东京生科院揭穿低光下光能利用成效是决定大麦生物量的最首要因子

提高冠层光能利用效率是进一步大幅度提高作物产量的重要途径。然而,由于光合作用涉及的能量转化、传递及CO2固定相关的碳代谢过程极度复杂,而且冠层内部光、温环境具有高度时空异质性,鉴定提高冠层光能利用效率的分子改造途径是当前光合作用研究的重要难题。

7月25日,中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所朱新广研究组在《植物生理学》(Plant
Physiology
)在线发表了关于水稻生物产量与叶片光合参数之间关系的论文,题为Leaf
photosynthetic parameters related to biomass accumulation in a global
rice diversity
survey
。该项研究成果利用215份水稻自然群体,通过特征选择策略和基因组遗传力评估,证明了水稻低光的光合利用效率具有高度遗传特性,并与水稻生物量密切相关。

中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所朱新广研究组建立了能有效整合光合作用分子过程、叶片乃至三维株型特征的冠层光合模型,为定量研究冠层光合效率提供了重要理论工具。利用该系统模型,研究发现降低光合作用光系统I和光系统II的天线大小,有利于提高叶片光化学反应效率,降低热耗散,提高叶片及冠层光合利用效率,进而有利于提高作物生物量及产量潜力。自然界中植物光合系统保存较大光合天线有利于植物叶片保存较多氮元素,同时遮荫周边植物,进而提高其在自然界的竞争能力。

改善冠层光合效率是提高作物产量的重要途径。冠层光合效率由三方面决定,包括叶面积指数、冠层形态结构和叶片光合特征。传统作物育种通过改变冠层株型,例如培育半矮秆水稻品种、直立株型和提高叶面积指数等手段来提高冠层光合效率;然而对光合效率本身的改良较少。

该研究由朱新广研究组博士宋青峰主导完成;文章The impact of modifying
photosystem antenna size on canopy photosynthetic efficiency-Development
of a new canopy photosynthesis model scaling from metabolism to canopy
level processes
近日发表于《植物、细胞与环境》(Plant, Cell &
Environment
)。该研究得到中科院、科技部、盖茨基金会、自然基金委及杂交水稻国家重点实验室资助。

该研究利用基因组遗传力(SNP-based
Heritability)结合2.3M全基因组覆盖的SNP变异信息,证明低光光合效率具有高度遗传性;进一步为量化低光光合效率与生物量的关系,该研究结合线性回归模型和逐步特征选择(Feature
selection)方法,发现Alow在不同地点和组合的数据集中均表现出与生物量有高度相关性。同时,在11个当代商业化水稻品种中,Alow表现出很大变异,说明在人工驯化过程中,Alow未受到强烈选择。该项研究首次揭示了叶片低光光合效率与生物产量的关系,为未来提高水稻产量提供了全新改造靶标。

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该文章第一作者为曲明南;项目得到中科院、科技部、盖茨基金会、上海市自然基金委等经费支持。

图注说明:多尺度冠层光合作用模型包括植物三维株型、冠层内部光线分布、每个叶片内部的光合作用代谢过程。利用该模型研究发现降低光合作用反应中心周边的天线单位数目(即去除灰绿色天线单位,只留下深绿天线单位),可有效增加光合作用光化学反应,降低热耗散,提高叶片及冠层光能利用效率,进而有利于提高作物生物量及产量潜力。

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图注说明:叶片光合参数与生物产量在不同地点的Pearson相关性;特征选择鉴别解释生物量变异的关键光合参数;低光光合利用率Alow在204份水稻自然群体和11个当代商业品种中的自然变异。