中科院遗传发育所刘翠敏团队综述：如何提高作物光合作用效率？

中科院遗传发育所刘翠敏团队综述：如何提高作物光合作用效率？

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网易

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近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所刘翠敏研究员团队在《Journal of Genetics and Genomics》发表综述论文，系统阐述了通过提高光合效率来增加作物产量的最新研究进展和策略。这一研究不仅揭示了光合作用效率提升的关键途径，更为未来的设计育种提供了重要参考。

光合作用是植物将光能转化为化学能的过程，其效率直接影响作物产量。刘翠敏团队的综述指出，提高光合效率主要可以通过优化光反应和碳反应两个途径实现。

在光反应方面，研究团队提出了多个创新策略。例如，通过设计智慧冠层来优化光照利用，缩小天线尺寸以减少能量耗散，扩大光谱吸收范围以利用更多光能，以及优化非光化学淬灭机制来保护光合系统免受强光损伤。

在碳反应方面，研究重点集中在提高关键酶Rubisco的活性。Rubisco是光合作用中催化二氧化碳固定的限速酶，其活性直接影响光合效率。此外，改善卡尔文循环效率、在C3作物中引入二氧化碳浓缩机制、创建光呼吸旁路等策略也被认为是提高光合效率的有效途径。

作为光合作用碳代谢研究领域的专家，刘翠敏研究员在Rubisco酶的研究中取得了重要突破。她带领团队成功解析了Rubisco的生物合成途径，突破了该酶折叠与组装的长期研究瓶颈。这一成果发表在Nature杂志上，并被Rebeiz Foundation评为2010年基础研究年度文章。

研究发现，Rubisco的生物合成是一个复杂的过程，需要分子伴侣Cpn60的协助才能完成正确折叠和组装。通过解析Rubisco的结构和功能，研究人员能够筛选出更高效的Rubisco变体，从而提升植物的光合作用效率。

尽管光合作用优化研究取得了重要进展，但将其应用于农业生产仍面临诸多挑战。目前，田间作物的平均光能转化效率仅为0.5%，远低于C3植物理论上的4.6%和C4植物的6.0%。这表明光合作用效率的提升潜力巨大。

在实际应用中，光照管理、CO2施肥、水分和肥料管理等措施已被广泛采用。例如，通过调整种植密度和行距来优化光照利用，使用人工光源补充光照，以及在温室中施放额外的二氧化碳以提高光合速率。然而，这些措施的效果受到环境因素和管理技术的限制。

为了更有效地提升作物产量，研究者们开始借助系统模型来指导光合效率的改良。通过构建多尺度的光合系统模型，可以更准确地识别控制光合效率的关键靶点，从而为育种工作提供科学依据。

刘翠敏团队的综述强调，未来的研究需要充分考虑不同改良策略之间的协同和拮抗效应。例如，优化光反应和碳反应的策略需要相互配合，才能实现整体效率的最大化。此外，还需要将这些策略与传统的育种技术相结合，以培育出既高产又适应性强的作物新品种。

随着全球人口的持续增长和气候变化带来的挑战，提高作物产量已成为保障粮食安全的紧迫任务。刘翠敏团队的研究为这一目标提供了新的思路和方向。通过持续的科技创新，我们有望在未来实现作物产量的突破性提升，为全球粮食安全做出重要贡献。