植物光合作用吸收的CO2主要来源于大气，CO2从外界大气进入到叶绿体羧化位点的过程中，需要穿过细胞膜及叶绿体膜。已有研究表明，质膜内在蛋白（PIPs）介导的CO2跨细胞膜及叶绿体膜的运输是影响植物叶肉导度的重要因素。PIP基因缺失对CO2传输的影响已有较多研究，但不同研究的结果差异较大。介于PIP基因的表达模式受环境和生育时期的影响，由此猜测这些结果的差异可能与不同研究所用植物材料的生长环境及生育时期的不同有关，但这一假设还未被证实过。
近日，The Plant Journal杂志以“Mesophyll conductance variability of rice aquaporin knockout lines at different growth-stages and growing environments”为题，发表了课题组硕士二年级研究生黄显虹的部分学位论文工作。
在该研究中，研究者运用CRISPR-Cas9技术构建了OsPIP1;1、OsPIP1;2和OsPIP2;1单基因敲除突变体（日本晴背景），分别在大田（海南）和盆栽（武汉）条件下比较其农艺性状及光合生理生化特征的表现。
两种生长环境条件下，植物生长表现差异显著。大田条件下，突变体的分蘖数与野生型无显著性差异，但株高较野生型低（Fig 1）。然而，在盆栽条件下，除Ospip1;2突变体外，Ospip1;1和 Ospip2;1的分蘖数和株高均较野生型低（Fig 2）。此外，盆栽条件下，不同突变体间分蘖数和株高差异显著。Ospip1;2的分蘖数几乎是Ospip1;1的两倍，且Ospip1;2敲除系株高也高于Ospip1;1。同时，盆栽条件下，Ospip1;1分蘖数和株高保持最低。
Figure 1. (a) Photograph of the representative plants, (b) tiller number and (c) plant height of wild type and OsPIP knockout lines. Plants were growing in paddy field in Sanya, Hainan. Photos and measurements were taken at 43 days after sowing. Different letters represent statistical significance (ANOVA, P < 0.05, n = 16-24).
Figure 2. (a) Photograph of the representative plants, (b) Tiller number and (c) plant height of wild type and OsPIP knockout lines. Photos were taken 56 days after sowing. Measurements were taken on plant growing in pot condition at 39, 57, 66 days after sowing in Wuhan. Means ± standard errors (SE). (ANOVA, P < 0.05, n = 10-16).
大田条件下，突变体的光合速率和叶肉导度与野生型之间没有显著差异，但气孔导度差异显著（Fig 3）。其中Ospip1;2的气孔导度最高，Ospip2;1的气孔导度最低。然而，在盆栽条件下，各突变体之间的光合参数差异显著。与生长特性相似，盆栽条件下，Ospip1;1突变体在整个生育期内保持最低的光合速率。此外，突变体与野生型的光合生理参数差异因植物生长阶段而异，且净光合速率在整个生育期内呈下降趋势。
大田条件下，OsPIP敲除突变体的农艺性状、光合生理特性与野生型没有显著差异。但盆栽条件下，三个敲除系中，Ospip1;1和Ospip2;1的分蘖数、株高、光合速率和叶肉导度相对于野生型显著降低。此外，OsPIP敲除突变体与野生型之间的光合速率和叶肉导度的差异随植物生育时期变化而变化。由此可见，OsPIP基因对水稻农艺及生理表现的影响受植株生长环境和植株所处的生育时期调节。本研究结果不仅揭示水稻光合CO2跨膜运输在各个生长阶段受不同OsPIP蛋白所介导，同时还暗示着不同生态区同一高光效性状改良的目标基因可能不同。
