光遗传学方法显示植物保卫细胞可以计数环境刺激以适应水消耗

植物通过可调节的气孔(气孔)控制水分消耗，气孔由一对保卫细胞形成。当有充足的水分供应和足够的光照，植物就会打开气孔，通过光合作用固定二氧化碳。然而，在黑暗和缺水的情况下，植物会关闭气孔。

保卫细胞中的 SLAC/SLAH 型阴离子通道对于气孔的调节至关重要。德国巴伐利亚州维尔茨堡朱利叶斯马克西米利安大学 (JMU) 的生物物理学家 Rainer Hedrich 教授的研究小组证实了这一点。

阴离子通道由钙信号激活，而钙信号又由环境刺激引起，例如缺水和营养、土壤盐碱化或病原体侵染。这些钙信号根据刺激以不同的形式出现。因此，科学家也将它们称为钙信号。一种经常出现的信号是所谓的钙瞬变，即细胞中钙浓度的快速、暂时增加。

钙瞬变遵循全有或全无定律

钙瞬变中蕴含着多少信息?为了回答这个问题，Hedrich 的团队现在使用光遗传学方法对配备了光激活钙通道的新型模型植物进行研究：光脉冲可用于在这些植物的保卫细胞中产生钙信号并分析细胞反应。

这篇论文的第一作者黄说： “我们非常惊讶， 0.1 秒、1 秒和 10 秒持续时间的光脉冲产生了几乎相同的钙瞬变。”在保卫细胞中，光刺激后 30 秒内钙浓度增加，但在接下来的 30 秒后又下降。

“我们假设这种全有或全无现象的发生是因为从外部流入的钙量会从细胞内部的储存中释放出更多的钙，从而最大程度地放大信号，”Hedrich 解释道。维尔茨堡植物科学家是正确的：当他们抑制细胞内质网中的钙储存时，钙瞬变和随后的反应就无法实现。

阴离子电流跟随钙信号有时间延迟

Huang 解释说：“我们再次感到惊讶，除了钙信号外，我们还观察到了保卫细胞中的后续反应，即阴离子电流的膨胀。”与钙瞬变一样，不同长度的光脉冲会触发形状和强度相似的阴离子电流。电流跟随钙信号有时间延迟：它们仅在细胞溶胶中的钙浓度超过阈值后才会膨胀。

然而，钙瞬变停止后，阴离子电流仍可测量 30 秒。Hedrich 解释说，电信号的这种滞后与处理钙信号并相应地打开或关闭阴离子通道的酶的生物学有关。这清楚地表明，持续 0.1 秒的钙流入在细胞中被放大，从而引发了持续一百倍以上的后续反应。

保卫细胞可以数到六

植物需要多少次钙瞬变才能关闭气孔?为了回答这个问题，研究小组每半分钟将保卫细胞暴露于 0.1 秒的光脉冲下，并观察气孔。第一次脉冲后，孔宽减小 10%，三次刺激后减小 30%，六次刺激后减小 80%，12 次或更多次刺激后减小 100%。

“这告诉我们，保卫细胞可以解析六个连续的钙瞬变并将其转化为气孔运动。因此，保卫细胞可以数到六，”Hedrich 说。“当我们将刺激频率加倍时，气孔闭合并没有加速。当我们将刺激频率减半时，气孔运动就会延迟。”

这项研究将如何继续?“目前，我们正在寻找刺激-反应链中依赖于钙瞬变频率并决定速度的步骤。我们还对保卫细胞如何解码钙信号并将其转化为数量依赖的酶介导的阴离子通道激活感兴趣， ”JMU 生物物理学家说。

此外，还必须澄清保卫细胞记住相应钙信号多长时间的问题。

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