I en studie publicerad i Nature Communications , har forskare dechiffrerat den molekylära mekanismen som reglerar stomatas rytmiska rörelser under hela dagen.

Stomata består av två parade skyddsceller (GC) och porerna mellan dem, vars storlek beror på cellernas svullnad eller krympning, vilket ökar eller minskar stomatalöppningen. Optimala stomatala öppningar bestäms av integrationen av olika miljöfaktorer och interna faktorer.

I allmänhet sker stängning i mörker och under vattenstress som svar på stresshormonet ABA (abscisinsyra) för att förhindra vattenförlust, medan ljus inducerar stomataöppning för att tillåta CO₂ upptag och O₂ släpps under dagen.

För att till fullo förstå mekanismerna som styr stomatala rörelser, studerade forskare vid Center for Research in Agricultural Genomics under ledning av Elena Monte modellväxten Arabidopsis thaliana i perioder av kontrollerat ljus och mörker för att övervaka stomatapertur och för att identifiera de involverade proteinerna och generna, med hjälp av molekylärbiologiska metoder samt bioinformatiska analyser.

Forskare fann att en familj av proteiner som heter PIF (Phytochrome Interacting Factors) ackumuleras i slutet av nattperioden, och att detta är ett avgörande steg för att framkalla stomatöppning på morgonen.

PIF är transkriptionsfaktorer som styr uttrycket av vissa gener och i det här fallet fastställde forskare att ackumulering av PIF utlöser uttrycket av KAT1-genen, en skyddscellspecifik kalium (K ⁺ ) kanal som styr mängden joner och därmed mängden vatten som kommer in i dessa celler. På morgonen aktiverar närvaron av ljus KAT1-protein, vilket utlöser intaget av kaliumjoner och svullnad av skyddsceller, vilket gör att stomata öppnas.

Nil Veciana och Arnau Rovira, medförfattarna till verket, lyfter fram vikten av resultaten i en experimentell uppsättning "utan vattenrestriktioner och därmed endogena ABA-nivåer", förhållanden där det finns rytmisk stomatapertur och regulatorisk respons på mörker/ljus cykler kan utvärderas.

Egentligen är detta samspel mellan PIF-funktion och endogen ABA-signalering i vaktcellerna nyckeln för den dynamiska regleringen av stomata. Under natten är endogen ABA nödvändig för att hålla stomata stängd, medan på morgonen är en minskning av ABA nödvändig för ljusinducerad och PIF-reglerad stomatöppning.

Även om stomata var kända för att ha rytmiska rörelser och proteinerna som ansvarar för öppning-stängning redan var kända, är detta första gången som den exakta transkriptionsmekanismen som reglerar stomataperturen under dag/natt har klarlagts. Dessutom öppnar identifieringen av PIF och KAT1 som viktiga aktörer i denna förordning upp möjligheten för nya forskningsvägar och möjliga biotekniska tillvägagångssätt.

Att förstå hur ljus/mörker-cykeln reglerar stomatala öppning kan användas för att identifiera mål för att optimera växtavkastning och växtanpassning till olika stressfaktorer, till exempel i en vattenrestriktiv miljö och torka.

Mer information: Arnau Rovira et al, PIF-transkriptionsregulatorer krävs för rytmiska stomatala rörelser, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48669-4

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av Center for Research in Agricultural Genomics (CRAG)