质膜水通道蛋白SlPIP2;11通过优化气孔形态和增强抗氧化功能缓解高VPD对番茄光合作用的抑制

为解决高蒸汽压差(VPD)导致的光合抑制问题，研究人员开展SlPIP2;11基因调控番茄抗旱性的研究，发现该基因通过优化根系构型、增强抗氧化酶活性(SOD/POD/CAT)、改善气孔形态(SPI/SA)及PSII反应中心活性(Fv/Fm/Y(II))，显著提升番茄对高VPD(2.22 kPa)的适应性，为作物抗逆育种提供新靶点。

　　

随着全球温室效应加剧，大气干旱现象日益严重，高蒸汽压差(VPD)已成为制约农业生产的关键环境因子。当VPD超过1.0 kPa时，植物会通过关闭气孔减少水分流失，但这也导致CO₂吸收受阻，光合效率下降。番茄作为全球重要经济作物，其产量和品质极易受高VPD影响。在这一背景下，西北农林科技大学园艺学院李建明团队将目光聚焦于质膜内在蛋白(PIPs)——这类调控细胞跨膜水分运输的核心通道蛋白，试图揭示SlPIP2;11基因在番茄应对高VPD胁迫中的分子机制。

研究团队采用多学科交叉方法展开攻关：通过生物信息学预测SlPIP2;11蛋白结构特征，利用农杆菌介导的遗传转化技术构建过表达株系，结合烟草脆裂病毒(TRV)诱导的基因沉默(VIGS)技术获得干扰材料。采用LI-6800光合仪测定气体交换参数(Pn/Gs/Ci)，激光共聚焦显微镜进行亚细胞定位，并系统分析了根系形态、抗氧化酶活性(SOD/POD/CAT)、叶绿素荧光参数(Fv/Fm/Y(II))等生理指标。

3.1 SlPIP2;11蛋白特性分析

研究发现SlPIP2;11在高压差环境下表达显著上调，其编码的259个氨基酸蛋白含有6个保守基序，三维结构模型显示α-螺旋和无规卷曲构成主要结构单元。亚细胞定位证实该蛋白定位于细胞膜，与膜标记myr-mCherry完全共定位。启动子区含有ABRE、MYB等逆境响应元件，暗示其参与多种胁迫调控。

3.2 根系形态重塑

过表达株系在高VPD(2.22 kPa)下表现出独特的根系构型：总根长增加23.7%，根尖数量提升35.2%，但平均根直径减小18.5%。这种"细长多分支"的形态显著提升了土壤水分获取效率，使植株生物量保持稳定。

3.3 气孔调控创新

SlPIP2;11过表达使气孔密度(SD)增加31.4%，单个气孔面积(SSA)扩大22.8%，气孔开度指数(SPI)提高19.3%。这种"多而大"的气孔形态在维持较高Gs(0.28 mol·m^-2·s^-1)的同时，将蒸腾速率(Tr)控制在3.42 mmol·m^-2·s^-1，实现水分利用效率(WUE_instant)提升29.8%。

3.4 抗氧化系统激活

过表达株系的SOD活性(368.4 U/g FW)和CAT活性(27.6 μmol/min/g FW)分别比野生型高42.7%和38.9%，有效清除H₂O₂和O₂^•-，使MDA含量降低35.2%，相对电导率(REC)下降28.4%。组织化学染色显示叶片ROS积累显著减少。

3.5 光合机构保护

SlPIP2;11通过维持PSII反应中心稳定性，使Fv/Fm保持在0.82，Y(II)提高至0.62。电子传递速率(ETR)达48.7 μmol·m^-2·s^-1，同时调节能量分配，使调节性能量耗散Y(NPQ)占比提升至0.31，非调节性耗散Y(NO)降至0.12。

这项发表于《Plant Stress》的研究首次阐明SlPIP2;11通过"根系-气孔-抗氧化"三位一体的协同机制缓解高VPD胁迫：优化根系构型增强水分获取，改良气孔形态平衡气体交换，激活抗氧化系统保护光合机构。该发现不仅为番茄抗逆育种提供分子靶点，更创新性提出通过调控水通道蛋白协调植物水分利用与碳同配的新策略。值得注意的是，SlPIP2;11在盐胁迫中同样表现活跃，暗示其可能参与多种逆境交叉调控，这为后续开展VPD与其它胁迫耦合研究指明方向。研究采用的VIGS技术体系为快速验证基因功能提供了范例，而建立的SlPIP2;11过表达材料可直接用于抗旱品种选育，具有重要应用价值。