I växtvärlden dikterar en molekylär dragkamp när porer som kallas stomata öppnas för att tillåta de viktiga processerna fotosyntes och transpiration – och när de stänger för att förhindra vattenförlust. Nu visar ny forskning från Carnegies Wolf Frommer och kollegor att stomatas "molekylära switch" är en delikat balans av krafter som regleras av vätesulfidgas.

"Genom att förstå exakt hur växter kontrollerar öppningen och stängningen av deras stomata, kan vi potentiellt konstruera mer effektiva vattenanvändningsstrategier för att motstå allt mer oberäkneliga klimatförhållanden," förklarade Frommer.

Forskningen publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences. Stomata är små gatekeeper-porer som finns i blad och stjälkar som tillåter koldioxid att komma in och vattenånga att komma ut under fotosyntes och transpiration. Att förstå de molekylära mekanismerna som ligger till grund för deras reglering ger insikter i växternas förmåga att tolerera miljöpåfrestningar, såsom torka och hög salthalt, och skulle kunna göra det möjligt för forskare att utveckla grödor med förbättrad vattenanvändningseffektivitet.

I decennier har forskare vetat att växthormonet abscisinsyra (ABA) utlöser stängning av stomata som svar på torka eller andra påfrestningar. ABA ansågs tidigare uteslutande verka på en molekyl känd som den "långsamma anjonkanalen" (SLAH3) vid stomata för att begränsa vattenförlusten.

En studie från 2018 av Frommers team vände dock upp och ner på den långvariga förståelsen av ABA-signalering. De upptäckte att SLAH3 inte är direkt ansvarig för stomatala rörelser utan snarare reglerar produktionen av vätesulfidgas, vilket i sin tur utlöser öppningen av stomata.

Deras senaste studie bygger på detta fynd och avslöjar den fullständiga bilden av hur svavelväte är involverat i stomatala rörelser och hur det interagerar med ABA-signalering. Med hjälp av en kombination av fysiologiska, biokemiska och molekylära tekniker fann teamet att ABA hämmar SLAH3-kanalaktivitet, vilket ökar vätesulfidproduktionen och främjar stomatal öppning. Å andra sidan, i frånvaro av ABA eller under förhållanden som bryter ner vätesulfidnivåerna, stängs stomata.

"Vår studie etablerar vätesulfid som en nyckelmolekyl som förmedlar den invecklade koordinationen av stomatala rörelser med andra miljösignaler och förhållanden, vilket ger en molekylär mekanism som växter använder för att integrera externa stimuli med sin inre fysiologi," avslutade Frommer.

Fynden kan ha konsekvenser för växtförädling och ingenjörsstrategier som syftar till att förbättra grödans prestanda under olika miljöförhållanden, inklusive torka och hög salthalt.