激素如何帮助植物建立叶子的通风系统

随着世界变暖，植物面临两难境地 - 他们打开以交换气体的同样微小的孔也会让水流失。它们可以关闭称为气孔的孔，以便在更热，更干燥的条件下保持水分，但这样做可能会错过关键的二氧化碳。

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斯坦福大学Bergmann实验室面临的问题是，随着世界上越来越多的工厂经历更温暖，更干燥的环境，这种困境将如何发挥作用。确定这一点需要该团队退后一步，更好地了解植物如何调节每片叶子发育的气孔数量。答案不仅表明工程植物有机会抵御气候变化，而且还揭示了一种先前未知的过程，通过该过程，植物可以微调它们构建的气孔数量。

“能够更好地预测北方森林等植被如何对全球气候变化作出反应将是非常好的。气候发育的变化是植物在环境变化时可能用来适应的一种机制，但我们有斯坦福大学人文与科学学院生物学教授多米尼克·贝格曼(Dominique Bergmann)实验室的博士后学者安妮·瓦滕(AnneVatén)说，还有更多要了解它。

在9月6日发表于发育细胞的一篇论文中，研究人员研究出拟南芥植物中的哪种激素协调植物产生的气孔数。更重要的是，他们使用CRISPR / Cas9基因编辑技术调整了植物中激素的水平，以了解这种激素在多大程度上可以增加或减少气孔的存在。

看着气孔发育

该小组首先研究细胞分裂素的影响，细胞分裂素是一种重要的植物激素，长期以来一直被认为会影响气孔的发育，并与整个植物中发生的其他过程协调。该论文的第一作者Vatén分析了拟南芥的整个基因组，并证实与细胞分裂素相关的基因确实在即将成为气孔的细胞中具有高活性。然后，通过在数百个实验室植物的特定细胞中上调或下调这种激素的水平，研究人员发现它们可以巧妙地改变植物产生的气孔数量。

更重要的是，他们准确地追溯了细胞分裂素在这种情况下的作用。它激活了一种叫做SPEECHLESS的基因，它将细胞放在成为气孔的道路上。但这条道路并不直接 - 早期的步骤涉及干细胞样分裂，能够扩大用于气孔的细胞池。通过他们的实验，研究人员发现，虽然SPEECHLESS推动更多的细胞成为气孔，但它也激活了四种蛋白质，这些蛋白质限制了细胞对细胞分裂素的反应能力。

虽然改变细胞分裂素水平一直影响着气孔，研究人员发现这种效应从未如此显着 - 完全消除了他们发现的蛋白质，例如，只改变了气孔数量约10%。根据这一发现，该小组很好奇气孔增加10%是否有意义。考虑到之前关于在极端环境中种植植物的研究，Bergmann注意到科学家将植物大气中正常二氧化碳含量翻倍并观察到对气孔影响的实验。在包括代表数十种物种的数百人的研究中，反应是平均减少叶子上的气孔数量约9%。

“这是一个非常令人满意的发现，”Bergmann说，他也是霍华德休斯医学研究所的调查员和该论文的高级作者。“当植物失去使用细胞分裂素-SPEECHLESS系统的能力时，能够说我们在气孔数字中看到的变化是很好的，这是因为植物通常会有多少变化来应对环境变化。”

CRISPR和气候变化

研究人员使用CRISPR / Cas9基因编辑技术精确改变植物中的单个基因，以增加和降低细胞分裂素水平。研究人员表示，该技术非常有希望能够进行有针对性的微小变化，以提高植物抵御气候变化的能力。然而，最近欧盟决定通过CRISPR修饰的植物应遵守与通过较旧和较不精确的方法修饰的植物相同的严格法律。Bergmann对这两者的经验使得她对这个决定提出了质疑，特别是，她说，因为受诱变育种的植物，一种更老，更具侵入性的程序，是免除的。

“重要的是要讨论遗传信息如何通过各种技术(如CRISPR / Cas9)进行自然改变，以及让科学家们更加注重改善植物以造福人类而不是企业利润，”Bergmann说，“但我认为目前的欧盟裁决是短视的。“

根据个性化医疗的线，研究人员预测，植物生物学家将越来越关注科学家通过基因编辑在植物中产生的微小变化。

这项工作的下一步将是观察细胞分裂素激素如何将气孔的发育与血管系统的发育联系起来，以及特定的环境变化如干旱。同时，Bergmann实验室已经在研究其他植物激素如何调节气孔。

该论文的共同作者包括北卡罗来纳大学的Cara Soyars和Zachary Nimchuk以及加州理工学院的Paul Tarr和霍华德休斯医学研究所。

这项工作由EMBO博士后奖学金，国家科学基金会，国立卫生研究院，戈登和贝蒂摩尔基金会以及霍华德休斯医学研究所资助。