50多年前，研究人员发现植物可以感知二氧化碳浓度。随着二氧化碳浓度的变化，叶子上“呼吸”的气孔会打开和关闭，从而控制水分蒸发、光合作用和植物生长。植物通过气孔蒸发失去90%以上的水分。二氧化碳对气孔开口的调节对于确定植物损失多少水分至关重要，而且由于全球变暖，二氧化碳对气候和水资源的影响越来越大，因此至关重要。

但是，识别二氧化碳传感器并解释它在植物中是如何工作的仍然是一个长期的难题。

由于气孔控制植物失水，因此传感器对水管理至关重要，并对气候引起的干旱、野火和农作物管理具有意义。

诺华董事长兼细胞与发育生物学系教员施罗德说:“每吸收一个二氧化碳分子，典型的植物就会通过气孔蒸发掉大约200到500个水分子。”“这种传感器非常重要，因为它能识别二氧化碳浓度何时上升，并确定植物吸收二氧化碳时损失了多少水分。”

这项新研究的一个关键惊喜是传感器的组成。研究人员发现，传感器不是追踪到单一来源或蛋白质，而是通过两种植物蛋白质一起工作来工作。这些被鉴定为1)“高叶温度1”蛋白激酶，称为HT1; 2)丝裂原激活蛋白激酶家族或“MAP”激酶酶的特定成员，称为MPK4和MPK12。

高桥说:“我们的研究结果表明，植物通过两种蛋白质的可逆相互作用来调节气孔运动，从而感知二氧化碳浓度的变化。”高桥目前在日本转化生物分子研究所工作。“这可以为我们提供一个新的工厂工程和化学目标，以实现高效的工厂用水和从大气中吸收二氧化碳。”

该团队的发现已经提交给加州大学圣地亚哥分校的一项专利，随着二氧化碳水平的上升，该发现可能会导致植物有效利用水分的创新。

施罗德说:“这一发现与作物有关，但也与树木有关，如果长时间不下雨，树木的深根会使土壤干燥，从而导致野火。”“如果我们可以利用这些新信息来帮助树木更好地应对大气中二氧化碳的增加，它们可能会更缓慢地使土壤变干。同样，作物的水分利用效率也可以提高——每滴水可以收获更多的作物。”

为了进一步探索他们的传感器发现，研究人员与研究生Christian Seitz和化学与生物化学系的Andrew McCammon教授合作。

利用尖端技术，Seitz和McCammon创建了传感器复杂结构的详细模型。该模型涉及到已知基因突变限制植物调节蒸腾以应对二氧化碳的能力的地区。新的图像显示突变体聚集在两个传感器蛋白HT1和MPK聚集的区域。 

加州大学圣地亚哥分校的生物学家与化学和生物化学系的同事们合作，揭示了新发现的植物二氧化碳传感器的预测结构。左边部分(A)描述了MPK4 - HT1复合体(MPK以红色突出显示;HT1(蓝色)和右边(B)部分显示MPK12 - HT1复合体。突出显示的氨基酸残基(黄色、灰色、浅蓝色和绿色)显示了破坏传感器功能的突变。来源:加州大学圣地亚哥分校麦卡蒙实验室

支持这项研究的美国国家科学基金会生物科学理事会的项目主管Matthew Buechner说:“这项工作是好奇心驱动研究的一个很好的例子，它汇集了从遗传学到建模到系统生物学的几门学科，并产生了具有帮助社会能力的新知识，在这种情况下，通过生产更健壮的作物。”

该论文的完整作者名单:Yohei Takahashi, Krystal Bosmans, Po-Kai Hsu, Karnelia Paul, Christian Seitz, zhong - yueh Yeh, Yuh-Shuh Wang, Dmitry Yarmolinsky, Maija Sierla, Triin Vahisalu, J. Andrew McCammon, Jaakko Kangasjarvi, Li Zhang, Hannes Kollist, Thien Trac和Julian I. Schroeder。

科学进展论文中描述的研究资金由美国国家科学基金会提供(资助MCB-1900567);部分由美国国立卫生研究院资助(拨款R01 GM60396);国家科学基金研究生研究奖学金(DGE-1650112)， JST, PRESTO(授予JPMJPR21D8);SUNBOR;爱沙尼亚研究理事会(资助PRG433);卓越中心;植物生物学基础设施项目;芬兰学院卓越中心项目(资助271832和307335)。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。