植物高光效研究進(jìn)展

肖 璞， 劉虎虎， 王 翀， 陳永忠， 田 云

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410128； 2. 國(guó)家油茶工程技術(shù)研究中心， 長(zhǎng)沙 410004)

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，培育對(duì)光能具有高效利用能力的植物品種，對(duì)于提升植物的生產(chǎn)水平將起到重要的作用。高光效植物是具有高光能利用效率的植物。在高等植物中，主要的光合碳同化途徑有3種：景天酸代謝途徑(CAM)、C3途徑和C4途徑。在一定條件下，理論上C3植物的光能轉(zhuǎn)化效率為4.6%，C4植物可達(dá)到6%，而實(shí)際上田間主要C3作物，例如稻麥品種的光能利用效率僅為1%左右[1-3]。因此，提高植物光能利用效率尚有巨大的潛力。

綠色植物在進(jìn)行光合作用時(shí)，首先通過(guò)捕光天線(xiàn)系統(tǒng)捕獲太陽(yáng)能，在光系統(tǒng)復(fù)合體的反應(yīng)中心將其轉(zhuǎn)化為電能，電子再進(jìn)一步在光合膜的各個(gè)蛋白復(fù)合體和電子傳遞體上進(jìn)行傳遞，將能量?jī)?chǔ)存在ATP和NAD(P)H中。最終，植物將光能以有機(jī)物的形式儲(chǔ)存。所以對(duì)于植物高光效的研究首先在于光合作用過(guò)程中光能的高效吸收、電子的快速傳遞與能量轉(zhuǎn)化，其次在于如何有效地減少光能的損失，再是提高碳同化效率等3個(gè)方面[4-5]。目前，研究人員分別圍繞這3個(gè)方面對(duì)植物高光效的影響開(kāi)展了大量研究，并取得了重要的成果。但是，整合這3個(gè)方面綜述其對(duì)植物高光效影響的報(bào)道少見(jiàn)。因此，本文主要綜述光合作用過(guò)程中3個(gè)方面對(duì)植物高光效的影響(圖1)，同時(shí)圍繞當(dāng)前研究存在的不足進(jìn)行討論，并對(duì)未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望，以期為提高作物產(chǎn)量提供理論支撐。

1 光能的高效吸收、快速傳遞與轉(zhuǎn)化

光合器官上光能的捕獲是光合作用的起始，是高光效的基礎(chǔ)。在植物葉綠體中，類(lèi)囊體上的蛋白復(fù)合體通過(guò)捕獲光能并驅(qū)使電子傳遞來(lái)完成光合作用的第一步。參與光合作用的4種主要蛋白復(fù)合體包括：光系統(tǒng)II(photosystem II，PSII)、細(xì)胞色素b6f(cytochromeb6f，Cytb6f)、光系統(tǒng)I (photosystem I，PSI)以及ATP合酶(ATP synthase，ATPase)[6]。一般狀態(tài)下，葉綠素含量的下降會(huì)影響葉片光捕獲能力，使電子傳遞效率下降，從而引起光反應(yīng)中對(duì)光能吸收的下降。然而，郭晶晶等在研究葉綠素含量降低的大豆時(shí)發(fā)現(xiàn)，幼葉時(shí)期的大豆具有較強(qiáng)的光捕獲能力；并且隨著葉綠素含量降低，光合電子向光呼吸傳遞的比例增大[7]。該研究表明植物體內(nèi)葉綠素含量降低會(huì)使得更多的光穿過(guò)頂層葉片，通過(guò)增加低層葉片的光合作用效率，有利于提高群體的光合作用；同時(shí)含量降低還有利于光合系統(tǒng)內(nèi)氮素的分配，提高光合氮素利用效率。此前，Kirst等研究也表明氮素在藍(lán)細(xì)菌光合作用系統(tǒng)中起到重要作用[8]。此外，利用更高效的光收集系統(tǒng)改造植物將是提高植物高光效的一條新途徑。現(xiàn)有作物光合作用利用波長(zhǎng)400～700 nm，還不及太陽(yáng)光譜一半。而研究發(fā)現(xiàn)光合作用的有效光可擴(kuò)大至750 nm，使可利用光子數(shù)量增加19%[9]。Ho等通過(guò)研究藍(lán)細(xì)菌(ChlorogloeopsisfritschiiPCC 9212)中編碼葉綠素f(Chl f )psbA4的功能，證實(shí)了Chl f具有擴(kuò)大遠(yuǎn)紅外光譜吸收的能力，這為提升植物光合效率潛能提供了新思路[10]。在葉綠素效率較低的區(qū)域引入吸收更好的光收集復(fù)合物，如藍(lán)細(xì)菌藻膽體組分或工程化的熒光蛋白也是一種可能[11-12]。

光能吸收之后，光合電子將通過(guò)PSII、PSI等光合膜復(fù)合物及一系列的電子傳遞體進(jìn)行傳遞。Pesaresi等通過(guò)在擬南芥中過(guò)表達(dá)質(zhì)體藍(lán)素或藻類(lèi)的細(xì)胞色素c6等電子傳遞體，發(fā)現(xiàn)植物的生物量顯著增加，這表明優(yōu)化與改造光合電子傳遞方式和速率可以增加光能利用效率[13]。此外，電子傳遞鏈所產(chǎn)生的ATP是固定CO2和為細(xì)胞提供能量以對(duì)抗非生物脅迫所必需的。每分子NADPH產(chǎn)生的ATP量在很大程度上取決于PSI周?chē)沫h(huán)式電子流與線(xiàn)式電子流的比例。然而，與循環(huán)電子流有關(guān)的復(fù)合體(PGR5 / PGRL1和NDH途徑)的分子細(xì)節(jié)和調(diào)節(jié)仍然缺乏了解[14]。因此，加強(qiáng)對(duì)其研究將有助于提高ATP的產(chǎn)量。另外ATP合成酶本身也是一個(gè)重要目標(biāo)。尤其，F(xiàn)o復(fù)合體c環(huán)中c亞基的數(shù)目決定了通過(guò)復(fù)合體遷移的每個(gè)H+所產(chǎn)生的ATP化學(xué)計(jì)量比[15]。由于不同植物ATP合成酶亞基組成數(shù)不同，通過(guò)重新設(shè)計(jì)ATP合成酶，可增加NADPH在電子傳遞中產(chǎn)生ATP的能力。尤其在持續(xù)照明的條件下，這是提高植物光合效率非常有效的策略之一。

2 減少光合作用中光能的損失

研究人員發(fā)現(xiàn)在植物體光合作用中，光抑制通過(guò)非光化學(xué)淬滅(Non-photochemical quenching，NPQ)損失的能量占到總固碳能量的7.5%～30%[16]。此外由于光呼吸的存在，導(dǎo)致C3作物的光合效率降低20%～50%[17]。因此，通過(guò)研究光抑制和光呼吸的機(jī)理來(lái)減少能量的損失，這對(duì)提高植物光能利用效率尤為重要。

光抑制的機(jī)理主要有兩個(gè)方面。一方面主要是熱耗散的能量流失，其中非光化學(xué)淬滅是熱耗散的一種主要形式。盡管在強(qiáng)光下，NPQ可用于保護(hù)植物本身，但是，當(dāng)強(qiáng)光轉(zhuǎn)變成弱光時(shí)，則會(huì)由于NPQ相對(duì)地處于高位狀態(tài)而造成能量流失。此前，研究表明促進(jìn)NPQ所需的葉黃素循環(huán)，能加快NPQ中能量依賴(lài)的熱耗散組分的形成速率，從而使得植物從耗散的產(chǎn)熱狀態(tài)快速恢復(fù)原狀態(tài)。而且，在田間試驗(yàn)中，植株葉片面積和株高均增加到20%以上[18]。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)表達(dá)調(diào)控開(kāi)關(guān)與優(yōu)化NPQ模塊成為提高作物光能利用效率和產(chǎn)量的一條有效途徑。另一方面是光合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的破壞。研究表明光抑制主要是在光合膜上產(chǎn)生的大量氧自由基對(duì)PSⅡ進(jìn)行損傷和破壞，具體表現(xiàn)為熒光量與電子傳遞活性均下降[19]。實(shí)際上，PSⅠ與PSⅡ均容易受到光抑制傷害。通過(guò)改善植物的冠層光能分配的方式，不僅可以減少上層光能分配過(guò)量和下層光能分配過(guò)少，還可以避免對(duì)光合結(jié)構(gòu)的破壞。如中科院上海植物生理生態(tài)研究所薛紅衛(wèi)研究員團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)適當(dāng)?shù)母淖兯~傾角可提高水稻光合效率[20]。此外，植物體本身為了應(yīng)對(duì)環(huán)境中的各種脅迫，進(jìn)化出一系列由蛋白因子組成的應(yīng)答機(jī)制，如水楊酸受體NPR1在植物中對(duì)低溫脅迫的應(yīng)答[21]。同樣，植物對(duì)強(qiáng)光脅迫也有應(yīng)答機(jī)制，這使得光系統(tǒng)可以快速修復(fù)[22]。因此，通過(guò)進(jìn)一步解析光合結(jié)構(gòu)破壞和修復(fù)機(jī)制，將為提高植物高光效的研究提供有利幫助。

光呼吸是植物在進(jìn)行光合作用時(shí)所產(chǎn)生的一個(gè)損耗能量的副反應(yīng)。但其在損耗能量的同時(shí)，還可以處理光合作用過(guò)程中所產(chǎn)生的毒性物質(zhì)。光呼吸只有在光照條件下才發(fā)生，其呼吸底物為乙醇酸。最近，研究人員運(yùn)用合成生物技術(shù)在煙草中成功構(gòu)建出新型的光呼吸途徑。這些新型代謝途徑比天然途徑更有效，在田間試驗(yàn)中可使煙草的生物量增加超過(guò)25%，使光能利用率提高17%。在重復(fù)試驗(yàn)中，通過(guò)利用RNAi抑制葉綠體中的乙醇酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白使得煙草的生物量提高了40% 以上。這項(xiàng)工作表明，田間條件下，在抑制乙醇酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的同時(shí)，將新型光呼吸途徑替代天然途徑，可以有效提高C3作物的產(chǎn)量[17]。由于光呼吸是植物所共有的代謝反應(yīng)，這為改造其他C3作物(如稻麥等)提供了理論與技術(shù)支撐。

3 提高碳同化效率

核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase/oxygenase，Rubisco)是碳同化過(guò)程中的關(guān)鍵酶，長(zhǎng)期以來(lái)一直是研究人員關(guān)注的主要目標(biāo)。C4植物具有比C3植物更高的碳同化效率，原因之一是C4植物所具有的CO2濃縮機(jī)理(CO2-concentrating mechanisms，CCMs)使得其鞘細(xì)胞內(nèi)含有較高濃度CO2含量。C4植物由于具有CCM，使得其Rubisco的羧化活性提高，又抑制了Rubisco的加氧能力，從而降低光呼吸，使其保持較高的碳同化效率[23]。所以，提高低光效C3植物碳同化效率關(guān)鍵在于以下兩點(diǎn)：

1)提高Rubisco的活性。研究人員通過(guò)基因工程手段希望獲得具有高CO2親和力或高催化活性的 Rubisco，然而效果并不明顯，主要是由于其轉(zhuǎn)換速率慢且對(duì)底物的親和力差[24]。此前，Lin等[25]研究發(fā)現(xiàn)部分藻類(lèi)生物中Rubisco具有高催化活性，并首次成功地將煙草中的Rubisco替換為藍(lán)藻的Rubisco酶。隨后實(shí)驗(yàn)成功地提升了Rubisco酶的表達(dá)量，然而經(jīng)過(guò)改造的煙草只能在具有高濃度CO2含量的條件下生長(zhǎng)[26]。Salesse-Smith等對(duì)玉米R(shí)ubisco進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)共表達(dá)RAF1和Rubisco亞基可提高其含量，同時(shí)還提高了碳同化效率。在該研究中，單獨(dú)過(guò)表達(dá)Rubisco的亞基(Rubisco-SS，LS)對(duì)其含量影響甚微，在與RAF1共同表達(dá)后，提高的Rubisco含量超過(guò)30%。這表明RAF1可能與植物 Rubisco的含量有著重要關(guān)聯(lián)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)UBI-LSSS-RAF1(過(guò)表達(dá)Rubisco-SS，LS和RAF1)轉(zhuǎn)基因植物在光飽和條件下，其增加了15% 的CO2同化量[27]。該研究為創(chuàng)建高催化活性的Rubisco酶的研究提供了新的思路。

4 研究存在的不足

1)植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，受自身及外界環(huán)境因素的影響，不同時(shí)期的生理機(jī)能、空間位置具有差別，使得其光合特性也存在差別。目前對(duì)于植物高光效的研究主要集中在特定條件下對(duì)植物進(jìn)行單一的研究，而對(duì)于植物不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期光合特性動(dòng)態(tài)的研究較少。2)缺少群體光合性能研究。植物群體光合性能受到多種因素的綜合影響，研究群體光合性能更能體現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)中植物的光合能力。目前的研究對(duì)植物個(gè)體光合特性比較多，而群體與個(gè)體之間對(duì)光能利用能力存在較大的差異。3)缺少“源-庫(kù)”關(guān)系的研究。植物高產(chǎn)的基礎(chǔ)是高光合效率，但高光合效率不一定高產(chǎn)。植物產(chǎn)量形成的本質(zhì)是源與庫(kù)相互作用的過(guò)程。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)植物產(chǎn)物形成機(jī)理的研究，通過(guò)調(diào)整產(chǎn)物成分的形成，減少有害物質(zhì)的含量，從而提高植物產(chǎn)品的品質(zhì)和綜合效益。

Rubisco：核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶；Pyrenoid CCM：衣藻蛋白核的CO2濃縮機(jī)制；Carboxysome：葉綠體羧酶體

圖1 提高植物光合效率的研究策略(根據(jù)文獻(xiàn)[20]修改)

Figure 1 Research strategies on improving the photosynthesis in plants (modified according to reference[20])

5 展望

開(kāi)展植物高光效研究在理論和實(shí)踐上具有重要意義，一直以來(lái)受到科研人員的關(guān)注。我國(guó)在植物光合作用機(jī)理研究方面已取得重要成果。在此之上，圍繞如何進(jìn)一步提高植物高光效，提出3點(diǎn)展望：1)隨著模式植物基因組研究的不斷深入，一些關(guān)鍵的光合基因不斷發(fā)現(xiàn)，鑒定這些基因的功能將為其他植物高光效研究提供更多有效的途徑，從分子層面進(jìn)行全基因組的關(guān)聯(lián)分析將會(huì)成為未來(lái)研究的重點(diǎn)。2)隨著合成生物技術(shù)的日漸發(fā)展，其對(duì)農(nóng)業(yè)、生物制造、資源環(huán)境以及生物制造等很多領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的影響。通過(guò)合成生物技術(shù)來(lái)提高植物光能利用效率將是未來(lái)的關(guān)鍵途徑之一[5]。3)近年來(lái)，科研人員對(duì)于植物根際微生物的研究取得了重要的成果，但對(duì)于具有豐富微生物多樣性的葉際生態(tài)系統(tǒng)研究報(bào)道有限。葉際的范疇包括葉、莖、花、果等，是一個(gè)富含微生物的生態(tài)環(huán)境，每克新鮮葉片表面包含約幾十萬(wàn)個(gè)細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)等微生物。這些葉際微生物對(duì)于現(xiàn)代植物產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)以及對(duì)保護(hù)、修復(fù)生態(tài)環(huán)境有顯著作用。研究這些葉際微生物并闡明相互關(guān)系及作用機(jī)理，將對(duì)提高植物產(chǎn)量具有重要的理論指導(dǎo)。未來(lái)，結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)分析、合成生物技術(shù)以及葉際微生物研究提供的策略與技術(shù)，將為進(jìn)一步提高植物高光效，解決糧食問(wèn)題提供強(qiáng)大的推動(dòng)力。