Summary
Abscisic acid (ABA) induces stomatal closure, reducing transpirational water loss, a critical adaptation for agriculture under drought. However, ABA is often viewed cautiously as stomatal closure limits CO2 uptake for photosynthesis and growth. We have demonstrated that ectopic expression of selected ABA receptors in Arabidopsis reduces transpiration without growth penalty, thus achieving high water use efficiency (WUE). The tissues and mechanisms underlying this trait remain unclear, though prior evidence suggests a significant contribution from shoot ABA responsiveness. We hypothesize that guard-cell ABA signaling contributes to the trait of high WUE without growth penalty.
We generated lines overexpressing 14 individual ABA receptors under the guard cell–specific promoter and examined leaf growth, transpiration, water potential, and net carbon assimilation rate (A
N).
We found that guard-cell overexpression of specific ABA receptors reduced transpiration and A
N compared to the wild-type under well-watered conditions, but leaf growth was not adversely affected. The mechanism involved receptor-mediated reduction in transpiration and resultant improved leaf water potential for efficient intermediate-aged leaf growth. Under drought, these lines showed enhanced WUE without compromising biomass accumulation.
Our findings highlight activation of ABA signaling in guard cells as a promising strategy for developing water-saving crops without growth trade-offs.
摘要
脱落酸(ABA) 能诱导气孔关闭、减少蒸腾失水，是农业抗旱的关键调节因子。然而，由于气孔关闭也会限制光合作用所需的 CO2 吸收，ABA 常被谨慎使用。我们之前的研究已经证明，在拟南芥中 过度表达特定 ABA 受体可在不影响生长的情况下降低蒸腾，从而实现高水分利用效率(WUE)。赋予这一表型的相关组织与机制尚未厘清，但已有证据显示地上部 ABA 的作用贡献显著。本研究假设:保卫细胞中的 ABA 信号转导是在不影响植物生长的前提下提高 WUE 的关键。
我们构建了保卫细胞特异启动子驱动下过表达14个单一 ABA 受体的转基因系，并测定了叶片生长、蒸腾速率、净碳同化速率(A
N)及叶水势等指标。
结果表明，在充足供水条件下，特定受体的保卫细胞过表达显著降低了蒸腾和A
N，但叶片生长未受抑制。可能的机制为:受体介导的蒸腾降低提升了叶水势，进而促进中龄叶的高效生长。在干旱处理中，这些转基因系表现出更高的 WUE，同时生物量积累未受影响。
综上，激活保卫细胞 ABA 信号为培育节水且无生长抑制的作物提供了有前景的分子策略。
Zusammenfassung
Abscisinsäure (ABA) induziert das Schließen der Stomata und reduziert so den Wasserverlust durch Transpiration – ein für die Landwirtschaft bei Trockenheit entscheidender Anpassungsmechanismus. Da der Stomataschluß jedoch auch die CO2-Aufnahme für die Photosynthese limitiert, wird der Einfluß der ABA jedoch meist als kritisch angesehen. Wir hatten gezeigt, dass die ektopische Expression ausgewählter ABA-Rezeptoren in Arabidopsis die Transpiration ohne Wachstumseinbußen verringert und damit eine hohe Wassernutzungseffizienz (WUE) erzielt wird. Welche Gewebe und Mechanismen für diese Beobachtung ausschlaggebend sind, ist noch ungeklärt; frühere Daten deuten jedoch auf einen starken Beitrag der ABA-Antwort des Sprosses hin. Wir stellen die Hypothese auf, dass die ABA-Signaltransduktion in Schließzellen entscheidend zu einer hohen WUE ohne Wachstumseinbußen beiträgt.
Wir haben Linien erzeugt, die vierzehn ABA-Rezeptoren von Arabidopsis jeweils einzeln unter einem schließzellspezifischen Promotor überexprimieren, und haben Blattwachstum, Transpiration, Netto-Kohlenstoff-Assimilationsrate (A
N) sowie Blattwasserpotential bestimmt.
Die Schließzellen-Überexpression bestimmter ABA-Rezeptoren senkte bei guter Wasserversorgung Transpiration und A
N gegenüber dem Wildtyp, ohne das Blattwachstum negativ zu beeinflussen. An diesem Effekt beteiligt sind eine rezeptorvermittelte Transpirationsreduktion und ein daraus resultierendes verbessertes Blattwasserpotential, das ein effizientes Wachstum von Blättern mittleren Alters ermöglichte. Unter Trockenstress zeigten die entsprechenden Linien eine erhöhte WUE, ohne dass die Biomasseakkumulation beeinträchtigt wurde.
Unsere Ergebnisse heben die Aktivierung der ABA-Signaltransduktion in Schließzellen als vielversprechende Strategie hervor, um Nutzpflanzen Kulturpflanzen ohne Wachstumsbeeinträchtigungen zu entwickeln.
