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让农作物“吃”下更多阳光 科学家找到光合作用关键基因

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  让农作物“吃”下更多阳光 科学家找到光合作用关键基因

  生物前沿

  光合作用是地球上最重要的化学反应,是人类食物和能源的主要来源,也是农作物产量形成的基础。在国家重点基础研究计划资助下,作为973项目首席科学家,中科院植物所研究员张立新研究员集聚八家单位开展了“光合作用分子机制与作物高光效品种选育”工作。张立新向科技日报记者表示,对光合作用分子机理进行研究,目的在于挖掘作物光能利用潜力,为农作物高光效遗传改良及育种实践提供理论指导和技术途径。

  通过五年的合作攻关,该研发团队在《自然》《科学》等国际顶级专业杂志先后发表4篇研究文章,最近又在光合作用高光效基础理论研究方面取得了突破进展。

  挖掘光合生物的基因资源

  张立新说:“经过38亿年的进化,不同的光合生物在适应环境变化过程中,进化出了非常丰富的基因资源和代谢途径,这是一个奇妙的过程,蕴含着丰富的宝藏;充分探索光合作用的奥秘,挖掘丰富的基因资源,对于理解光合作用原理并应用于生产实践有着重大的意义。”

  利用晶体结构解析以及冷冻电镜技术,研究团队通过对最原始的光合生物蓝藻、红藻、硅藻到高等植物的光合膜超分子复合物精细结构解析,探索光合作用体系高效吸能、传能的分子机理。

  他们发现了蓝细菌中独特的四聚体PSI复合物的结构,揭示了PSI寡聚化在环式电子传递和类囊体膜重排过程中光系统I复合物的重要功能;揭示了叶绿素C和岩藻黄素捕获蓝绿光并高效传递能量的结构基础,为进一步揭示光合作用光反应拓展捕光截面和高效捕获传递光能机理,以及硅藻超强的光保护机制提供了坚实的结构依据。

  研究团队还从原子水平揭示了高等植物光系统I-捕光天线(PSI-LHCI)各组分的精细分布,发现LHCI全新的色素网络系统和LHCI红叶绿素的结构,明确提出LHCI向核心能量传递可能的4条途径。

  叶绿体的正常发育和功能维持是光合作用高效光能转化和利用的必需条件。他们首次筛选出调控叶绿体发育的RNA分子伴侣蛋白BSF,揭示其对叶绿体mRNA稳定性和翻译活性的调控作用;发现参与PSI组装调控的新关键因子Pyg7,并解析了Pyg7参与PSI复合物组装调控的分子机理。

  这些成果为揭示光合作用高效吸能、传能和转能的机理奠定了坚实的结构基础。张立新说,这些基因资源的挖掘有助于深入了解植物叶绿体的生物发生机理,以及叶绿体响应外界环境变化维持高光效机理。

  导入高光效基因实现精准分子育种

  水稻为C3(碳三)植物,而玉米高粱等作物为C4(碳四)植物。C4植物叶片具有花环状结构,其光能转化效率高于C3植物。所以一直以来,研究C4植物高光效机理,挖掘其基因背景,用于提高水稻产量一直是水稻育种的一个重要方向。

  项目组开展了大规模水稻C4解剖学结构突变体筛选,以及叶脉密度变化突变体规模化筛选,获得了一批光合效率高、叶脉密度相关的水稻突变体材料,鉴定了控制叶脉密度性状基因TWI1,揭示了其调控水稻叶脉发生与发育的机制。

  在基础理论研究的基础上,研究团队加强机理与应用相结合,着力于将光合作用基础研究成果应用到稻麦等主要农作物精准分子育种实践中。

  他们建立了水稻高光效筛选平台、挖掘出高光效最优等位变异,将高光效位点导入到目前的水稻主栽品种中育成高光效新品种4份,光合作用效率平均提高10%以上,具有高产、米质优、抗逆性强等优良农艺性状。

  同时,研究团队通过定向改良,在小麦优良农艺性状选择的基础上,结合早代光合速率测定,选择高光合速率单株以及高代群体光合测定进而培育高产品种的育种策略,培育出小偃108等高光效小麦新品系;育成了花后“源”功能显著改良的郑麦7698等,并荣获了2018年国家科技进步二等奖。

  张立新表示,随着遗传学、分子生物学、基因组学、蛋白组学和代谢组学等相关技术在光合作用研究领域的运用,光合作用的许多生理生化过程已经从分子水平得到揭示,正孕育着一系列重大突破。提高作物光合作用效率在保障粮食安全,促进农业可持续发展上具有巨大应用前景。

  本报记者 刘志伟

【编辑:田博群】
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