钾是植物的三大主要矿质元素之一，钾缺乏会降低光合速率并抑制生长。传统观点认为，缺钾主要通过影响保卫细胞的渗透调节导致气孔关闭，进而限制光合作用。然而，有研究发现，缺钾会通过改变叶片解剖结构（如细胞壁厚度、叶绿体面积等）影响叶肉导度，限制CO₂从细胞间隙向叶绿体羧化位点的扩散能力，但是缺钾影响叶肉导度的生理机制仍有待进一步解析。此外，单独缺钾并不会降低叶片氮含量，但是叶片的Rubisco羧化能力仍然受到抑制，暗示缺钾可能通过破坏Rubisco的活化调节功能。

中国科学院西双版纳热带植物园（以下简称“版纳植物园”）树木年轮与环境演变研究组与中国科学院昆明植物研究所的研究人员合作，以番茄（Solanum lycopersicum）为研究对象，结合气体交换、细胞解剖和转录组分析，首次系统揭示了缺钾限制光合作用的生理调控机制。

研究发现，缺钾番茄叶片叶肉导度的大幅度下降并非因为叶片解剖结构的变化。转录组分析揭示了缺钾调控光合的调控机制：在扩散限制方面，缺钾显著下调了编码质膜水通道蛋白和碳酸酐酶的基因表达，这直接降低了CO₂跨膜转运效率和碳酸氢盐/CO₂的相互转化速率，从而导致叶肉导度下降；在生化限制方面，缺钾抑制了Rubisco小亚基和Rubisco活化酶的基因表达，导致Rubisco最大羧化速率的降低。此外，在波动光条件下，缺钾加速了气孔关闭速度并抑制了气孔开放速度，导致动态光合效率的大幅度下降，钾离子通道和钙离子通道相关基因的差异化表达是钾调控气孔动力学的分子基础。该研究揭示了钾通过调控基因表达而非重塑细胞结构来影响光合作用，为理解钾在优化稳态和动态光合效率中的核心作用提供了新的视角。

相关研究成果以"Potassium mediates photosynthetic efficiency in tomato through genetic regulation rather than anatomical variation"为题发表在国际植物学期刊The Plant Journal上。版纳植物园工作人员李亿云硕士为该论文第一作者，黄伟研究员和中国科学院昆明植物研究所张誉稳博士为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目和中国科学院“西部之光”人才培养计划等项目的资助。

图1 研究中番茄对照组和缺钾叶片的叶肉细胞超显微结构图。

 图2 研究中番茄对照组和缺钾叶片的转录组比较分析结果。