“光合作用”不再怕热

中国科学院分子植物科学卓越中心研究员郭的团队在提高植物的光合效率和产量方面取得了进展，使“光合作用”不再受到“高温”的困扰，并为温室效应引起的全球变暖条件下的食品安全生产挑战提供了解决方案。相关结果于4月21日在《自然-植物》在线发表。

温度是影响植物生长周期和地理分布的主要因素之一。阳光(高光强度)或高温胁迫通常会抑制光合作用，导致作物产量严重下降。因此，全球变暖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。主要原因是光合产物复合体PSII“栖息”在叶绿体类囊体膜上的关键蛋白D1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。

D1蛋白是PSII的核心蛋白，是植物光合作用的重要复合体，对高温胁迫最敏感，也是PSII复合体中最容易受损和更新最快的蛋白。一旦PSII被高温伤害，受损的D1蛋白在修复过程中被新合成的D1蛋白取代。叶绿体作为一种半自主的细胞器，有自己的基因组。编码D1蛋白的叶绿体基因是psbA。然而，在光合作用过程中，叶绿体中积累的活性氧能显著抑制D1蛋白的翻译过程，从而导致PSII复合体的修复效率降低，这在高温胁迫下尤为严重。因此，如何提高PSII在强光或高温胁迫下的修复效率，从而提高植物的光合效率、生物量和产量，一直是该领域科学家面临的难题。

研究小组认为，D1可能是PSII最短的“板块”，补充D1可能是提高植物光合效率的关键。研究人员将克隆的拟南芥叶绿体基因psbA整合到核基因组中，并在对高温胁迫反应强烈的启动子的驱动下表达。

研究人员称，将这一新构建的融合基因整合到拟南芥、烟草和水稻基因组中，相当于成功地将它们天然存在的叶绿体基因psbA“复制”到核基因组中，同时获得了在高温胁迫下启动表达的特性。

结果表明，每株植物的三个改良品系生长旺盛。与野生型相比，高温抗性、光合效率、二氧化碳同化率和生物量显著提高，效果显著。同时，研究证实，在正常生长和高温胁迫下，D1对植物的需求量很大。天然叶绿体D1合成途径不能满足植物在快速生长和抗高温胁迫下对新合成的D1蛋白的需求。

在这项成就中，研究人员通过基因工程在拟南芥、烟草和水稻中创造了一条新的D1蛋白合成途径，该途径由高温响应启动子驱动的核融合基因表达驱动，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)。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。

专家认为，这一创新性的发现在“为植物细胞增加一条全新的D1合成途径，显著提高光能利用效率”方面具有重要的理论意义和应用价值，尤其是在提高植物光能利用效率方面的重大突破。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-020-0629-z