提高植物光能利用效率研究取得进展，粮食安全或有新解决方案

温度是影响植物生长周期和地理分布的主要因素之一。随着温室效应的加剧，全球气候变暖造成的高温胁迫日益成为现代农业生产体系所面临的严峻挑战，也对世界粮食安全造成严重威胁。

2020年4月21日，国际植物生物学著名期刊Nature Plants在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心、植物分子遗传国家重点实验室郭房庆研究组的最新突破性研究成果，题为《Nuclear-encoded synthesis of the D1 subunit of photosystem II increases photosynthetic efficiency and crop yield（创建细胞核源光系统II复合体D1亚基合成途径增加光合效率和作物产量）》。

该研究成果是提高植物光能利用效率方面的一个重要突破性进展，为粮食安全生产挑战提供了解决方案。

作为植物进行光合作用重要复合体PSII的核心蛋白，D1对于高温胁迫最为敏感，是PSII复合体内最容易受损和更新最快的蛋白。一旦PSII受到高温伤害，在修复过程中，损伤的D1蛋白被新合成的D1所取代。叶绿体作为半自主性的细胞器，具有自己的基因组，编码D1蛋白的叶绿体基因为psbA。

而在光合作用进行过程中，叶绿体中累积的活性氧会显著抑制D1蛋白的翻译过程，进而导致PSII复合体的修复效率降低，这种情况在高温胁迫条件下尤为严重。

因此，如何提高强光条件下或高温胁迫下PSII的修复效率，进而增强植物的光合效率，生物量和产量是长期困扰这一领域科学家的基础性科学问题和挑战性难题。

该研究通过遗传工程手段在拟南芥、烟草和水稻中创建了一条全新的，且由高温响应启动子驱动的细胞核融合基因表达的D1蛋白合成途径，建立了植物细胞D1蛋白合成的“双途径”机制（天然的叶绿体途径和创建的核途径）。增加细胞核源D1合成途径显著增强植物的高温抗性，光合作用效率，二氧化碳同化速率，生物量和产量。

增加细胞核源D1合成途径显著增强植物的高温抗性，光合作用效率，生物量和产量。  中国科学院分子植物科学卓越创新中心供图

从为植物细胞增加一条全新的D1合成途径并显著提高光能利用效率而言，这一原始创新性的发现具有重要的理论意义和应用价值。鉴于工作的创新性，Nature Plants同时刊发了相关领域国际知名学者撰写的评论和观点文章。

郭房庆组科研团队突破常规的思维定式和认知局限，认为D1可能是PSII这个“木桶”中最短的“板”，补充D1很可能是提高植物光合效率的关键点。科研团队成员陈娟华和陈思婷将克隆的拟南芥叶绿体基因psbA整合到核基因组中，并由强力响应高温胁迫的启动子驱动表达。

将这一全新构建的融合基因整合进拟南芥、烟草和水稻基因组，相当于将它们天然具有的叶绿体基因psbA成功“拷贝”到核基因组并同时获得响应高温胁迫启动表达的特性。每种植物三个改良株系均生长旺盛，高温抗性，光合效率，二氧化碳同化速率，生物量方面相较于野生型均有大幅度的增加，效果显著。

相较野生型，生物量的增加幅度在拟南芥转基因株系为43.7-80.2%，烟草为15.1-22.3% ，水稻为20.6-22.9%。水稻转基因改良株系大田条件下的产量测产分别在上海和海南三亚育种基地进行，经过多年的验证，增产幅度在8.1-21.0%之间。

郭房庆研究组的突破性进展证实了植物在正常生长和高温胁迫下对于D1的需求是高水平的，天然的叶绿体D1合成途径满足不了植物快速生长和抵抗高温胁迫对于新合成D1蛋白的需求。

该发现颠覆了这个领域科学家对于D1蛋白在光合作用中限制性功能的认知，为提高植物光能利用效率方面的一个重要突破性进展，为应对温室效应导致全球气候变暖条件下的粮食安全生产挑战提供了解决方案。

该工作得到了中国科学院先导项目（B类）、科技部国家重点研发计划和国家自然科学基金委员会等项目的资助。