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Guard cell endomembrane Ca2+-ATPases underpin a ‘carbon memory’ of photosynthetic assimilation that impacts on water-use efficiency

警卫室 光合作用 光合效率 生物物理学 碳同化 气孔导度 用水效率 二氧化碳 生物 化学 植物 生态学
作者
Mareike Jezek,Fernanda A. L. Silva‐Alvim,Adrian Hills,Naomi Donald,Maryam Rahmati Ishka,Jessica Shadbolt,Bin He,Tracy Lawson,Jeffrey F. Harper,Yizhou Wang,Virgilio L. Lew,Michael R. Blatt
出处
期刊:Nature plants [Springer Nature]
卷期号:7 (9): 1301-1313 被引量:23
标识
DOI:10.1038/s41477-021-00966-2
摘要

Stomata of most plants close to preserve water when the demand for CO2 by photosynthesis is reduced. Stomatal responses are slow compared with photosynthesis, and this kinetic difference erodes assimilation and water-use efficiency under fluctuating light. Despite a deep knowledge of guard cells that regulate the stoma, efforts to enhance stomatal kinetics are limited by our understanding of its control by foliar CO2. Guided by mechanistic modelling that incorporates foliar CO2 diffusion and mesophyll photosynthesis, here we uncover a central role for endomembrane Ca2+ stores in guard cell responsiveness to fluctuating light and CO2. Modelling predicted and experiments demonstrated a delay in Ca2+ cycling that was enhanced by endomembrane Ca2+-ATPase mutants, altering stomatal conductance and reducing assimilation and water-use efficiency. Our findings illustrate the power of modelling to bridge the gap from the guard cell to whole-plant photosynthesis, and they demonstrate an unforeseen latency, or ‘carbon memory’, of guard cells that affects stomatal dynamics, photosynthesis and water-use efficiency. An expanded OnGuard platform incorporates feedback between CO2 concentration, photosynthesis and stomatal dynamics to connect molecular mechanisms with gas exchange in the leaf. Modelling and experimental data highlight the importance of intracellular calcium stores and calcium pumps in a response latency with environmental fluctuations.
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