PNAS:德国科学家揭示植物自动节水机制
近日，国际著名学术期刊《美国国家科学院院刊》杂志在线发表了慕尼黑工业大学Erwin Grill的一项新研究进展，研究人员报道称找到了在不影响植物正常生长的情况下让它们更高效利用水分的方法。
对于人类未来发展而言，粮食需求量的增大和有限的可用水资源无疑是亟待解决的巨大挑战。然而目前，我们对水资源的使用方式并非可持续之道，其中植物光合作用过程中通过叶片丧失的水分就是导致全球种植业低效用水的一个限制性因素。日前，慕尼黑理工大学(TUM)的科学家们在着手解决这一难题，他们现在可以在不影响植物正常生长的情况下让它们更高效地利用水分。这一方法源于植物本身所具有的节水机制，植物利用这类机制在吸收二氧化碳的过程中尽可能使失水量降低。
研究表明，在可用水不足的情况下植物可以启动这一节水模式。TUM科学家已成功确定了相关的启动信号，并可以使节水模式永久性地处于开启状态。现阶段，农业用水量占据了全球耗水量的70%，。一部分的农业用水来自于对地下水的抽取，这种不可持续性的取水方式正在使地下水水位不断下降;此外，每年还有净50立方英里的水量——相当于尼亚加拉瀑布年水量的3倍——从陆地流入大海，贡献了海平面升高总量中的30%。根据全球农业报告(global Agriculture Report)给出的数据，相比于50年前，人类现阶段对水的需求量高出了3倍之多，据此推算，到了2050年农业用水会比现在再增加20%。
研究表明，经由地表进入大气的水分中有将近80%的部分并非通过蒸发散失，而是经由植物叶片的蒸腾作用。那么，如何让作物种植更高效地利用水分将成为未来农业及粮食安全的核心课题。
植物通过叶片表面的气孔进行二氧化碳和水蒸气的互换，当气孔关闭时便可减少水分的流失，但不可避免的会降低二氧化碳的吸收量。具体取决于空气温度和湿度的差异，植物每吸收一个二氧化碳分子，都会损耗500~1000个水分子。然而当水分不足时，植物却可以降低自身内部的二氧化碳浓度，以此完成更有效地吸收二氧化碳。
TUM的植物学教授Erwin Grill介绍说：“在吸收二氧化碳的过程中，植物完全有能力把水分的流失量减少一半，但是这种机制只有在水分供应极其短缺时才会启动。”对于种植作物而言，如果植物可以永远使保持这种节水机制处于启动状态，那么假使未来会碰到干旱天气，贮藏在地下的水分也能够保证它们的存活甚至是生长。
TUM的研究团队发现，一种被称为脱落酸(ABA)的植物激素控制了节水模式是否启动，这种激素可以在水分供应不足时大量产生。通过对模式植物拟南芥的实验，研究者发现了14种能够感知脱落酸激素信号的受体。此外，在水分供应充足的情况下，他们通过激素调控发现其中的部分受体可以启动节水模式。值得注意的是只有3个受体可以在不影响植物正常生长的情况下启动节水机制，其节水的效率高达40%。
相关论文的共同作者，TUM草业研究教授Hans Schnyder说到：“在野外大田环境中是否可以取得与实验室一致的节水效果将是我们下一步的研究重点。”研究者们在德国慕尼黑亥姆霍兹环境健康研究中心(Helmholtz Zentrum München, German Research Center for Environmental health)植物培养室所进行的首次田间模拟实验已经获得了一致的效果。
Grill教授表示：“至于小麦、玉米以及水稻这些重要农作物是否能够在节水模式下获得更大的产量仍然有待实验验证，但我们对此相当乐观。因为所有的植物都具有相关的节水机制，既然它在拟南芥身上成功运用，那么就极有可能在其他植物身上成功复制。这对于未来的粮食安全问题无疑是非常重要的进步。”
【图注】图为对生长40天的拟南芥进行的热分析图谱，图谱用假彩色表现了植株不同生长状态下叶片温度的差异。耗水较少的植株在图谱上显现为绿色和黄色。图片来源：德国慕尼黑理工大学
原文链接：
Leveraging abscisic acid receptors for efficient water use in Arabidopsis
原文摘要：
Plant growth requires the influx of atmospheric CO2 through stomatal pores, and this carbon uptake for photosynthesis is inherently associated with a large efflux of water vapor. Under water deficit, plants reduce transpiration and are able to improve carbon for water exchange leading to higher water use efficiency (WUE). Whether increased WUE can be achieved without trade-offs in plant growth is debated. The signals mediating the WUE response under water deficit are not fully elucidated but involve the phytohormone abscisic acid (ABA). ABA is perceived by a family of related receptors known to mediate acclimation responses and to reduce transpiration. We now show that enhanced stimulation of ABA signaling via distinct ABA receptors can result in plants constitutively growing at high WUE in the model species Arabidopsis. WUE was assessed by three independent approaches involving gravimetric analyses, 13C discrimination studies of shoots and derived cellulose fractions, and by gas exchange measurements of whole plants and individual leaves. Plants expressing the ABA receptors RCAR6/PYL12 combined up to 40% increased WUE with high growth rates, i.e., are water productive. Water productivity was associated with maintenance of net carbon assimilation by compensatory increases of leaf CO2 gradients, thereby sustaining biomass acquisition. Leaf surface temperatures and growth potentials of plants growing under well-watered conditions were found to be reliable indicators for water productivity. The study shows that ABA receptors can be explored to generate more plant biomass per water transpired, which is a prime goal for a more sustainable water use in agriculture.
作者：Erwin Grill
