摘要：随着全球气候变化的加剧，干旱已成为制约农业生产的主要因素之一。据联合国粮农组织报告，近年来全球每年因干旱造成的粮食损失超过300亿美元，严重影响全球粮食安全。特别是亚洲和非洲地区，水稻和大豆作为主要粮食和经济作物，其生长恰逢夏季高温和干旱季节，因而其生产受到严
随着全球气候变化的加剧，干旱已成为制约农业生产的主要因素之一。据联合国粮农组织报告，近年来全球每年因干旱造成的粮食损失超过300亿美元，严重影响全球粮食安全。特别是亚洲和非洲地区，水稻和大豆作为主要粮食和经济作物，其生长恰逢夏季高温和干旱季节，因而其生产受到严重威胁。
气孔是植物叶片表面与外界进行气体交换的微孔结构，其开闭行为直接影响叶片的光合作用和水分蒸腾，气孔开闭行为与外界光环境条件密切相关。 在自然环境中，环境光强因云层的移动、叶片的遮挡等因素是不断波动的。然而，传统的气孔开闭相关研究多集中在稳定光照条件下，对波动光下气孔动态调控机制的认识存在显著空白。
2025年9月6日， Communications Biology在线发表了扬州大学农学院曲明南团队题为“The phytochrome-interacting factor PIL13 enhances water use efficiency under fluctuating light and drought resilience in rice and soybean”的研究论文，该研究发现过表达光敏色素基因PIL13可显著改善在波动光和干旱共存下水稻生长，可使其产量提升15%。
突破性发现：
1.PIL13基因对气孔运动的双重调控机制
本研究通过整合多组学分析和基因编辑等技术，结合田间试验验证，首次揭示了PIL13基因在波动光环境下调控气孔运动促进抗旱的双重机制。
研究发现PIL13基因能够敏锐感知光强变化，在光照减弱时，迅速激活气孔关闭相关基因（如保卫细胞中钠离子通道基因NHX1，Qu et al. 2020 The Plant Journal），同时抑制气孔开度相关基因表达（叶绿体反向信号因子SAL1）。这种动态调控使植物能够在光强减弱时快速关闭气孔减少水分流失的同时，并不会引起光合效率的显著降低，从而显著增加波动光下水分利用效率（iWUEFL）。而过表达PIL13的转基因植株，气孔对光强变化的响应速度提升16%，水分利用效率提高20%。在干旱胁迫条件下，表现出良好的适应性，产量提高15%以上。2. 跨物种保守性
进一步的研究发现，这种调控机制不仅在水稻（单子叶植物）中起作用，在大豆（双子叶植物）中也表现出高度保守性。大豆中过表达PIL13也可提升气孔关闭速度提升15%，iWUEFL增加15%，表明该机制在作物中具有普遍适用性，为PIL13在多种作物的抗旱改良中的应用提供了可能。图2. PIL13序列在不同物种中表现较高的保守性。大豆-玉米间套作系统中，大豆常处于波动光和干旱的复合胁迫环境。本研究首次证实了过表达大豆PIL13在该复合环境中表现出卓越的气孔调控效应，利于水分保持和抗旱性。
创新研究方法：从基因到田间的多维度验证
研究团队采用了前沿的研究方法和技术路线。首先利用基因编辑技术构建了PIL13基因敲除、精准位点编辑和自身启动子过表达株系，并通过分子生物学方法验证了基因功能。同时研发了高通量气体交换光合表型测量仪器等先进表型分析系统，能够以秒级精度去监测气孔开闭动态。还采用了非线性拟合和最小残值，计算波动光下水分利用效率iWUEFL和气孔开关速度tcl，无损监测植株水分状况，而弥补了前人通过有损式测定水势和电导率的不足。利用这套技术研究团队在环境可控的温室/人工气候室，多个不同地理位置大田条件对PIL13的基因功能进行了系统多环境试验验证。在此基础上，进一步整合基因组、转录组学和代谢组学数据，通过大数据分析构建了PIL13调控气孔运动的分子网络。研究团队与合作机构
本研究由扬州大学农学院牵头，联合崖州湾国家实验室、中国科学院分子植物科学卓越创新中心和天津农业大学等多家国内外知名机构合作完成。文章研究得到了国家自然科学基金和天津市科技计划项目和崖州湾科技城项目的联合资助。
来源：农村茶花匠
