原位空化气泡测压法揭示苔藓植物保卫细胞缺乏光激活膨压调节机制

【字体: 时间:2025年03月27日 来源:Proceedings of the National Academy of Sciences 9.4

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  为解决测量保卫细胞膨压的技术难题,研究人员开展了利用原位空化气泡监测细胞膨压的研究。结果发现苔藓植物保卫细胞无光激活膨压变化,维管植物则有。这有助于理解气孔行为的演化与多样性。

  在过去的 4 亿年里,植物水力结构和气孔功能的多样化与地球大气的剧烈变化相吻合。苔藓植物气孔与最早的陆地植物有着相似的解剖结构,其气孔行为或许能为研究气孔功能的演化提供线索,但由于原位测量保卫细胞膨压存在技术限制,目前仍存在诸多不确定性。
研究人员引入了一种监测细胞膨压的方法,通过在完整植物组织的保卫细胞内成核微气泡,然后观察微气泡的生长和溶解动态。首先,研究表明,根据修正版的爱泼斯坦 - 普莱塞特(Epstein–Plesset)方程,随着周围流体压力的增加,微气泡的最大半径会减小,因为周围流体的压力会限制其生长。

随后,研究人员将该方法应用于监测不同苔藓植物类群(其气孔在气体交换中的作用尚不明确)和维管植物(其光依赖的膨压调节已有充分记录)在黑暗和光照适应条件下保卫细胞的膨压。研究结果显示,苔藓植物保卫细胞在光照下膨压没有激活变化,其压力与相邻表皮细胞相比无显著差异。相反,维管植物在光照下会出现明显的压力调节,从而驱动气孔孔径的可逆变化。完全失去保卫细胞膨压对苔藓植物气孔孔径没有影响,但会导致维管植物气孔部分或完全关闭。

这些结果表明,尽管苔藓植物和维管植物的气孔形态相似,但所研究的苔藓植物缺乏对保卫细胞膨压的动态控制,而这种控制对于维持光合作用和防止干燥至关重要。

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