植物的叶子表面有极小的气孔，即气孔。在它们的帮助下，它们调节光合作用中二氧化碳的流入。它们还利用气孔来防止缺水和干旱时的枯萎。
气孔周围有两个保卫细胞。如果这些细胞的内部压力下降，它们就会松弛并关闭毛孔。如果压力升高，细胞就会分开，毛孔就会变宽。
因此，气孔运动受到保卫细胞的调节。这些细胞中的信号通路非常复杂，人类很难直接干预它们。然而，德国巴伐利亚 Julius-Maximilians-Universit?t (JMU) Würzburg 的研究人员发现了一种远程控制气孔运动的方法——利用光脉冲。
从藻类中提取的光敏蛋白
研究人员通过在烟草植物的保护细胞中引入一个光敏开关，成功地做到了这一点。该技术来源于光遗传学。它已成功地应用于动物细胞，但在植物细胞中的应用仍处于起步阶段。
由 JMU 生物物理学家和保护细胞专家 Rainer Hedrich 教授领导的团队在著名的科学杂志《科学进展》上描述了他们的方法。JMU 研究人员黄寿光 (第一作者)、Kai Konrad 和 Rob Roelfsema 参与其中。
研究小组使用来自藻类 Guillardia theta 的一种光敏蛋白作为光开关，即来自通道视紫红素组的阴离子通道 ACR1。在光脉冲的响应下，这个开关确保氯离子流出保卫细胞，钾离子随之流出。保卫细胞失去内部压力，松弛，毛孔在 15 分钟内关闭。“光脉冲就像气孔运动的遥控器，” 黑德里奇说。
证实了负离子通道假说
“通过将 ACR1 暴露在光线下，我们已经桥接了细胞自身的信号链，从而证明了阴离子通道的打开对于气孔关闭是必要和充分的假说，”Hedrich 总结了这项研究的结果。暴露在阳光下几乎完全阻止了植物的蒸腾作用。
有了这些知识，现在就可以在植物的保卫细胞中培养出更多的阴离子通道。以这种方式种植的植物可以更快地关闭气孔，以应对即将到来的热浪，从而更好地应对干旱时期。
“植物的阴离子通道在压力下被激活; 这个过程依赖于钙。在一个后续的光遗传学项目中，我们想使用钙导电通道视紫红素，专门允许钙通过暴露在光下流入保卫细胞，并详细了解阴离子通道激活的机制，”Hedrich 概述了他的未来研究目标。
基础科学研究也可以从 Würzburg 的结果中受益:“我们新的光遗传学工具具有巨大的研究潜力，” 这位 JMU 教授说。“有了它，我们可以对植物如何调节它们的水分消耗以及二氧化碳固定和气孔运动是如何耦合的有新的见解。”