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光合作用是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)，是人類食物和能源的主要來(lái)源，也是農(nóng)作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助下，作為973項(xiàng)目首席科學(xué)家，中科院植物所研究員張立新研究員集聚八家單位開(kāi)展了“光合作用分子機(jī)制與作物高光效品種選育”工作。張立新向科技日?qǐng)?bào)記者表示，對(duì)光合作用分子機(jī)理進(jìn)行研究，目的在于挖掘作物光能利用潛力，為農(nóng)作物高光效遺傳改良及育種實(shí)踐提供理論指導(dǎo)和技術(shù)途徑。
通過(guò)五年的合作攻關(guān)，該研發(fā)團(tuán)隊(duì)在《自然》《科學(xué)》等國(guó)際頂級(jí)專業(yè)雜志先后發(fā)表4篇研究文章，最近又在光合作用高光效基礎(chǔ)理論研究方面取得了突破進(jìn)展。
挖掘光合生物的基因資源
張立新說(shuō)：“經(jīng)過(guò)38億年的進(jìn)化，不同的光合生物在適應(yīng)環(huán)境變化過(guò)程中，進(jìn)化出了非常豐富的基因資源和代謝途徑，這是一個(gè)奇妙的過(guò)程，蘊(yùn)含著豐富的寶藏;充分探索光合作用的奧秘，挖掘豐富的基因資源，對(duì)于理解光合作用原理并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐有著重大的意義。”
利用晶體結(jié)構(gòu)解析以及冷凍電鏡技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)最原始的光合生物藍(lán)藻、紅藻、硅藻到高等植物的光合膜超分子復(fù)合物精細(xì)結(jié)構(gòu)解析，探索光合作用體系高效吸能、傳能的分子機(jī)理。
他們發(fā)現(xiàn)了藍(lán)細(xì)菌中獨(dú)特的四聚體PSI復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，揭示了PSI寡聚化在環(huán)式電子傳遞和類囊體膜重排過(guò)程中光系統(tǒng)I復(fù)合物的重要功能;揭示了葉綠素C和巖藻黃素捕獲藍(lán)綠光并高效傳遞能量的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為進(jìn)一步揭示光合作用光反應(yīng)拓展捕光截面和高效捕獲傳遞光能機(jī)理，以及硅藻超強(qiáng)的光保護(hù)機(jī)制提供了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)依據(jù)。
研究團(tuán)隊(duì)還從原子水平揭示了高等植物光系統(tǒng)I-捕光天線(PSI-LHCI)各組分的精細(xì)分布，發(fā)現(xiàn)LHCI全新的色素網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和LHCI紅葉綠素的結(jié)構(gòu)，明確提出LHCI向核心能量傳遞可能的4條途徑。
葉綠體的正常發(fā)育和功能維持是光合作用高效光能轉(zhuǎn)化和利用的必需條件。他們首次篩選出調(diào)控葉綠體發(fā)育的RNA分子伴侶蛋白BSF，揭示其對(duì)葉綠體mRNA穩(wěn)定性和翻譯活性的調(diào)控作用;發(fā)現(xiàn)參與PSI組裝調(diào)控的新關(guān)鍵因子Pyg7，并解析了Pyg7參與PSI復(fù)合物組裝調(diào)控的分子機(jī)理。
這些成果為揭示光合作用高效吸能、傳能和轉(zhuǎn)能的機(jī)理奠定了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。張立新說(shuō)，這些基因資源的挖掘有助于深入了解植物葉綠體的生物發(fā)生機(jī)理，以及葉綠體響應(yīng)外界環(huán)境變化維持高光效機(jī)理。
導(dǎo)入高光效基因?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)分子育種
水稻為C3(碳三)植物，而玉米高粱等作物為C4(碳四)植物。C4植物葉片具有花環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其光能轉(zhuǎn)化效率高于C3植物。所以一直以來(lái)，研究C4植物高光效機(jī)理，挖掘其基因背景，用于提高水稻產(chǎn)量一直是水稻育種的一個(gè)重要方向。
項(xiàng)目組開(kāi)展了大規(guī)模水稻C4解剖學(xué)結(jié)構(gòu)突變體篩選，以及葉脈密度變化突變體規(guī)?；Y選，獲得了一批光合效率高、葉脈密度相關(guān)的水稻突變體材料，鑒定了控制葉脈密度性狀基因TWI1，揭示了其調(diào)控水稻葉脈發(fā)生與發(fā)育的機(jī)制。
在基礎(chǔ)理論研究的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)加強(qiáng)機(jī)理與應(yīng)用相結(jié)合，著力于將光合作用基礎(chǔ)研究成果應(yīng)用到稻麥等主要農(nóng)作物精準(zhǔn)分子育種實(shí)踐中。
他們建立了水稻高光效篩選平臺(tái)、挖掘出高光效最優(yōu)等位變異，將高光效位點(diǎn)導(dǎo)入到目前的水稻主栽品種中育成高光效新品種4份，光合作用效率平均提高10%以上，具有高產(chǎn)、米質(zhì)優(yōu)、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)良農(nóng)藝性狀。
同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)定向改良，在小麥優(yōu)良農(nóng)藝性狀選擇的基礎(chǔ)上，結(jié)合早代光合速率測(cè)定，選擇高光合速率單株以及高代群體光合測(cè)定進(jìn)而培育高產(chǎn)品種的育種策略，培育出小偃108等高光效小麥新品系;育成了花后“源”功能顯著改良的鄭麥7698等，并榮獲了2018年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
張立新表示，隨著遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、基因組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)等相關(guān)技術(shù)在光合作用研究領(lǐng)域的運(yùn)用，光合作用的許多生理生化過(guò)程已經(jīng)從分子水平得到揭示，正孕育著一系列重大突破。提高作物光合作用效率在保障糧食安全，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展上具有巨大應(yīng)用前景。(劉志偉)
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