保卫细胞和副卫细胞大小是决定谷类作物气孔动力学和干旱适应的关键因素

气候变化引发的干旱是对农业的主要威胁。C4作物相对C3作物来说，水分利用效率（WUE）更高，抗旱性更强。然而，C4作物的气孔的功能以及它们如何帮助植物抗旱的机制仍然知之甚少。近日，《New Phytologist》杂志在线发表了来自浙江大学王一州课题组等题为“Guard Cell and Subsidiary Cell Sizes are Key Determinants for Stomatal Kinetics and Drought Adaptation in Cereal Crops”的研究论文。该文对不同干旱条件下两种 C3 和三种 C4 旱地禾本科作物的细胞大小与气孔动力学之间的关系进行了比较分析。研究结果突显了气孔形态和功能在应对环境压力中的相互作用。

气候变化引发的干旱对农业构成了巨大威胁。与C3作物相比，C4作物得益于其较小的气孔形态和更快的响应速度，从而具有更高的水分利用效率(water-use efficiency ，WUE)以及更好的干旱适应性。然而，由于在保卫细胞（guard cell ，GC）和副卫细胞（subsidiary cell ，SC）的物理特性方面存在知识空白，人们对 C3 和 C4 禾本科作物气孔行为的了解都很有限。

这项研究的作者采用红外气体交换分析和气孔测定法，探讨了两种 C3作物（小麦、大麦）和三种 C4（玉米、高粱、小米）旱地禾本科作物在不同干旱条件下 GC/SC 大小与气孔动力学之间的关系。通过统计分析，他们提出了一个 GCSC-τ 模型，以说明形态差异如何影响 C4 禾本科作物的气孔动力学。

研究结果表明，在C4 禾本科作物中，形态变化与气孔动力学特别相关，而在 C3 禾本科作物中并非如此。随后的建模和实验验证进一步证明，GC/SC 的大小会显著影响气孔动力学，从而影响气孔对不同干旱条件的响应，进而影响 C4 禾本科作物的水分利用效率。

综上所述，该发现强调了 GC/SC 形态特征和气孔动力学对 C4 禾本科作物耐旱的关键优势，突显了它们作为未来气候适应性作物的潜力。

本研究由浙江大学农业与生物技术学院完成。第一作者Mengmeng Rui是王教授实验室的博士生。Rongjia Chen是浙江大学的硕士研究生，Feibo Wu教授是浙江大学的教师。Yi Jing博士是 BGI-Sanya 的研究员，Zhong-Hua Chen和 David Tissue 是西悉尼大学的教授，他们也为这项工作做出了重要贡献。Yizhou Wang教授和Hangjin Jiang教授为本文的通讯作者。本研究得到了浙江省自然科学基金、国家自然科学基金和澳大利亚研究理事会的资助，以及Grains Research & Development公司的支持。