植物叶片上下表皮保卫细胞利用不同钾离子通道组成驱动光诱导气孔开放的分子机制

本研究针对植物叶片上下表皮气孔对光响应差异的分子机制这一长期未解之谜，通过单细胞转录组测序和OnGuard计算机模拟等技术，首次揭示拟南芥和烟草中上表皮保卫细胞(adaxial GCs)主要依赖AKT1钾通道，而下表皮保卫细胞(abaxial GCs)偏好KAT1通道。该发现阐明了叶片两面气孔运动不对称性的离子通道基础，为作物水分利用效率的遗传改良提供了新靶点。

　　

在植物与环境的动态交互中，气孔作为叶片表面微米级的"智能阀门"，通过精确调控其开闭来平衡CO₂吸收与水分流失。虽然早在上世纪就发现大多数草本植物叶片上下表皮气孔存在显著的光响应差异——下表皮气孔对光更敏感，但这一现象背后的分子机制始终笼罩在迷雾中。这种"两面性"可能蕴含着植物适应环境的关键策略，然而传统研究多聚焦于下表皮气孔，使得上表皮气孔的调控机制成为植物生理学领域亟待破解的"另半边天"之谜。

北京大学的研究团队在《Nature Plants》发表的研究成果，通过创新性地结合单细胞测序、计算生物学和遗传学手段，首次绘制了叶片两面保卫细胞的分子特征图谱。研究人员发现上表皮保卫细胞主要表达受钙离子调控的AKT1通道，而下表皮保卫细胞则高表达KAT1通道。这种"分工协作"的离子通道配置，使得下表皮气孔能更高效地响应光信号，而AKT1通道较小的孔径（比KAT1小1.19 ?）则赋予上表皮气孔更保守的开放特性。这种精妙的分子设计，可能是植物应对上表皮更强光照条件的适应性策略。

关键技术包括：1）开发胶带剥离法分离上下表皮保卫细胞原生质体；2）采用10x Genomics平台进行单细胞转录组测序（24,840个细胞）；3）基于AlphaFold3预测钾通道蛋白三维结构；4）利用非损伤微测技术（NMT）检测K⁺流速；5）通过OnGuard3系统动态模拟不同钾通道组合的气孔运动。

主要研究结果

气孔性状表征
通过系统比较拟南芥野生型（WT1和WT2）叶片两面气孔特征，发现虽然气孔大小相当，但下表皮具有更高气孔密度（图1c）和指数（图1d）。LI-600孔隙仪测量显示，下表皮气孔导度（g_s）和单气孔导度（g_s^*）在各类光强下均显著高于上表皮（图1e-h）。离体表皮实验证实，光照3小时后下表皮气孔开度比上表皮大70%（图1i,j），而在黑暗条件下无差异。烟草中也观察到类似现象（扩展数据图2），表明这是双子叶植物的保守特征。

保卫细胞亚群鉴定
单细胞转录组分析揭示保卫细胞存在GC1和GC2两个亚群（图2a-c）。通过创新开发的胶带剥离法获取纯化上下表皮保卫细胞进行RNA-seq，主成分分析显示GC1与下表皮、GC2与上表皮转录组特征高度吻合（图2d）。基因富集分析表明，上表皮保卫细胞富集强光响应、氧化还原等通路基因，而下表皮则高表达气孔运动、光合作用相关基因（图2e）。特别值得注意的是，内向整流钾通道基因KAT1在下表皮表达量是上表皮的2.2倍，而AKT1在上表皮表达量翻倍（图2f）。

钾通道功能验证
OnGuard3模型模拟显示，增加KAT/AKT比例可显著提升气孔导度（图3a,b）。遗传实验证实，kat1突变体下表皮气孔开度、K⁺内流速率和g_s显著降低，而akt1突变体仅影响上表皮（图4c-j）。Western blot显示KAT1在下表皮、AKT1在上表皮分别富集1.5倍和1.8倍（扩展数据图7a,b）。AlphaFold3预测显示KAT1形成的通道孔径比AKT1大1.19 ?（图4k），这与冷冻电镜结构分析一致（扩展数据图9）。

这项研究不仅解开了植物叶片"两面性"的分子密码，更揭示了植物协调光合效率与水分平衡的精妙策略。上表皮保卫细胞通过"保守型"AKT1通道限制过度失水，而下表皮则利用"高效型"KAT1通道最大化CO₂吸收。这种空间特异的离子通道分配机制，为设计"智能气孔"作物提供了分子靶点，对应对全球气候变化下的农业节水需求具有重要意义。研究还建立了保卫细胞研究的新范式——将单细胞组学与计算生物学相结合，为植物环境适应性的机制解析开辟了新途径。