气孔是植物叶片与外界环境进行水气交流的主要通道。白天气孔开放，大气CO2进入叶肉细胞，为光合作用提供碳源，同时通过水分蒸腾，降低叶温，并促进矿质营养元素经由蒸腾流向上运输。然而，植物经常遭遇不良环境胁迫，如干旱、盐渍等，引起内源激素ABA积累，导致气孔关闭。气孔关闭可以节省水分，阻止病原菌侵染，有利于植物生存，但不利于光合固碳与植株生长。在全球气候变温和大气CO2持续升高的当下，如何协调植物生存与生长矛盾，让逆境中植物气孔开张，吸收大气CO2，通过光合作用将无机碳转化为人类食品或加工原料在国家“双碳”战略中显得非常重要。
5-氨基乙酰丙酸（ALA）是一种天然δ-氨基酸，是所有卟啉化合物（如叶绿素和血红素等）生物合成关键前体。业已证明，ALA能够缓解逆境胁迫以及ABA诱导的气孔关闭，增强逆境下植物光合固碳能力，提高作物产量，改善产品品质。但是，ALA逆转ABA诱导的气孔关闭机理一直没有阐明。
2023年6月，Horticultural Research在线发表了南京农业大学汪良驹团队题为ALA reverses ABA-induced stomatal closure by modulating PP2AC and SnRK2.6 activity in apple leaves 研究论文。该研究首次提出，ALA通过调控苹果叶片PP2A酶活性，尤其是上调催化亚基PP2AC基因表达、酶蛋白丰度和蛋白磷酸化水平，同时下调ABA信号关键成份SnRK2.6基因表达，促使激酶脱磷酸化，降低酶活性，阻断ABA信号向下传递，从而逆转ABA诱导的气孔关闭。它阐明了ALA与ABA信号调节通路，为农业优质丰产与生态降碳实践开拓了新思路。
图1 ALA和ABA处理对苹果叶片气孔开度与下表皮PP2A活性的影响
作者首先观察到，苹果叶片气孔开度受ALA促进，而被ABA抑制，同时，下表皮组织PP2A酶活性出现相应上下调变化（图1）。在苹果基因组中，找到42个编码PP2A全酶基因，分别编码结构亚基A、调节亚基B和催化亚基C。RT-qPCR分析显示，ALA和ABA诱导的PP2AC 表达动态与气孔开度高度相关。WB分析显示，ALA诱导PP2AC蛋白丰度与磷酸化水平上调（图2）。
图2 ALA和ABA处理对苹果叶片下表皮PP2AC蛋白丰度和磷酸化水平的影响
Y2H和FLC分析显示，PP2AC亚基与PP2A全酶其它亚基存在互作关系，而且受到ALA促进。进一步分析显示，ALA抑制ABA诱导的SnRK2.6 基因表达，促进蛋白脱磷酸化。Y2H、BiFC、FLC、Pull-down和MST分析证明，PP2AC与SnRK2.6存在互作（图3），推测这是ALA与ABA信号途径交汇点。
图3 ALA抑制ABA诱导的MdSnRK2.6 表达及其蛋白磷酸化，且MdSnRK2.6与MdPP2AC 存在蛋白互作关系
利用瞬时转基因技术证明，MdPP2AC 过表达或MdSnRK2.6 抑制表达都导致气孔开放，MdPP2AC 抑制表达或MdSnRK2.6 过表达都导致气孔关闭，而且这种“开/关”运动受到ALA和ABA严格调控，并影响保卫细胞Ca2+、H2O2、黄酮醇含量升/降。在调控过程中，ALA诱导PP2AC磷酸化导致SnRK2.6脱磷酸化是ALA阻断ABA信号的关键（图4）。
图4 ALA和ABA处理对过表达MdPP2AC 基因苹果叶片SnRK2.6磷酸化水平与MdPP2AC蛋白丰度的影响
据此，作者提出工作模型：ALA和ABA调控气孔运动经由两条信号通路，其中ABA信号经由PYR/PYL/RCAR→PP2C→SnRK2.6通路，而ALA经由PP2AC磷酸化→诱导SnRK2.6脱磷酸化通路。逆境中，植物内源ABA上升，诱导气孔关闭；但若经ALA处理，则ABA信号不起作用，叶片气孔可以正常开放（图5）。这是ALA促进逆境中植物CO2进入叶片以维持较高光合能力的重要机制，也是调节植物生存与生长的重要节点。
图5 ALA逆转ABA诱导的气孔关闭工作模型
本研究主要是策应国家“双碳”战略，意图揭示ALA逆转植物逆境激素ABA诱导气孔关闭的机理，以便培育新型高固碳型植物，同时为外源ALA促进叶片气孔开放，助力大气CO2更为顺利进入植物叶片，缓解逆境导致的光合固碳能力下降，增强光合产物积累，促进植物生长，提高作物产量，改善农产品品质奠定生物学基础。
南京农业大学陈政博士为论文第一作者，南京农业大学汪良驹教授和陕西师范大学安玉艳副教授为通讯作者。项目获得国家自然科学基金（32172512、32272641）、江苏省碳达峰碳中和前沿基础研究专项基金（BK20220005）、江苏省农业科自主技创新基金[CX(20)2023]、江苏省高校优势学科发展等项目的资助。
作者介绍
汪良驹教授是江苏省植物生理学会植物生长物质与生长调控专业委员会主任。他注重理论与实践相结合，擅长在生产实践中寻找科学问题，并用科学理论来指导生产实践。他于2000年开始研究ALA，是国内最早研究ALA在农林作物抗逆增产提质效应及其生物学基础研究的学者。目前，全国20多个省市区农业生产区大面积使用其研发的ALA产品，既获得农民朋友的热情反馈，也先后获得20多项政府专项资金资助，在国内外学术期刊发表与ALA有关研究论文100余篇，国家授权专利20余项。
文章链接：
https://doi.org/10.1093/hr/uhad067
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