隨著全球氣候變化的加劇，干旱已成為制約農業生產的主要因素之一。據聯合國糧農組織報告，近年來全球每年因干旱造成的糧食損失超過300億美元，嚴重影響全球糧食安全。特別是亞洲和非洲地區，水稻和大豆作為主要糧食和經濟作物，其生長恰逢夏季高溫和干旱季節，因而其生產受到嚴重威脅。
氣孔是植物葉片表面與外界進行氣體交換的微孔結構，其開閉行為直接影響葉片的光合作用和水分蒸騰，氣孔開閉行為與外界光環境條件密切相關。 在自然環境中，環境光強因云層的移動、葉片的遮擋等因素是不斷波動的。然而，傳統的氣孔開閉相關研究多集中在穩定光照條件下，對波動光下氣孔動態調控機制的認識存在顯著空白。
2025年9月6日，?Communications Biology在線發表了揚州大學農學院曲明南團隊題為“The phytochrome-interacting factor PIL13 enhances water use efficiency under fluctuating light and drought resilience in rice and soybean”的研究論文，該研究發現過表達光敏色素基因PIL13可顯著改善在波動光和干旱共存下水稻生長，可使其產量提升15%。
突破性發現：
1.PIL13基因對氣孔運動的雙重調控機制
本研究通過整合多組學分析和基因編輯等技術，結合田間試驗驗證，首次揭示了PIL13基因在波動光環境下調控氣孔運動促進抗旱的雙重機制。
研究發現PIL13基因能夠敏銳感知光強變化，在光照減弱時，迅速激活氣孔關閉相關基因（如保衛細胞中鈉離子通道基因NHX1，Qu et al. 2020 The Plant Journal），同時抑制氣孔開度相關基因表達（葉綠體反向信號因子SAL1）。這種動態調控使植物能夠在光強減弱時快速關閉氣孔減少水分流失的同時，并不會引起光合效率的顯著降低，從而顯著增加波動光下水分利用效率（iWUEFL）。而過表達PIL13的轉基因植株，氣孔對光強變化的響應速度提升16%，水分利用效率提高20%。在干旱脅迫條件下，表現出良好的適應性，產量提高15%以上。
圖1.?通過CRISPR精準編輯獲得特異位點突變植株，利用自身誘導型啟動子獲得光敏感型抗旱水稻株系。波動光下水分利用效率表型iWUEFL具有較高遺傳力，在不同生育時期均表現出較強的穩定性，說明該表型除δ13C、氣孔開關速度tcl外，高光效抗旱另一關鍵生理篩選指標。
2. 跨物種保守性
進一步的研究發現，這種調控機制不僅在水稻（單子葉植物）中起作用，在大豆（雙子葉植物）中也表現出高度保守性。大豆中過表達PIL13也可提升氣孔關閉速度提升15%，iWUEFL增加15%，表明該機制在作物中具有普遍適用性，為PIL13在多種作物的抗旱改良中的應用提供了可能。
圖2.?PIL13序列在不同物種中表現較高的保守性。大豆-玉米間套作系統中，大豆常處于波動光和干旱的復合脅迫環境。本研究首次證實了過表達大豆PIL13在該復合環境中表現出卓越的氣孔調控效應，利于水分保持和抗旱性。
創新研究方法：從基因到田間的多維度驗證
研究團隊采用了前沿的研究方法和技術路線。首先利用基因編輯技術構建了PIL13基因敲除、精準位點編輯和自身啟動子過表達株系，并通過分子生物學方法驗證了基因功能。同時研發了高通量氣體交換光合表型測量儀器等先進表型分析系統，能夠以秒級精度去監測氣孔開閉動態。還采用了非線性擬合和最小殘值，計算波動光下水分利用效率iWUEFL和氣孔開關速度tcl，無損監測植株水分狀況，而彌補了前人通過有損式測定水勢和電導率的不足。利用這套技術研究團隊在環境可控的溫室/人工氣候室，多個不同地理位置大田條件對PIL13的基因功能進行了系統多環境試驗驗證。在此基礎上，進一步整合基因組、轉錄組學和代謝組學數據，通過大數據分析構建了PIL13調控氣孔運動的分子網絡。
研究團隊與合作機構
本研究由揚州大學農學院牽頭，聯合崖州灣國家實驗室、中國科學院分子植物科學卓越創新中心和天津農業大學等多家國內外知名機構合作完成。文章研究得到了國家自然科學基金和天津市科技計劃項目和崖州灣科技城項目的聯合資助。
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