激素如何帮助植物建立叶片的通风系统？

这是对野生型拟南芥幼苗的显微观察，其中荧光蛋白标记了质膜。

随着世界变暖，植物面临着一个困境——它们必须打开来交换气体的同样的小孔也会排放水。他们可以关闭被称为气孔的孔，以在更热和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。

斯坦福大学博格曼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，这种困境将如何运作。确定这一点需要小组退后一步，更好地理解植物如何调节每片叶子上的气孔数量。答案不仅表明工程植物有机会抵抗气候变化，还揭示了一个以前未知的过程，通过这个过程，植物可以微调它们建立的气孔数量。

“能够更好地预测北方森林等植被将如何应对全球气候变化，这将是非常好的。气孔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，但是我们有斯坦福大学人文科学学院生物学教授多米尼克博格曼实验室的博士后学者AnneVatn，他说我们需要更多地了解它。

在9月6日发表在《发育细胞》杂志上的一篇论文中，研究人员发现拟南芥植物中的哪种激素协调植物产生的气孔数量。更重要的是，他们利用CRISPR/Cas9基因编辑技术来调节植物体内的激素水平，从而知道这种激素能在多大程度上增加或减少气孔。

观察气孔发育。

该小组首先研究了细胞分裂素的作用，细胞分裂素是一种重要的植物激素，长期以来被认为影响气孔的发育，并与整个植物中的其他过程相协调。本文第一作者Vatn对拟南芥全基因组进行了分析，证实了细胞分裂素相关基因在即将成为气孔的细胞中确实高度活跃。然后，通过上调或下调数百种实验室植物特定细胞中这种激素的水平，研究人员发现它们可以微妙地改变植物产生的气孔数量。

更重要的是，他们准确追踪了细胞分裂素在这种情况下的作用。它激活了一种叫做“无语”的基因，这种基因使细胞走上了变成气孔的道路。但是这条路并不直接——早期的步骤包括干细胞样分裂，这可以扩大气孔的细胞池。通过他们的实验，研究人员发现，尽管无语促进了更多的细胞变成气孔，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。

尽管改变细胞分裂素的水平总是会影响气孔，但研究人员发现，这种影响从未如此显著——例如，完全消除他们发现的蛋白质，只改变气孔数量的10%左右。基于这一发现，研究小组很好奇将气孔增加10%是否有意义。考虑到之前关于在极端环境下种植植物的研究，博格曼注意到实验中科学家将植物大气中的正常二氧化碳水平提高了一倍，并观察了对气孔的影响。包括代表几十个物种的数百人，反应是平均减少叶片气孔数量约9%。

“这是一个非常令人满意的发现，”博格曼说，他也是霍华德休斯医学研究所的研究员和这篇论文的资深作者。“当植物失去使用细胞分裂素-无语系统的能力时，说我们看到的气孔数量的变化是有意义的，因为植物通常会有许多变化来应对环境的变化。”

CRISPR与气候变化

研究人员利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，精确改变植物中的单个基因，以提高和降低细胞分裂素水平。研究人员表示，这项技术非常有希望做出有针对性的小改变，以提高植物抵御气候变化的能力。然而，最近，决定，由CRISPR改造的植物应该遵守与由较旧和不太精确的方法改造的植物相同的严格法律。博格曼与他们两人的经历让她质疑这个决定，特别是，她说，因为通过突变培育的植物，一种更古老和更具侵略性的程序，被豁免了。

博格曼说：“重要的是讨论遗传信息如何通过各种技术(如CRISPR/Cas9)自然改变，并让科学家们更多地关注为了人类的利益而不是企业利润而改良植物。“但我认为目前的裁决是短视的。”

沿着个性化医学的路线，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产生的植物微小变化。

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以及干旱等特定环境变化联系起来。同时，博格曼实验室一直在研究其他植物激素是如何调节气孔的。

这篇论文的合著者包括北卡罗来纳大学的卡拉索亚尔斯和扎卡里尼姆丘克，以及加州理工学院的保罗塔尔和霍华德休斯医学研究所。

这项工作是由EMBO博士后奖学金，国家科学基金会，国家卫生研究院，戈登和贝蒂摩尔基金会和霍华德休斯医学研究所资助的。

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