研人员研究提高植物光合效率 应对全球变暖下粮食安全挑战

新华社上海4月21日电(记者沈海)国际知名期刊《自然植物》21日在网上公布了郭课题组、中国科学院分子植物科学研究中心和植物分子遗传学国家重点实验室的最新研究成果。本研究利用基因工程技术在拟南芥、烟草和水稻中建立了一条新的D1蛋白合成途径,在高温响应启动子驱动下,通过核融合基因表达了D1蛋白合成途径,并建立了植物细胞中D1蛋白合成的“双途径”机制(天然叶绿体途径和创造核途径)。据介绍,增加核源D1的合成途径显著提高植物的耐高温性、光合作用效率、二氧化碳同化率、生物量和产量。从为植物细胞增加一条全新的D1合成途径和显著提高光能利用效率的角度来看,这一创新性发现具有重要的理论意义和应用价值。

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,全球变暖造成的高温胁迫日益成为现代农业生产体系面临的严峻挑战,也对世界粮食安全构成严重威胁。

植物细胞中的叶绿体是光合作用的主要场所。充足的阳光(高光强度)或高温胁迫通常会导致叶绿体中活性氧的积累并抑制光合作用。主要原因是PSII的关键蛋白D1,一种“栖息”在叶绿体类囊体膜上的光合复合体,迅速降解,叶片的光合功能降低,从而导致作物产量严重下降。如何提高PSII在强光或高温胁迫下的修复效率,进而提高植物的光合效率、生物量和产量,是长期困扰该领域科学家的基础性科学问题和挑战性问题。

郭集团的科研团队认为可能是的“木桶”中最短的“盘子”,补充可能是提高植物光合效率的关键。该团队的研究进展证实,植物在正常生长和高温胁迫下对D1的需求较高,天然叶绿体D1合成途径不能满足植物在快速生长和高温胁迫下对新合成的D1蛋白的需求。这一发现突破了该领域科学家对D1蛋白在光合作用中的限制性作用的认识,是提高植物光能利用效率的重要突破,有助于应对温室效应导致的全球变暖条件下食品安全生产的挑战。

这项工作得到了中国科学院(乙类)试点项目、科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

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