2024-08-29 10:36:28
在貴州省安順市鎮(zhèn)寧布依族苗族自治縣良田鎮(zhèn)壩草村火龍果種植基地，工作人員捆綁固定火龍果植株，為火龍果補(bǔ)光增產(chǎn)。新華社記者 陶亮攝
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(xué)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(xué)會推薦的“作物高光效的生物學(xué)基礎(chǔ)”入選2024十大前沿科學(xué)問題。
“作物高光效是指作物的光合作用效率高。”路鐵剛近日在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)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(jī)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(xué)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(jī)物，同時(shí)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(jī)物質(zhì)補(bǔ)充。
光合作用效率是評價(jià)植物利用光能能力的重要指標(biāo)。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)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(jī)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(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，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(qiáng)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(shí)現(xiàn)農(nóng)作物高產(chǎn)的關(guān)鍵策略?！白魑锔吖庑У纳飳W(xué)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(dāng)前學(xué)界對光合作用的生物學(xué)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(xué)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(jìn)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(shí)，該研究還有助于揭示作物適應(yīng)環(huán)境變化的機(jī)制，從而提升作物應(yīng)對氣候變化的能力。
多項(xiàng)研究打開增產(chǎn)空間
在路鐵剛看來，作物高光效的生物學(xué)基礎(chǔ)是作物科學(xué)領(lǐng)域的重大前沿科學(xué)問題，具有長期性、基礎(chǔ)性特點(diǎn)，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(xué)、基因編輯、合成生物、智能設(shè)計(jì)等前沿技術(shù)的發(fā)展，作物高光效的生物學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)研究也取得顯著進(jìn)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(jìn)行的。在光合膜上，蛋白復(fù)合物通過特有的分子排列和相互作用，構(gòu)成高效運(yùn)轉(zhuǎn)的天然光合系統(tǒng)，從而確保光合作用的高效運(yùn)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(jī)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(fù)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(fù)雜機(jī)理，為調(diào)控和優(yōu)化光合作用過程提供了堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)。
在作物高光效的調(diào)控機(jī)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(xué)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(diǎn)提供了理論支撐。”路鐵剛說。
還有研究人員設(shè)計(jì)并優(yōu)化了多個(gè)新的作物高光效回路。例如，通過優(yōu)化非光化學(xué)淬滅機(jī)制耗散過剩光能，在大豆等作物上成功實(shí)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(shí)踐亟須理論支撐
“雖然近年來我國在作物高光效生物學(xué)基礎(chǔ)的研究方面取得了顯著進(jìn)展，但仍然面臨諸多挑戰(zhàn)?！甭疯F剛舉例說，研究團(tuán)隊(duì)規(guī)模有限、資金投入不足等，導(dǎo)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(fù)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(jī)制錯(cuò)綜復(fù)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(shí)際育種中的有效應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)?！甭疯F剛說，應(yīng)強(qiáng)化多學(xué)科合作，結(jié)合基因組學(xué)、代謝組學(xué)等多方面研究，深入解析光合作用效率調(diào)控的分子機(jī)制，為高光效育種實(shí)踐提供堅(jiān)實(shí)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(diǎn)時(shí)，路鐵剛分析，一是要開發(fā)更精準(zhǔn)的光合作用模型，特別是針對冠層光合作用的詳細(xì)模型，以精確分析光合作用關(guān)鍵影響因素，進(jìn)而指導(dǎo)高光效育種實(shí)踐；二是要深入探索作物高光效的遺傳調(diào)控機(jī)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(jì)、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(xué)淬滅機(jī)制等，進(jìn)一步提高光合作用效率，引領(lǐng)育種技術(shù)革新。”路鐵剛說。
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