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光合作用是地球上*重要的化學反應，是人類食物和能源的主要來源，也是農(nong) 作物產(chan) 量形成的基礎。在國家重點基礎研究計劃資助下，作為(wei) 973項目首席科學家，中科院植物所研究員張立新研究員集聚八家單位開展了“光合作用分子機製與(yu) 作物高光效品種選育”工作。張立新向科技日報記者表示，對光合作用分子機理進行研究，目的在於(yu) 挖掘作物光能利用潛力，為(wei) 農(nong) 作物高光效遺傳(chuan) 改良及育種實踐提供理論指導和技術途徑。
通過五年的合作攻關(guan) ，該研發團隊在《自然》《科學》等國際**專(zhuan) 業(ye) 雜誌先後發表4篇研究文章，*近又在光合作用高光效基礎理論研究方麵取得了突破進展。
挖掘光合生物的基因資源
張立新說：“經過38億(yi) 年的進化，不同的光合生物在適應環境變化過程中，進化出了非常豐(feng) 富的基因資源和代謝途徑，這是一個(ge) 奇妙的過程，蘊含著豐(feng) 富的寶藏;充分探索光合作用的奧秘，挖掘豐(feng) 富的基因資源，對於(yu) 理解光合作用原理並應用於(yu) 生產(chan) 實踐有著重大的意義(yi) 。”
利用晶體(ti) 結構解析以及冷凍電鏡技術，研究團隊通過對*原始的光合生物藍藻、紅藻、矽藻到高等植物的光合膜超分子複合物精細結構解析，探索光合作用體(ti) 係**吸能、傳(chuan) 能的分子機理。
他們(men) 發現了藍細菌中獨特的四聚體(ti) PSI複合物的結構，揭示了PSI寡聚化在環式電子傳(chuan) 遞和類囊體(ti) 膜重排過程中光係統I複合物的重要功能;揭示了葉綠素C和岩藻黃素捕獲藍綠光並**傳(chuan) 遞能量的結構基礎，為(wei) 進一步揭示光合作用光反應拓展捕光截麵和**捕獲傳(chuan) 遞光能機理，以及矽藻超強的光保護機製提供了堅實的結構依據。
研究團隊還從(cong) 原子水平揭示了高等植物光係統I-捕光天線(PSI-LHCI)各組分的精細分布，發現LHCI全新的色素網絡係統和LHCI紅葉綠素的結構，明確提出LHCI向核心能量傳(chuan) 遞可能的4條途徑。
葉綠體(ti) 的正常發育和功能維持是光合作用**光能轉化和利用的必需條件。他們(men) 首次篩選出調控葉綠體(ti) 發育的RNA分子伴侶(lv) 蛋白BSF，揭示其對葉綠體(ti) mRNA穩定性和翻譯活性的調控作用;發現參與(yu) PSI組裝調控的新關(guan) 鍵因子Pyg7，並解析了Pyg7參與(yu) PSI複合物組裝調控的分子機理。
這些成果為(wei) 揭示光合作用**吸能、傳(chuan) 能和轉能的機理奠定了堅實的結構基礎。張立新說，這些基因資源的挖掘有助於(yu) 深入了解植物葉綠體(ti) 的生物發生機理，以及葉綠體(ti) 響應外界環境變化維持高光效機理。
導入高光效基因實現精準分子育種
水稻為(wei) C3(碳三)植物，而玉米高粱等作物為(wei) C4(碳四)植物。C4植物葉片具有花環狀結構，其光能轉化效率高於(yu) C3植物。所以一直以來，研究C4植物高光效機理，挖掘其基因背景，用於(yu) 提高水稻產(chan) 量一直是水稻育種的一個(ge) 重要方向。
項目組開展了大規模水稻C4解剖學結構突變體(ti) 篩選，以及葉脈密度變化突變體(ti) 規模化篩選，獲得了一批光合效率高、葉脈密度相關(guan) 的水稻突變體(ti) 材料，鑒定了控製葉脈密度性狀基因TWI1，揭示了其調控水稻葉脈發生與(yu) 發育的機製。
在基礎理論研究的基礎上，研究團隊加強機理與(yu) 應用相結合，著力於(yu) 將光合作用基礎研究成果應用到稻麥等主要農(nong) 作物精準分子育種實踐中。
他們(men) 建立了水稻高光效篩選平台、挖掘出高光效**等位變異，將高光效位點導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(chan) 、米質優(you) 、抗逆性強等優(you) 良農(nong) 藝性狀。
同時，研究團隊通過定向改良，在小麥優(you) 良農(nong) 藝性狀選擇的基礎上，結合早代光合速率測定，選擇高光合速率單株以及高代群體(ti) 光合測定進而培育高產(chan) 品種的育種策略，培育出小偃108等高光效小麥新品係;育成了花後“源”功能顯著改良的鄭麥7698等，並榮獲了2018年國家科技進步二等獎。
張立新表示，隨著遺傳(chuan) 學、分子生物學、基因組學、蛋白組學和代謝組學等相關(guan) 技術在光合作用研究領域的運用，光合作用的許多生理生化過程已經從(cong) 分子水平得到揭示，正孕育著一係列重大突破。提高作物光合作用效率在保障糧食安全，促進農(nong) 業(ye) 可持續發展上具有巨大應用前景。(劉誌偉(wei) )
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