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光合作用为农业可持续发展提供支撑 |
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——光合作用分子机理研究“973”项目获得一系列突破性成果 |
■本报记者 丁佳
光合作用是地球上最大规模的利用太阳能把二氧化碳和水等无机物合成有机物并放出氧气的过程。它为几乎所有的生命活动提供有机物、能量和氧气。如果没有植物的光合作用，就不可能有人类社会的生存和持续发展。当今人类面临的粮食、能源和环境资源等问题与光合作用密切相关。现代人类文明所需的生物燃料，无论是煤、石油和天然气都是由古代植物光合作用直接和间接的产物转化而来。光合作用机理的研究一直是自然科学的核心问题之一，也是生命科学研究的前沿领域和热点之一。
由于光合作用在理论和实践上的重要意义，在我国非常重视光合作用的研究。于2009年，在国家重点基础研究计划资助下，来自中科院植物所、上海植物生理生态研究所、遗传发育生物研究所和北京大学、山东农业大学、中国农科院作物研究所等优势单位联手组建了一支研究队伍，在该项目首席科学家，中科院植物所研究员张立新主持下，开展了“光合作用分子机理及其在农业生产中应用的基础研究”。
通过5年的合作攻关，目前已在光能传递、光合膜复合物生成机制、叶绿体信号转导、碳同化以及环境调节研究等方面取得了一系列突破性成果，在国际上产生了重要影响，并在国际著名期刊杂志上发表论文50余篇。
“目前，国内外光合作用研究已进入了一个新阶段。”张立新介绍说，“随着分子遗传学迅猛发展，相应研究手段和技术已广泛应用于光合作用机理研究，并着力于将基础研究成果应用于人类目前面临的一系列重大问题，如粮食、能源和环境等。”解析光合作用分子机制，发掘与光合作用调控相关的功能基因和新蛋白，孕育着一系列重大突破。项目在光合作用分子机理及调控机制方面取得系列的原创性科学成果为提高作物的光能利用效率提供了新的理论依据及技术支撑，并在国际上产生了重要影响，提升了我国在光合研究领域的国际地位。
光合作用机理研究为提高作物光能
利用效率提供了理论依据和新途径
光合作用光能高效吸收、传递和转化是光合作用研究的核心，这一过程是在光合膜上一系列色素蛋白超分子复合体上进行，这些不同色素蛋白超分子复合体的色素、蛋白和其他因子的组装、协同作用是实现光合作用高效传能和转能的前提。
北京大学赵进东教授及其团队发现了外周天线蛋白超分子复合体藻胆体和光合膜结合的新模式，从而揭示了光合作用光能传递的新机制，具有重要的理论和实践意义。
中国科学院植物研究所研究员张立新及其团队在光合作用光系统光合膜蛋白的生物合成、组装及叶绿体信号转导的机理方面取得了一系列在国际上有重要影响的原创性成果。
其中包括：在国际上率先开展了具有吸能、传能和转能功能的光合膜蛋白复合物组装调控机理的研究，首次揭示了捕光叶绿素蛋白复合体叶绿体蛋白转运的机制，发现了一批参与光系统II组装的重要调控基因，从分子水平上揭示了其作用机理。
在叶绿体信号转导机理的研究方面，发现从叶绿体到细胞核进行传递的关键转录因子，揭示叶绿体反向信号转录的本质，这些研究为理解叶绿体基因与核基因协同表达维持光合作用功能的机制开辟了新的思想。这项研究引起了国际同行高度的关注和认可。
自然环境条件下，植物常常处于多种环境因子的胁迫之中，而植物光合作用是对环境胁迫反应较为敏感的生理过程之一。但是，光合作用能在不断变动的外界环境条件下维持光合作用高效进行也知之甚少。
中国科学院植物研究所研究员卢从明及其团队揭示了叶绿体小分子热激蛋白HSP21在高温条件下维持叶绿体正常功能的分子机制。
中国科学院植物研究所研究员林荣呈及其团队揭示光与活性氧信号传递偶联的作用机制，对认识植物从异养到光合自养生长转变过程中启动保护机制来抵御强光胁迫具有重要意义。这些研究为遗传改良提高植物对强光的适应性提供理论依据及新思路。
目前，项目产生的原创性科研成果已在《自然—通讯》、《植物细胞》等国际学术刊物发表多篇研究论文。受到了国际同行的关注，应邀在Annu Rev Plant Biol撰写论文。
光合作用机理研究的成果为提高作物光能
利用效率和育种改良提供了新思路
每年地球上通过光合作用合成的有机物约为2200亿吨，相当于人类每年所需能耗的10倍。植物干重的90%~95%来自光合作用的产物，光合作用是作物和能源植物产量形成的物质基础。提高作物光能利用效率，是提高作物产量的必由之路。
目前大田作物光能利用效率仍然很低，我国主要作物稻田品种的光能利用效率约为1%左右，远远没有达到理论值。在光合作用过程的多个环节上都有提高的潜力，为目前挖掘光能传能、转化潜力，有赖于对光合作用分子机理的深入研究及其机理的突破。
光合作用机理研究不断深入将为提高光能利用效率和增加作物产量提供理论依据和可能途径。对一系列可能限制光能利用效率的生理和生化步骤进行综合分析，对光合作用有关代谢途径进行改良将能有效提高光能利用效率。
中国科学院上海植物生理生态研究所等对农业生产长期调查，就同化力形成调控和碳同化途径进行了大量研究，发现并证明低浓度的亚硫酸氢钠可以通过增加循环电子传递及其偶联的磷酸化作用从而提高作物光能利用效率。中科院遗传发育生物研究所研究员储成才及其团队通过大规模筛选鉴定了水稻光合能力和碳同化突变体，发现了一种新型质体定位的UDP-葡萄糖差向异构酶，过表达植株的光合能力，尤其是在低光强下光合能力的改善具有显著提高的作用，从而为新一代水稻以及能源作物高产育种，特别对西南如云贵川等光强不足地区的作物高产育种改良提供了一种全新的思路，具有显著的潜在应用价值和经济意义。
中科院遗传发育所李振声院士研究组和植物所卢从明团队对小麦个体、群体进行高光效特性和抗光氧化QTL初步定位，并利用高光效和抗光氧化种质筛选体系，配备多种组合，选育出系列高光效小麦新品系。这些研究为挖掘水稻、小麦高光合效率基因，开展高光效作物遗传育种奠定了材料基础。
以上研究成果为提高光能利用效率提供理论依据和有效途径，同时进一步挖掘高光效的基因资源，将为培育高光效品种提供理论基础和技术方法。
有力提升了
我国光合作用研究的水平
“光合作用分子机理及其在农业生产中应用的基础研究” “973”项目的顺利实施，在光合作用理论研究上取得多方面突破，展现了良好的应用前景。项目成果为进一步深入研究奠定了基础，为进一步基础理论研究的突破，阐释光合作用传能和转能机理，提供了前所未有的机遇。
通过该“973”项目执行，有力集中了光合领域的优势力量，搭建起团队间资源及技术共享的研究平台。通过项目执行，光合作用研究团队的中、青年学术人才崭露头角，项目组成员三位获得国家杰出青年基金资助，一支老中青相结合、在国内外具有竞争力的研究队伍正在形成。人才技术力量积累为进一步深入研究奠定了坚实基础，有助于高水平研究成果的产生，使我国在这个重要领域跨入世界先进行列。
在该“973”项目的带动下，我国成功举办了“第十五届国际光合作用大会”以及“光系统II国际研讨会”，包括诺贝尔奖获得者在内的各国权威专家齐聚中国，进行深度学术交流，项目组的多名科学家也应邀作大会报告，产生了广泛的国际影响。张立新研究员在此期间当选为国际光合作用协会执行委员。
中科院植物所匡廷云院士认为：“光合作用的研究是前沿科学的重要领域，又具有明确的国家重要需求。当前我国光合作用机理的研究已在国际上产生了重要的影响，并显示了在我国农业发展战略中的作用。国家高度重视这一领域的研究，我们应抓住机遇，大力推进光合作用的研究，力争在国际上占有重要的一席之地，并为我国农业发展战略需求作出更大贡献，这是时代和历史赋予我们的使命。”
《中国科学报》 (2013-09-30 第8版 智库)
