叶子表面的微孔被称为气孔，通过控制由于蒸发而损失的水分来帮助植物“呼吸”。这些气孔也使和控制光合作用和生长所需的二氧化碳摄入量。
早在19世纪，科学家们就知道植物通过气孔释放水蒸气来冷却，从而增加气孔气孔的开口来蒸腾或“出汗”。如今，随着全球气温和热浪的上升，扩大气孔被认为是减少植物热损伤的关键机制。
但一个多世纪以来，植物生物学家一直缺乏对增加气孔“呼吸”和蒸腾过程背后的遗传和分子机制的全面描述，以应对温度升高。
加州大学圣地亚哥分校生物科学学院博士生Nattiwong Pankasem和Julian Schroeder教授构建了这些机制的详细图像。他们的研究结果发表在《新植物学家》杂志上，确定了植物应对气温上升的两条途径。
施罗德说:“随着全球气温上升，热浪的影响显然对农业构成了威胁。”“这项研究描述了这样一种发现，即温度升高通过一种遗传途径(机制)导致气孔打开，但如果温度进一步升高，那么就会有另一种机制开始增加气孔打开。”
几十年来，由于需要复杂的测量过程，科学家们一直在努力寻找一种明确的方法来破译温度上升介导的气孔打开的机制。困难的根源在于，在温度升高时将空气湿度(也称为蒸汽压差或VPD)设置为恒定值所涉及的复杂力学，以及区分温度和湿度响应的棘手性。
Pankasem通过开发一种新的方法来解决这个问题，该方法可以在温度升高的情况下将叶片的VPD固定在固定值上。然后，他梳理出一系列气孔温度反应的遗传机制，包括蓝光传感器、干旱激素、二氧化碳传感器和温度敏感蛋白等因素。
新一代气体交换分析仪对这项研究很重要，它可以改善对VPD的控制(将VPD夹紧到固定值)。研究人员现在可以进行实验，阐明温度对气孔打开的影响，而不需要从整个活植物上取下叶子。
结果表明，气孔变暖响应是由一种跨植物谱系的机制决定的。在这项研究中，Pankasem研究了两种植物物种的遗传机制，一种是研究得很好的杂草物种拟南芥，另一种是与小麦、玉米和水稻等主要粮食作物有关的开花植物Brachypodium distachyon，为这些作物提供了一个合适的模型。
研究人员发现，二氧化碳传感器在气孔变暖-变冷反应中起着核心作用。二氧化碳传感器检测到树叶何时快速变暖。这使得变暖叶片的光合作用增加，从而导致二氧化碳的减少。这就启动了气孔的打开，使植物从二氧化碳摄入的增加中受益。
有趣的是，该研究还发现了第二种热反应途径。在极端高温下，植物的光合作用受到胁迫并下降，并且发现气孔热响应绕过二氧化碳传感器系统，与正常的光合作用驱动响应断开。相反，气孔采用第二种热反应途径，就像从后门进入房子一样，“排汗”作为冷却机制。
Pankasem说:“第二种机制的影响是，植物打开气孔而没有从光合作用中获得好处，这将导致作物的水分利用效率降低。”“根据我们的研究，植物每吸收单位二氧化碳可能需要更多的水。这可能会直接影响作物生产的灌溉规划，以及生态系统中植物蒸腾作用增加对水文循环的大规模影响，以应对全球变暖。”
美国国家科学基金会生物科学理事会的项目主任Richard Cyr说:“这项工作显示了好奇心驱动的基础研究在帮助解决社会挑战、在农业等关键领域建立弹性以及潜在地推进生物经济方面的重要性。”“进一步了解在高温下控制气孔功能基础的分子复杂性，可能会导致在全球气温升高的情况下限制农业所需水量的策略。”
有了新的细节在手，Pankasem和Schroeder现在正在努力了解二次热反应系统背后的分子和遗传机制。
该研究的共同作者是:Nattiwong Pankasem, Po-Kai Hsu, Bryn Lopez, Peter Franks和Julian Schroeder。
