近期，澳大利亚阿德莱德大学（The University of Adelaide）Matthew Gilliham团队在Nature Communications 杂志发表了题为GABA signalling modulates stomatal opening to enhance plant water use efficiency and drought resilience 的研究论文，研究发现，GABA(γ-aminobutyric acid) 能够通过负调控铝激活的苹果酸转运体ALMT9，进而抑制气孔在光下的开放。此外，在干旱条件下，GABA在叶片中的合成与积累，通过抑制ALMT9来抑制气孔的开放，从而增强植物的抗旱性。

γ-氨基丁酸（Gamma-aminobutyric acid, GABA）是一种不参与蛋白质合成的氨基酸小分子。在植物体中有两条GABA 合成和代谢途径: 一条是谷氨酸经谷氨酸脱羧酶( glutamic acid decarboxylase，GAD) 催化谷氨酸脱羧合成GABA，称 为GABA 支路( GABA shunt); 另一条是由多胺降解产物转化形成GABA，称为多胺降解途径( polyamine degradation pathway)。

在动物中，GABA被证明是重要的传递神经信号的分子，它能通过其受体使神经细胞发生极化。在植物中，有研究发现，GABA能够通过调控植物特异的阴离子转运蛋白(ALMTs)活性来调控植物的生长，不过关于GABA信号的作用机制还不清楚。之前有研究发现，ALMT9是液泡的氯离子通道，通过介导氯离子在液泡中的积累维持气孔的开放。因此，气孔是研究GABA信号作用机制一个很好的系统。

为验证GABA能否作为生理信号调控气孔孔径，研究者首先使用GABA及其类似物蝇蕈醇（muscimol）处理拟南芥叶表皮，结果发现在持续光照或黑暗条件下，GABA并不能引起气孔开度的变化，但是能够抑制光诱导的气孔开放，以及抑制黑暗诱导的气孔关闭。此外，GABA处理能够降低气孔导度，增加水分利用率(water use efficiency, WUE)。这表明，GABA可能在植物抗旱中发挥作用。

进一步研究发现，GABA不仅对光或黑暗有响应，当有外界刺激时，比如有ABA存在时，GABA也能够抑制ABA诱导的气孔关闭。此外，在光或黑暗条件下，经GABA处理，并将GABA移除后，气孔能够恢复光诱导的开放和黑暗诱导的关闭，这表明GABA可以作为一种信号，当遇到外界刺激时，来调控气孔的开度。并且，GABA的这一作用广泛存在与植物界，比如蚕豆，烟草，大豆和大麦等。

气孔通常与水分丧失相关，并会进一步影响植物的抗旱性。本研究进一步发现，干旱可以诱导叶片中GABA含量的升高，而GABA合成突变体gad2-1 和 gad2-2在干旱条件下，GABA含量一直维持在较低水平。并且，在正常条件下，gad2-1 和 gad2-2具有较高的气孔导度，较低的叶片相对含水量(relative water content, RWC)。

为研究气孔细胞质中合成GABA能否足以调控蒸腾作用，研究者在保卫细胞特异表达了能够持续激活的GAD2 (GAD2Δ)。这使叶片中GABA含量升高，气孔导度下降，水分利用率升高以及叶片的相对水含量升高。此外，gad2 对干旱敏感的表型也得到了恢复。这表明保卫细胞中的GABA合成足以调节气孔运动，调节水分流失，提高抗旱性。为研究GABA能够提高野生型的抗旱性，研究者将GAD2Δ特异表达于野生型的保卫细胞，结果显示，过表达GAD2Δ的野生型具有更强的抗旱性。

为研究GABA的作用位置，在质外体还是在细胞质，研究者将GAD2Δ特异表达于海绵组织叶肉细胞(spongy mesophyll), 这并不能恢复gad2的表型。使用muscimol 和不具有细胞膜通透性的 muscimol-BODIPY对拟南芥表皮进行处理发现，muscimol-BODIPY不能够抑制气孔的开放或是关闭。这表明GABA信号需要穿透细胞膜，在细胞质中发挥功能。

ALMT9是定位于液泡膜的阴离子通道，能够调节气孔的开放。研究发现，ALMT9的突变能够抑制gad2的表型，这表明GABA对气孔的控制依赖于ALMT9。对突变体almt9 进行GABA处理发现，在光照条件下，GABA不能够抑制气孔的开放，而在黑暗条件下，则与野生型表现一致。这与GABA通过负调控ALMT9，从而抑制气孔开放的观点相一致。

因此作者推断，gad2气孔导度较高，是由于缺乏GABA，导致ALMT9活性较高的结果。为验证这一假设，作者运用ALMT9和点突变的ALMT9F243C/Y245C (该位点突变后，GABA不能够与ALMT9结合)，对almt9 进行互补实验。结果发现，ALMT9F243C/Y245C 不能够抑制光诱导的气孔开放，对于气孔导度和水分利用率的测定也是如此。另外，对于稳定植株而言，ALMT9F243C/Y245C 的气孔导度高于野生型和almt9，而与gad2则无明显差异。

Proposed model of GABA-mediated signalling for the regulation of water use efficiency

GABA能够抑制ALMT9介导的阴离子流入液泡，从而能够抑制ALMT9介导的气孔开放，当GAD2基因突变后，ALMT9活性提高，从而导致气孔导度升高，失水增加，抗旱性降低。在干旱条件下，GABA合成及含量升高，ALMT9活性降低，从而能够使气孔导度降低，水分利用率提高等，增加植物抗旱性。综合这些结果，本研究发现了一条植物调节抗旱性的新途径，并通过揭示GABA在气孔保卫细胞中的作用机制，证明了植物中GABA能作为信号分子发挥重要功能。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21694-3