光合产物糖类作为叶肉信使调控红光下气孔离子运输的胞外代谢组学解析

本研究通过整合生理学测量、全面代谢组学和离子运输分析，揭示了红光照射下叶肉细胞分泌的糖类（特别是蔗糖）和马来酸作为胞外信使，通过激活保卫细胞H+-ATPase磷酸化和抑制SLAC1阴离子通道双重机制，显著增强气孔开度的分子机制。该发现解决了数十年来关于叶肉信使存在性、身份识别和作用机理的核心问题，为理解光合作用与气孔运动的协调机制提供了关键证据。研究成果发表于《Nature Plants》。

　　

植物叶片上的气孔是植物与外界环境进行气体交换的重要门户，由一对保卫细胞构成。气孔开闭的精确调控对植物光合作用和水分利用效率至关重要。虽然已知蓝光和红光都能诱导气孔开放，但在自然光照条件下，红光响应更为关键，因为蓝光响应容易达到饱和。长期以来，科学家们观察到叶肉光合作用与气孔导度之间存在密切协调关系，暗示可能存在来自叶肉细胞的"信使物质"调控保卫细胞活动。然而，这些假想中的叶肉信使的分子身份和作用机制一直是未解之谜。

为揭示这一长期悬而未决的科学问题，由Yotam Zait、Mengmeng Zhu和Eigo Ando等组成的国际研究团队在《Nature Plants》发表了突破性研究成果。研究团队创新性地采用多学科交叉方法，结合生理学、代谢组学和电生理学技术，系统解析了红光下叶肉细胞分泌的胞外代谢物对气孔运动的调控机制。

研究主要采用了以下关键技术方法：通过离心法收集拟南芥和蚕豆叶片胞外液（apoplastic fluid）；利用气相色谱-质谱联用（GC-MS）和液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）等多元代谢组学平台分析胞外代谢物；采用表皮条生物测定和气孔导度测量评估代谢物对气孔开度的影响；通过免疫组织化学检测H⁺-ATPase磷酸化水平；运用膜片钳技术记录保卫细胞原生质体和非洲爪蟾卵母细胞中SLAC1阴离子通道电流。

【Apoplastic fluid from illuminated leaves enhances stomatal opening】

研究发现红光诱导的胞外液能显著增强两种模式植物（拟南芥和蚕豆）的气孔开放，且具有跨物种效应。通过分子量分级和热处理等实验排除了离子和大分子蛋白质的参与，将研究焦点集中在小于3kDa的小分子代谢物上。

【Metabolomics analyses reveal candidate mesophyll messengers】

研究团队运用三种互补的代谢组学平台，鉴定了448种胞外代谢物，建立了迄今最全面的植物胞外代谢组数据库。通过比较红光与黑暗处理下的代谢物变化，结合生物活性验证，最终锁定糖类（光合作用直接产物）和马来酸作为关键候选信使物质。

【Sugar-induced enhancement of stomatal opening under red light occurs at low sugar concentrations】

低浓度（0.1-3mM）的蔗糖和果糖能显著增强红光诱导的气孔开放，且这一效应呈现非单调的剂量反应曲线。通过GC-MS/SRM定量分析证实，红光处理下胞外蔗糖浓度随时间增加，与观测到的气孔响应时程和有效浓度范围高度吻合。值得注意的是，代谢惰性的甘露醇和山梨醇无此效应，排除了单纯渗透作用的解释。

【Guard-cell ion transporters are regulated by sucrose】

机制研究发现，蔗糖通过双重途径调控保卫细胞离子运输：一方面，蔗糖在接近胞外pH（5.5）条件下能显著促进保卫细胞质膜H⁺-ATPase的磷酸化，这一效应在1mM蔗糖时即显现，30mM时达到饱和；另一方面，蔗糖能浓度依赖性地抑制SLAC1型慢阴离子通道电流。遗传学实验证实，在slac1突变体中，蔗糖对气孔开放的增强效应完全消失。

研究结论部分指出，该工作首次明确了蔗糖等光合产物作为叶肉信使的分子身份，揭示了其通过调控H⁺-ATPase和阴离子通道双重靶点协调气孔运动的机制。这一发现为理解植物如何整合环境光信号与内部代谢状态来优化气孔行为提供了全新视角，对提高作物水分利用效率具有重要指导意义。特别值得注意的是，蔗糖的调控作用发生在与生理浓度相匹配的微摩尔水平，且其效应不依赖于保卫细胞光合作用或光敏色素B（phyB）途径，也不通过己糖激酶（hexokinase）介导，代表了一条全新的气孔红光响应信号通路。

讨论部分强调，该研究不仅解决了植物生理学领域长期存在的关键科学问题，其建立的胞外代谢组学分析方法和技术平台也为研究其他植物细胞间通讯机制提供了范例。未来研究可进一步探索不同环境条件下（如干旱胁迫）这些叶肉信使的动态变化规律，以及它们在作物抗逆性调控中的潜在应用价值。