讓植物自己學會節水

2013年1月18日上午，中共中央、國務院在人民大會堂隆重舉行2012年度國家科學技術獎勵大會，會上，由河南大學宋純鵬教授課題組完成的“植物應答干旱脅迫的氣孔調節機制”項目榮獲2012年度國家自然科學二等獎。

水是萬物生存的根本，植物的生長當然也離不開水。河南大學宋純鵬教授新的研究成果“植物應答干旱脅迫的氣孔調節機制”發現，植物也能節水。

植物對水分的控制和利用，是植物生物學基本機制的重要組成部分，也是細胞代謝最為基本的生物學過程。利用和開發植物體自身的生理功能和基因潛力，提高植物的水分利用效率，在同等供水條件下獲得更多的農業產出，是發展我國作物生產的重大戰略性課題。

自1991年以來，宋純鵬教授潛心作物干旱前沿研究，堅持生物節水源頭創新，帶領課題組進行了20余年的研究，從提高植物水分利用效率的重大需求和植物抗旱生物學研究的前沿出發，發展多學科先進的實驗技術，以提高作物水分利用效率為目標，研究作物干旱反應機理的相關重大科學問題，提出了活性氧作為信號分子在植物激素脫落酸信號轉導的作用，回答了氧化還原信號轉導中的諸如感受、傳遞，以及調節基因表達的分子機制等一些重要的基本生物學問題，發展了功能基因組學時代強有力的研究工具，創造性地探討植物干旱反應調節的基因表達分子機制，為基因工程技術提高植物的水分利用效率開辟了新途徑。通俗地講，項目研究的目的就是要讓每一滴水生產出更多的糧食。

植物葉片表面分布著許多氣孔。每個氣孔有兩個保衛細胞組成，是植物和大氣進行水分和氣體交換的主要門戶。通常所說土壤——植物——大氣是一個連續系統，蒸騰流（指由根向上的水流，即由于蒸騰作用而引起的上升液流）就是通過植物根系和氣孔將三者聯系起來。眾所周知，保衛細胞具有非常靈敏的感受外界信號變化的能力，如在干旱條件下，植物地上部分還未檢測到任何水分變化時，植物氣孔已迅速關閉。因此，植物對外界的感應應該從保衛細胞的反應開始，保衛細胞就成為研究植物對外界感應的非常特異和專一的模式系統。

植物激素脫落酸是誘導氣孔關閉的重要因子。研究證明脫落酸誘導胞質鈣的濃度升高、蛋白質的可逆磷酸化、跨質膜離子外流等一系列信號過程，會降低氣孔開度或導致氣孔關閉，從而控制水分的蒸騰。“植物應答干旱脅迫的氣孔調節機制”考慮到保衛細胞結構的特異性，其與表皮細胞不同，含有葉綠體可進行光反應，產生活化能。雖然在保衛細胞中已經檢測到光合作用中重要的核酮糖二磷酸羧化/加氧酶的活性，但其進行碳同化（指植物利用光反應中形成的同化力將CO2轉化為碳水化合物的過程）的能力較弱，因而強光（或逆境）下就有可能積累較多的活化能，而這些正是活性氧產生的條件。發現脫落酸誘導了保衛細胞活性氧的產生這一生物學現象，從而揭示活性氧作為信號分子參與了脫落酸誘導的氣孔關閉，其機制可能是活性氧調節質膜上的離子通道活性和（或者）細胞質的堿化，導致氣孔的關閉，從而控制水分的蒸騰作用。

在近20年的研究中，由于基因組學的發展和進步，在植物生物學的其他領域使用分子遺傳學技術，都已經發生了革命性的變化。然而，在植物干旱機制的研究中，仍然存在諸多困難。其一，植物葉片表面的氣孔有兩個保衛細胞組成，只有在顯微鏡下才能觀察到，不能直觀的監測氣孔的開閉；其二，干旱脅迫信號輸入和輸出時細胞內部會發生許多變化，干旱輸入（大氣和土壤干旱）和輸出（滲透）的信號比較復雜，很難判斷輸入信號是直接的作用，也無法判斷輸出信號是適應性的反應。因此，要建立起有效遺傳學的篩選體系需要技術上的突破。

植物體葉片上下表皮分布著很多的氣孔，它的張開和閉合會調節葉片表面水分的蒸發，而水分的蒸發會帶走葉片表面的熱量而降低葉片表面的溫度。遠紅外成像儀可以檢測葉片溫度的微小差異。“植物應答干旱脅迫的氣孔調節機制”，就是利用對溫度敏感的遠紅外熱成像系統，以氣孔保衛細胞的開閉引起葉片表面溫度微小變化為監控指標，構建有效的干旱相關的突變體篩選體系，為農業生產建立高效規模化的干旱突變體篩選技術平臺，提供干旱相關的種質資源。

生物節水是我國農業可持續高效發展的重大需求，也是生命科學、農業科學和環境科學亟待解決的重大基礎科學問題。隨著相關技術的發展和進步，在未來的工作中，利用已經積累作物抗旱節水遺傳性狀，充分發掘作物的生產潛力，通過利用新的轉基因生物工程技術、植物抗旱基因的挖掘和分離、基因聚合等技術，可以培植一批小麥、棉花、牧草等，使其具有節水抗旱的突出特性。通過抗旱耐旱的新品種選育，提高水分的利用效率，發展生物節水，可為我國作物生產，尤其是北方干旱半干旱地區作物生產的重大戰略作出重要的貢獻，對緩解我國嚴峻的水資源形勢也具有重要意義。