水稻表达玉米GLK基因增产显著

表达玉米GLK基因的水稻在京、琼两地的产量表型。制作部门提供的地图

C4作物的产量往往明显高于C3作物。如果允许C3作物表达C4相关基因，C3作物的产量能增加吗？

答案在4月1日《时事通讯-生物学》在线发表的一篇论文中。中国农业科学院作物科学研究所(以下简称研究所)的农业和生态创新团队发现，在C3作物水稻中表达C4作物玉米的转录因子基因ZmGLK1和ZmG2在田间条件下可显著提高水稻产量。

《通讯》的作者、科学研究所的研究员周文斌说，GLK转录因子通过激活与叶绿体发育和光合作用相关的核基因来调节光合作用。以前的研究表明，玉米GLK基因在水稻中的表达导致维管束鞘细胞器体积的增加、光合作用相关酶的积累以及细胞间相互作用的增加，从而诱导和复制了从C3光合作用到C4光合作用的进化路径中的一个重要步骤。然而，当水稻在室内盆栽条件下表达玉米GLK基因时，其光合效率、生物量和产量与野生型相比没有显著差异。

该论文的合著者、中国科学院植物生理生态研究所研究员王鹏介绍说，该研究最终通过提高水稻的光合效率和降低中午或波动光照下的光抑制程度，实现了生物量和产量的大幅增加，并通过实验揭示了其提高作物光合效率和抗光抑制的生理机制。

该论文的合著者、中科院博士后李霞表示，经过4年的田间试验，他们发现在田间条件下，表达玉米GLK基因的水稻植株的株高、生物量、叶绿素、类胡萝卜素等色素含量明显高于野生型，表达ZmG2基因的水稻表型和生理指标的改良效果高于zmg 1基因，尤其是在强光条件下。

产量分析表明，与野生型相比，表达玉米GLK基因的水稻植株穗长增加10%~26%，穗数增加20%~122%，产量增加30%~40%，光合产物糖、淀粉和氨基酸含量显著增加。

进一步实验表明，表达玉米GLK基因的水稻植株叶绿体类囊体膜光合蛋白复合体的积累显著增加，二氧化碳同化率和气孔导度显著高于野生型。

同时，研究还发现，表达玉米GLK基因的水稻植株在中午光照强度最强时仍能保持较高的气孔导度和光合效率，而野生型植株的光合效率在中午显著降低。研究人员通过不同的光处理实验证明，其原因是它通过散热耗散过多的光能，并抵抗光氧化损伤，从而降低光抑制程度，提高光化学效率。

周文斌说，研究结果证明，玉米GLK基因在水稻中的表达可以通过协同提高光合作用效率和光抑制耐性，实现大田条件下作物产量潜力的增加。揭示了玉米GLK基因提高作物光合作用效率和抗光抑制的生理机制，为协同提高作物光合作用效率和产量提供了理论依据和可行途径。同时，研究表明室内实验与田间研究存在差异，这反映了田间研究对光合作用的重要性。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s42003-020-0887-3