光合作用是地球上最重要的化學反應，是人類食物和能源的主要來源，也是農作物產量形成的基礎。在國家重點基礎研究計劃資助下，作為973項目首席科學家，中科院植物所研究員張立新研究員集聚八家單位開展了「光合作用分子機制與作物高光效品種選育」工作。張立新向科技日報記者表示，對光合作用分子機理進行研究，目的在於挖掘作物光能利用潛力，為農作物高光效遺傳改良及育種實踐提供理論指導和技術途徑。
通過五年的合作攻關，該研發團隊在《自然》《科學》等國際頂級專業雜誌先後發表4篇研究文章，最近又在光合作用高光效基礎理論研究方面取得了突破進展。
挖掘光合生物的基因資源
張立新說：「經過38億年的進化，不同的光合生物在適應環境變化過程中，進化出了非常豐富的基因資源和代謝途徑，這是一個奇妙的過程，蘊含著豐富的寶藏；充分探索光合作用的奧秘，挖掘豐富的基因資源，對於理解光合作用原理並應用於生產實踐有著重大的意義。」
利用晶體結構解析以及冷凍電鏡技術，研究團隊通過對最原始的光合生物藍藻、紅藻、硅藻到高等植物的光合膜超分子複合物精細結構解析，探索光合作用體系高效吸能、傳能的分子機理。
他們發現了藍細菌中獨特的四聚體PSI複合物的結構，揭示了PSI寡聚化在環式電子傳遞和類囊體膜重排過程中光系統I複合物的重要功能；揭示了葉綠素C和巖藻黃素捕獲藍綠光並高效傳遞能量的結構基礎，為進一步揭示光合作用光反應拓展捕光截面和高效捕獲傳遞光能機理，以及硅藻超強的光保護機制提供了堅實的結構依據。
研究團隊還從原子水平揭示了高等植物光系統I-捕光天線（PSI-LHCI）各組分的精細分布，發現LHCI全新的色素網絡系統和LHCI紅葉綠素的結構，明確提出LHCI向核心能量傳遞可能的4條途徑。
葉綠體的正常發育和功能維持是光合作用高效光能轉化和利用的必需條件。他們首次篩選出調控葉綠體發育的RNA分子伴侶蛋白BSF，揭示其對葉綠體mRNA穩定性和翻譯活性的調控作用；發現參與PSI組裝調控的新關鍵因子Pyg7，並解析了Pyg7參與PSI複合物組裝調控的分子機理。
這些成果為揭示光合作用高效吸能、傳能和轉能的機理奠定了堅實的結構基礎。張立新說，這些基因資源的挖掘有助於深入了解植物葉綠體的生物發生機理，以及葉綠體響應外界環境變化維持高光效機理。
導入高光效基因實現精準分子育種
水稻為C3（碳三）植物，而玉米高粱等作物為C4（碳四）植物。C4植物葉片具有花環狀結構，其光能轉化效率高於C3植物。所以一直以來，研究C4植物高光效機理，挖掘其基因背景，用於提高水稻產量一直是水稻育種的一個重要方向。
項目組開展了大規模水稻C4解剖學結構突變體篩選，以及葉脈密度變化突變體規模化篩選，獲得了一批光合效率高、葉脈密度相關的水稻突變體材料，鑑定了控制葉脈密度性狀基因TWI1，揭示了其調控水稻葉脈發生與發育的機制。
在基礎理論研究的基礎上，研究團隊加強機理與應用相結合，著力於將光合作用基礎研究成果應用到稻麥等主要農作物精準分子育種實踐中。
他們建立了水稻高光效篩選平臺、挖掘出高光效最優等位變異，將高光效位點導入到目前的水稻主栽品種中育成高光效新品種4份，光合作用效率平均提高10%以上，具有高產、米質優、抗逆性強等優良農藝性狀。
同時，研究團隊通過定向改良，在小麥優良農藝性狀選擇的基礎上，結合早代光合速率測定，選擇高光合速率單株以及高代群體光合測定進而培育高產品種的育種策略，培育出小偃108等高光效小麥新品系；育成了花後「源」功能顯著改良的鄭麥7698等，並榮獲了2018年國家科技進步二等獎。
張立新表示，隨著遺傳學、分子生物學、基因組學、蛋白組學和代謝組學等相關技術在光合作用研究領域的運用，光合作用的許多生理生化過程已經從分子水平得到揭示，正孕育著一系列重大突破。提高作物光合作用效率在保障糧食安全，促進農業可持續發展上具有巨大應用前景。 （記者 劉志偉）