)的研究者M(jìn)ichael Blatt說(shuō)，“改變細胞的電壓相對容易，但是轉移足夠多的離子以改變細胞內的離子含量總量，才是真正的挑戰。”
研究者將一種細胞特異性啟動(dòng)子——藍光響應鉀離子通道BLINK1，引入到擬南芥葉片氣孔保衛細胞中，觀(guān)察它們是否能加快離子通量。
為測試氣孔打開(kāi)和關(guān)閉的速度與植物水分利用效率的關(guān)系，研究者在擬南芥氣孔保衛細胞中引入了合成光激活BLINK1離子通道（1）。在被藍光激活的兩分鐘內，BLINK1通道允許鉀離子快速進(jìn)入細胞（2）。細胞內離子的增加引發(fā)保衛細胞吸水膨脹，氣孔張開(kāi)（3）。處于黑暗中8到10分鐘后，BLINK1通道的活性下降，保衛細胞開(kāi)始萎縮，氣孔關(guān)閉（4）。
實(shí)驗結果表明，暴露于藍光兩分鐘，葉片氣孔細胞內的BLINK1通道打開(kāi)，使鉀離子大量進(jìn)入保衛細胞。保衛細胞吸水膨脹，氣孔張開(kāi)變大。
光敏通道BLINK1促進(jìn)氣孔迅速開(kāi)放
具BLINK1通道的植物葉片比對照組植物能更快地打開(kāi)氣孔，更快地吸收二氧化碳。當置于黑暗條件下后，這種植物葉片還能夠更快地關(guān)閉氣孔，避免了不必要的水分損失。實(shí)驗數據表明，具BLINK1的擬南芥生長(cháng)速度是對照組植物的2.2倍。
光敏通道BLINK1增強了測試擬南芥光合碳同化和水分利用效率WUE
LI-6800系統中的6800-17整株擬南芥葉室，可測量整株擬南芥的光合氣體交換參數，如凈光合速率A、蒸騰速率Tr、水分利用效率WUE、氣孔導度gsw等。本研究中，研究者使用的是其上一代產(chǎn)品LI-6400XT進(jìn)行的測量。
法國艾克斯-馬賽生物科學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院的植物電生理學(xué)家Nathalie Leonhardt說(shuō)，“這是非常有趣和創(chuàng )新的實(shí)驗，這項研究證明了BLINK通道的作用。”
研究者Blatt指出，“這項研究證明了可以對植物細胞進(jìn)行生物工程改造，控制氣孔開(kāi)閉的速度，進(jìn)而提高植物的水分利用效率。”