【研究背景】农业用水约占人类用水总量的70%,是粮食生产中的关键要素之一。因此,保证足够的农业用水对维护粮食安全至关重要。在全球范围内,农业用水量在过去的100年间增涨了6倍之多,远高于世界人口的增速。根据相关机构的预测,到2030年之前全球农业用水量还将再翻一番。我国农业用水也同样面临着巨大挑战,随着未来水资源紧缺程度的加剧,当前的用水模式将越来越无法支撑农业特别是粮食生产的需求。因此,研究如何提高作物水分使用效率、挖掘和培育耐盐抗旱作物种质资源等对我国农业可持续发展具重要的科学意义和广阔的应用前景;【研究目的】气孔作为植物用来与外界交换气体和水分的重要器官,与作物光合作用和水分利用效率密切相关。气孔保卫与副保卫细胞的跨膜运输调节着大麦气孔开闭,直接影响着作物水分利用效率。一般来说,有较低气孔导度的植物拥有较高的水分利用效率,但往往伴随着较低的CO₂同化率以及较慢的植物生长速度。相反,具有较高气孔导度的植物则拥有较高的CO₂同化率,生长速度也相对更快,但它们却有着较低的水分利用效率。因此,深入了解气孔行为、有效调控气孔开度,对于提高作物的水分利用效率和作物产量具有深远的意义。【研究方法及展望】到目前为止,对于作物保卫与副保卫细胞离子运输网络是如何影响作物气孔行为和水分利用效率的机制尚不清楚。然而定量系统的分析方法为探索微观离子运输与宏观气孔生理活动之间的联系提供了一种有效的研究手段。因此,一种新颖的定量动态保卫细胞模型OnGuard孕育而生。该模型包含了保卫细胞质膜和液泡膜上所有离子转运体、相关渗透溶质的代谢反应、以及细胞内pH和游离钙离子的缓冲特性等与气孔运动密切相关的、必要的分子生物学、生物物理学以及动力学的信息;并成功地模拟出拟南芥和蚕豆中的一系列的气孔行为,充分展现了OnGuard模型的可靠性和实用性。因此,在其基础之上,通过引入保卫细胞与副保卫细胞之间离子交换机制,建立新颖的作物气孔保卫与副保卫细胞模型有助于深入研究作物气孔行为以及其与水分利用效率的之间关系,为探索提高作物水分利用效率提供了一种强大研究平台。