上海科学家在提高植物光合效率和产量方面取得突破性进展

摘要：该发现为应对全球气候变暖条件下的粮食安全生产挑战提供了一个解决方案。

温度是影响植物生长周期和地理分布的主要因素之一。随着温室效应的加剧，全球气候变暖造成的高温胁迫日益成为现代农业生产体系所面临的严峻挑战，同时也对世界粮食安全造成严重威胁。

植物细胞中的叶绿体是进行光合作用的主要场所，阳光充足（高光强）或高温胁迫通常会引起叶绿体中活性氧累积，抑制光合作用过程，进而导致作物严重减产。作为植物进行光合作用重要复合体PSII的核心蛋白，D1对于高温胁迫最为敏感，是PSII复合体内最容易受损和更新最快的蛋白。如何提高强光条件下或高温胁迫下PSII的修复效率，进而增强植物的光合效率和产量，是长期困扰这一领域科学家的基础性科学问题和挑战性难题。

2020年4月21日，国际植物生物学著名期刊《自然 植物》在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心、植物分子遗传国家重点实验室郭房庆研究组的最新突破性研究成果。科研团队突破常规的思维定式和认知局限，认为D1可能是PSII这个“木桶”中最短的“板”，补充D1很可能是提高植物光合效率的关键点。该研究通过遗传工程手段在拟南芥、烟草和水稻中创建了一条全新的、由高温响应启动子驱动的细胞核融合基因表达的D1蛋白合成途径。每种植物三个改良株系均生长旺盛，高温抗性、光合效率等方面均有大幅度增加。相较野生型，生物量的增加幅度在拟南芥转基因株系为43.7-80.2%，烟草为15.1-22.3% ，水稻为20.6-22.9%。水稻转基因改良株系大田条件下的产量测产分别在上海和海南三亚育种基地进行，经过多年的验证，增产幅度在8.1-21.0%之间。

这项研究证实了植物在正常生长和高温胁迫下对于D1的需求是高水平的，天然的叶绿体D1合成途径满足不了植物快速生长和抵抗高温胁迫对于新合成D1蛋白的需求。该发现改变了科学家对于D1蛋白在光合作用中限制性功能的认知，为应对全球气候变暖条件下的粮食安全生产挑战提供了一个解决方案。