葉子表面的微孔被稱為氣孔，通過(guò)控制由于蒸發(fā)而損失的水分來(lái)幫助植物“呼吸”。這些氣孔也使和控制光合作用和生長(zhǎng)所需的二氧化碳攝入量。

早在19世紀(jì)，科學(xué)家們就知道植物通過(guò)氣孔釋放水蒸氣來(lái)冷卻，從而增加氣孔氣孔的開(kāi)口來(lái)蒸騰或“出汗”。如今，隨著全球氣溫和熱浪的上升，擴(kuò)大氣孔被認(rèn)為是減少植物熱損傷的關(guān)鍵機(jī)制。

但一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，植物生物學(xué)家一直缺乏對(duì)增加氣孔“呼吸”和蒸騰過(guò)程背后的遺傳和分子機(jī)制的全面描述，以應(yīng)對(duì)溫度升高。

加州大學(xué)圣地亞哥分校生物科學(xué)學(xué)院博士生Nattiwong Pankasem和Julian Schroeder教授構(gòu)建了這些機(jī)制的詳細(xì)圖像。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《新植物學(xué)家》雜志上，確定了植物應(yīng)對(duì)氣溫上升的兩條途徑。

施羅德說(shuō):“隨著全球氣溫上升，熱浪的影響顯然對(duì)農(nóng)業(yè)構(gòu)成了威脅?！薄斑@項(xiàng)研究描述了這樣一種發(fā)現(xiàn)，即溫度升高通過(guò)一種遺傳途徑(機(jī)制)導(dǎo)致氣孔打開(kāi)，但如果溫度進(jìn)一步升高，那么就會(huì)有另一種機(jī)制開(kāi)始增加氣孔打開(kāi)。”

幾十年來(lái)，由于需要復(fù)雜的測(cè)量過(guò)程，科學(xué)家們一直在努力尋找一種明確的方法來(lái)破譯溫度上升介導(dǎo)的氣孔打開(kāi)的機(jī)制。困難的根源在于，在溫度升高時(shí)將空氣濕度(也稱為蒸汽壓差或VPD)設(shè)置為恒定值所涉及的復(fù)雜力學(xué)，以及區(qū)分溫度和濕度響應(yīng)的棘手性。

Pankasem通過(guò)開(kāi)發(fā)一種新的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，該方法可以在溫度升高的情況下將葉片的VPD固定在固定值上。然后，他梳理出一系列氣孔溫度反應(yīng)的遺傳機(jī)制，包括藍(lán)光傳感器、干旱激素、二氧化碳傳感器和溫度敏感蛋白等因素。

新一代氣體交換分析儀對(duì)這項(xiàng)研究很重要，它可以改善對(duì)VPD的控制(將VPD夾緊到固定值)。研究人員現(xiàn)在可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，闡明溫度對(duì)氣孔打開(kāi)的影響，而不需要從整個(gè)活植物上取下葉子。

結(jié)果表明，氣孔變暖響應(yīng)是由一種跨植物譜系的機(jī)制決定的。在這項(xiàng)研究中，Pankasem研究了兩種植物物種的遺傳機(jī)制，一種是研究得很好的雜草物種擬南芥，另一種是與小麥、玉米和水稻等主要糧食作物有關(guān)的開(kāi)花植物Brachypodium distachyon，為這些作物提供了一個(gè)合適的模型。

研究人員發(fā)現(xiàn)，二氧化碳傳感器在氣孔變暖-變冷反應(yīng)中起著核心作用。二氧化碳傳感器檢測(cè)到樹(shù)葉何時(shí)快速變暖。這使得變暖葉片的光合作用增加，從而導(dǎo)致二氧化碳的減少。這就啟動(dòng)了氣孔的打開(kāi)，使植物從二氧化碳攝入的增加中受益。

有趣的是，該研究還發(fā)現(xiàn)了第二種熱反應(yīng)途徑。在極端高溫下，植物的光合作用受到脅迫并下降，并且發(fā)現(xiàn)氣孔熱響應(yīng)繞過(guò)二氧化碳傳感器系統(tǒng)，與正常的光合作用驅(qū)動(dòng)響應(yīng)斷開(kāi)。相反，氣孔采用第二種熱反應(yīng)途徑，就像從后門(mén)進(jìn)入房子一樣，“排汗”作為冷卻機(jī)制。

Pankasem說(shuō):“第二種機(jī)制的影響是，植物打開(kāi)氣孔而沒(méi)有從光合作用中獲得好處，這將導(dǎo)致作物的水分利用效率降低。”“根據(jù)我們的研究，植物每吸收單位二氧化碳可能需要更多的水。這可能會(huì)直接影響作物生產(chǎn)的灌溉規(guī)劃，以及生態(tài)系統(tǒng)中植物蒸騰作用增加對(duì)水文循環(huán)的大規(guī)模影響，以應(yīng)對(duì)全球變暖?！?/p>

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)生物科學(xué)理事會(huì)的項(xiàng)目主任Richard Cyr說(shuō):“這項(xiàng)工作顯示了好奇心驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)研究在幫助解決社會(huì)挑戰(zhàn)、在農(nóng)業(yè)等關(guān)鍵領(lǐng)域建立彈性以及潛在地推進(jìn)生物經(jīng)濟(jì)方面的重要性?！薄斑M(jìn)一步了解在高溫下控制氣孔功能基礎(chǔ)的分子復(fù)雜性，可能會(huì)導(dǎo)致在全球氣溫升高的情況下限制農(nóng)業(yè)所需水量的策略?！?/p>

有了新的細(xì)節(jié)在手，Pankasem和Schroeder現(xiàn)在正在努力了解二次熱反應(yīng)系統(tǒng)背后的分子和遺傳機(jī)制。

該研究的共同作者是:Nattiwong Pankasem, Po-Kai Hsu, Bryn Lopez, Peter Franks和Julian Schroeder。