科普
如何讓作物多“吃”光,、更高產(chǎn)
2024/08/29 17:24 來源：科技日報 閱讀：1.3萬
在日前舉行的第二十六屆中國科協(xié)年會上,，由中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所副所長、研究員路鐵剛等提出，中國農(nóng)學會推薦的“作物高光效的生物學基礎(chǔ)”入選2024十大前沿科學問題,。
“作物高光效是指作物的光合作用效率高?！甭疯F剛近日在接受科技日報記者采訪時說,，系統(tǒng)挖掘作物的高光效基因，深入解析其遺傳調(diào)控機制,，有利于提升作物的光能利用率,，從根源上提高糧食單產(chǎn)，保障糧食安全,。中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所所長,、研究員李新海曾表示，通過提高光合作用效率來增加作物產(chǎn)量潛力,，將開啟第三次綠色革命,。
提升光能利用率是高產(chǎn)關(guān)鍵
光合作用通常指綠色植物吸收光能，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機物,，同時釋放氧氣的過程,。光合作用是作物產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，作物干重的90%—95%都來自光合作用,，其余5%—10%則通過根系吸收的無機物質(zhì)補充,。
光合作用效率是評價植物利用光能能力的重要指標。中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所研究員張治國介紹,，它通常是指綠色植物通過光合作用制造的有機物中,，含有的能量與所吸收光能的比值，是衡量作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素,。光合作用效率越高,，作物產(chǎn)量就越高，品質(zhì)也越好,。
作物的光合作用效率受多種因素影響,，包括作物品種、生長環(huán)境等,。在光合作用中,，光能利用率是一個關(guān)鍵指標，它用以量化作物吸收的光能在整體生物量生產(chǎn)中的利用效率,。理論上,，水稻、小麥等C3作物和玉米,、高粱等C4作物的光能利用率分別為4.6%和6.0%,。然而，在自然生產(chǎn)條件下，由于作物葉片對光的吸收,、反射,、散射和熱輻射損耗等因素影響，C3和C4作物的光能利用率只有1%—2%,。如果受到逆境影響,，作物的光能利用率可能會更低。例如,，云南,、貴州、四川地區(qū)霧大光弱,，黃淮海地區(qū)陰雨寡照,，華北地區(qū)夏季高溫強光，東北地區(qū)低溫等條件都會直接影響作物的光能利用率,。
面對既定的自然資源條件,，提升作物的光能利用率成為實現(xiàn)農(nóng)作物高產(chǎn)的關(guān)鍵策略?！白魑锔吖庑У纳飳W基礎(chǔ)包括結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),、遺傳基礎(chǔ)和生理生化基礎(chǔ)?！甭疯F剛說,，當前學界對光合作用的生物學基礎(chǔ)，尤其是結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和遺傳基礎(chǔ)的理解仍顯不足,。在全球人口增長和耕地資源有限的背景下,，解析作物高光效的生物學基礎(chǔ)顯得尤為重要。這有助于通過遺傳改良培育高光效品種,，進而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì),，對緩解糧食安全壓力具有重要意義。同時,，該研究還有助于揭示作物適應(yīng)環(huán)境變化的機制,，從而提升作物應(yīng)對氣候變化的能力。
多項研究打開增產(chǎn)空間
在路鐵剛看來,，作物高光效的生物學基礎(chǔ)是作物科學領(lǐng)域的重大前沿科學問題,，具有長期性、基礎(chǔ)性特點,，一旦突破會給作物育種技術(shù)帶來變革,。
近年來，隨著生物組學,、基因編輯,、合成生物、智能設(shè)計等前沿技術(shù)的發(fā)展,，作物高光效的生物學基礎(chǔ)相關(guān)研究也取得顯著進展,，為提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率開辟新路徑。
光合作用的一系列生物反應(yīng)過程,，如光能的吸收,、傳遞、轉(zhuǎn)化,、水分解,、電子傳遞和光合磷酸化都是在光合膜上進行的。在光合膜上,，蛋白復合物通過特有的分子排列和相互作用,，構(gòu)成高效運轉(zhuǎn)的天然光合系統(tǒng)，從而確保光合作用的高效運行和生理調(diào)節(jié),。然而,，關(guān)于光合膜在生物體內(nèi)的生成與調(diào)控機制，仍存在諸多未解之謎,。近期,，研究人員通過解析PSI-LHCI、PSI-NDH等光合膜蛋白復合物的分子結(jié)構(gòu)與功能,，深入揭示了光能吸收,、轉(zhuǎn)化及電子傳遞的復雜機理，為調(diào)控和優(yōu)化光合作用過程提供了堅實理論基礎(chǔ),。
在作物高光效的調(diào)控機制方面,，有研究揭示了SHR-IDD-PIN模塊在高光效C4作物葉片解剖學結(jié)構(gòu)形成中的關(guān)鍵作用?！斑@一發(fā)現(xiàn)不僅加深了研究人員對C4作物高光效特性的理解,，也為在水稻、小麥等C3作物中模擬C4高光效特點提供了理論支撐,?！甭疯F剛說。
還有研究人員設(shè)計并優(yōu)化了多個新的作物高光效回路,。例如,，通過優(yōu)化非光化學淬滅機制耗散過剩光能，在大豆等作物上成功實現(xiàn)了光合效率和產(chǎn)量的提升,。
此外,，一批具有廣闊生產(chǎn)應(yīng)用前景的高光效基因，如IPA1,、NAL1,、D1等被成功挖掘，為通過基因工程手段培育高光效作物品種提供了可能。值得一提的是,，有研究人員克隆了“智慧株型”基因lac1,。該基因能使作物上部葉片緊湊、中下部葉片相對舒展,，從而優(yōu)化冠層結(jié)構(gòu)和光分布,。路鐵剛說，這一發(fā)現(xiàn)為通過基因調(diào)控手段優(yōu)化作物冠層結(jié)構(gòu),，提高光合作用效率提供了新思路和方法,。
育種實踐亟須理論支撐
“雖然近年來我國在作物高光效生物學基礎(chǔ)的研究方面取得了顯著進展，但仍然面臨諸多挑戰(zhàn),?！甭疯F剛舉例說，研究團隊規(guī)模有限,、資金投入不足等,，導致研究缺乏系統(tǒng)性和持續(xù)性，阻礙了研究的深入發(fā)展,。
在路鐵剛看來,，光合作用表型鑒定的復雜性和對環(huán)境的高度敏感性，極大限制了高光效作物的大規(guī)模篩選和改良效率,，因此亟須開發(fā)高效,、自動化表型鑒定技術(shù)來攻克這一難題。
此外,，光合作用的調(diào)控機制錯綜復雜,，涉及眾多基因與代謝途徑的相互作用?！氨M管已有研究人員發(fā)現(xiàn)部分關(guān)鍵基因,，但這些關(guān)鍵基因在實際育種中的有效應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)?！甭疯F剛說,，應(yīng)強化多學科合作，結(jié)合基因組學,、代謝組學等多方面研究,，深入解析光合作用效率調(diào)控的分子機制，為高光效育種實踐提供堅實理論支撐,。
在談及未來高光效育種技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵增長點時,，路鐵剛分析，一是要開發(fā)更精準的光合作用模型,，特別是針對冠層光合作用的詳細模型,，以精確分析光合作用關(guān)鍵影響因素,，進而指導高光效育種實踐；二是要深入探索作物高光效的遺傳調(diào)控機制,，系統(tǒng)挖掘與解析相關(guān)基因,，為高光效育種提供理論基礎(chǔ)、基因儲備與材料支撐,。
人工智能技術(shù)的應(yīng)用也將是關(guān)鍵一環(huán)?！袄萌斯ぶ悄芗夹g(shù),，可以設(shè)計、優(yōu)化乃至重構(gòu)植物高光效回路,、旁路以及優(yōu)化非光化學淬滅機制等,，進一步提高光合作用效率，引領(lǐng)育種技術(shù)革新,?！甭疯F剛說。（記者 宗詩涵）