中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員郭房慶團隊在提高植物光合效率和產量方面取得進展，讓「光合作用」不再被「高溫」困擾，為應對溫室效應導致全球氣候變暖條件下的糧食安全生產挑戰，提供了解決方案。相關成果4月21日在線發表於《自然—植物》。
溫度是影響植物生長周期和地理分布的主要因素之一。陽光充足（高光強）或高溫脅迫通常會抑制光合作用，進而導致作物嚴重減產。 因此，全球氣候變暖對世界糧食安全造成嚴重威脅。
植物細胞中的葉綠體是進行光合作用的場所，陽光充足（高光強）或高溫脅迫通常會引起葉綠體中活性氧累積，抑制光合作用過程。其主要原因是造成「棲息」在葉綠體類囊體膜上光合複合體PSII關鍵蛋白D1的迅速降解，葉片光合機能下降，進而導致作物嚴重減產。
D1作為植物進行光合作用重要複合體PSII的核心蛋白，對於高溫脅迫最為敏感，是PSII複合體內最容易受損和更新最快的蛋白。一旦PSII受到高溫傷害，在修復過程中，損傷的D1蛋白被新合成的D1所取代。葉綠體作為半自主性的細胞器，具有自己的基因組，編碼D1蛋白的葉綠體基因為psbA。而在光合作用進行過程中，葉綠體中累積的活性氧會顯著抑制D1蛋白的翻譯過程，進而導致PSII複合體的修復效率降低，這種情況在高溫脅迫條件下尤為嚴重。因此，如何提高強光條件下或高溫脅迫下PSII的修復效率，進而增強植物的光合效率、生物量和產量，是長期困擾這一領域科學家的難題。
研究團隊認為D1可能是PSII這個「木桶」中最短的「板」，補充D1很可能是提高植物光合效率的關鍵點。研究人員將克隆的擬南芥葉綠體基因psbA整合到核基因組中，並由強力響應高溫脅迫的啟動子驅動表達。
研究人員表示，將這一全新構建的融合基因整合進擬南芥、菸草和水稻基因組，相當於將它們天然具有的葉綠體基因psbA成功「拷貝」到核基因組並同時獲得響應高溫脅迫啟動表達的特性。
研究表明，每種植物三個改良株系均生長旺盛，高溫抗性、光合效率、二氧化碳同化速率、生物量方面相較於野生型均有大幅度增加，效果顯著。研究同時證實了植物在正常生長和高溫脅迫下對於D1的需求是高水平的，天然的葉綠體D1合成途徑滿足不了植物快速生長和抵抗高溫脅迫對於新合成D1蛋白的需求。
在該項成果中，研究人員通過遺傳工程手段在擬南芥、菸草和水稻中創建了一條全新且由高溫響應啟動子驅動的細胞核融合基因表達的D1蛋白合成途徑，建立了植物細胞D1蛋白合成的「雙途徑」機制（天然的葉綠體途徑和創建的核途徑）。增加細胞核源D1合成途徑，顯著增強植物的高溫抗性、光合作用效率、二氧化碳同化速率、生物量和產量。
專家認為，就「為植物細胞增加一條全新的D1合成途徑並顯著提高光能利用效率」而言，這一原始創新性的發現具有重要的理論意義和應用價值，尤其在提高植物光能利用效率方面，是一個重要突破性進展。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-020-0629-z