近日，浙江大学王一州研究员课题组与北京大学城市与环境学院生态研究中心王愔课题组联合在《自然•植物》(Nature Plants)在线发表了题为“Guard cells on the adaxial and abaxial leaf surfaces use different compositions of potassium ion channels to drive light-induced stomatal opening”的研究论文，该研究通过量化模式植物拟南芥叶片上下两面气孔的光响应差异，结合单细胞测序技术、转录组分析、OnGuard计算模型、非损伤微测技术、AlphaFold3等多种技术手段，首次揭示了钾离子通道组成差异是导致叶片上下两面气孔光响应不同的重要原因。 

气孔是植物表面由一对保卫细胞构成的孔隙结构。作为二氧化碳和水蒸气等气体进出植物体的主要通道，气孔的开闭动态直接改变植物的气体交换能力，进而显著影响光合碳同化与水分利用效率。多数草本植物中气孔分布于叶片的上下两面，过去半个世纪的研究普遍发现，叶片下表面气孔的光响应显著强于上表面。然而，目前对于这种差异的调控机制知之甚少。

研究团队首次开发了分离叶片上下两面保卫细胞原生质体的方法，并结合单细胞测序技术，解析了不同保卫细胞基因表达的差异。结果表明，下表面保卫细胞中钾离子通道基因KAT1的表达量更高，而上表面保卫细胞中钾离子通道基因AKT1的表达量更高。钾离子通道是介导钾离子流入保卫细胞，诱导气孔开放的关键组分。利用气孔动力学模型OnGuard模拟表明，当KAT1/AKT1比例升高时，气孔导度显著增加。说明钾离子通道组分的不同能够显著影响气孔运动。随后，研究团队利用KAT1与AKT1的过表达及突变株系进一步证明，叶片上下两面保卫细胞采用不同的钾离子通道驱动光诱导的气孔开放。最后，研究团队通过AlphaFold 3对两种钾离子通道的蛋白复合体进行了预测。结果显示，由KAT1组成的钾离子通道的限制内径更大，说明这种通道具有更强的钾离子转运能力。这可能是导致相同光强下，叶片下表面气孔的光响应强于上表面的主要原因。

图2. 叶片上下两面气孔对钾离子通道选择性的简化模型

本研究填补了当前对于叶片上表面气孔光响应调控机理的研究空白，扩充了气孔运动调控的理论体系，为将来通过改善气孔运动，提高植物水分利用效率，增加植被固碳能力与促进农作物产量提升等方面提供了重要的理论基础。

北京大学王愔研究员、浙江大学王一州研究员为本文的共同通讯作者。北京大学生命科学学院范六民教授北京大学现代农学院田望研究员、周岳研究员为本文提供了重要的理论与技术支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-025-02026-5