光合作用可以提高产量并节约用水

埃塞克斯大学的一个科学家团队通过解决光合作用的两个瓶颈，使植物将二氧化碳固定在促进作物生长的糖类中，从而将作物的生产力提高了27％。Chidi Afamefule（左）持有未经修饰的对照植物，而Kenny Brown（中部）持有经过修饰的植物以解决一个瓶颈，Patricia Lopez-Calcagno（右）持有经过修饰的植物以解决两个瓶颈。

植物是从光和二氧化碳中获取收益的工厂，但是缺乏原材料和机械设备阻碍了这一复杂过程（称为光合作用）的一部分。为了优化生产，埃塞克斯大学的科学家解决了两个主要的光合作用瓶颈，根据《自然植物》上发表的一项新研究，该植物在现实田间条件下可将植物生产力提高27％。这是实现提高光合作用效率（RIPE）的研究项目的第三项突破；然而，这种光合作用的方法也可以节约用水。

艾塞克斯（Essex）博士后研究员帕特里夏·洛佩兹（Patricia Lopez-Calcagno）表示：“就像工厂生产线一样，工厂的运行速度仅与最慢的机器一样快。”“我们已经确定了一些较慢的步骤，而我们正在做的就是使这些工厂能够构建更多的机器，从而加快光合作用中这些较慢的步骤。”

RIPE项目是由伊利诺伊斯托大学（University of Illinoisto）领导的一项国际努力，旨在通过改善光合作用来开发更具生产力的作物。光合作用是一种自然的，由阳光驱动的过程，所有植物都利用这种过程将二氧化碳固定为糖类，从而为生长，发育和最终产量提供燃料。RIPE得到了Bill＆Melinda Gates基金会，美国粮食与农业研究基金会（FFAR）和英国政府国际发展部（DFID）的支持。

当供应，运输渠道和可靠的机械受到限制时，工厂的生产率就会下降。为了找出限制光合作用的因素，研究人员对这一过程的170个步骤进行了建模，以确定植物如何更有效地生产糖。

在这项研究中，研究小组通过解决两个限制因素将作物的生长提高了27％：一个在光合作用的第一部分，其中植物将光能转化为化学能，另一个在第二部分，其中二氧化碳被固定为糖。

在两个光系统内部，阳光被捕获并转化为化学能，可用于光合作用的其他过程。一种称为质体蓝蛋白的转运蛋白将电子转移到光系统中，以推动这一过程。但是质体蓝素对其在光系统中的受体蛋白具有很高的亲和力，因此它会四处徘徊，无法有效地来回穿梭电子。

该团队通过帮助质体蓝素通过添加细胞色素c6（一种在藻类中具有类似功能的更有效的转运蛋白）来分担负载来解决了第一个瓶颈。藻蓝蛋白需要铜，细胞色素需要铁才能发挥作用。根据这些营养素的可用性，藻类可以在这两种转运蛋白之间进行选择。

同时，该团队通过增加一种叫做SBPase的关键酶的量，借用了另一种植物和蓝细菌的额外细胞机制，改善了加尔文-本森循环中的光合作用瓶颈（其中二氧化碳被固定在糖中） 。

通过添加“细胞叉车”将电子传送到光系统和“细胞机械”中以进行加尔文循环，该团队还提高了农作物的水分利用效率，即植物产生的生物质与水分流失的比率。

“在我们的田间试验中，我们发现这些植物正在使用更少的水来生产更多的生物质，”埃塞克斯生命科学学院教授，​​首席研究员克里斯汀·雷恩斯说，她同时还是研究的副校长。“造成这种额外改进的机制尚不明确，但是我们将继续探索这一机制，以帮助我们了解其原因和工作方式。”

2016年在伊利诺伊大学能源农场进行的田间试验。

将这两项改进结合在一起，已证明可将温室中的农作物生产率提高52％。更重要的是，这项研究显示，在田间试验中，农作物的生长最多可增加27％，这是对任何农作物改良的真实考验-证明这些光合作用可以在现实世界的生长条件下提高农作物的产量。

RIPE负责人，美国卡尔·R·沃斯（Carl R. Woese）基因组生物学研究所的作物科学和植物生物学系主任艾肯伯里·恩肯贝（Ikenberry Endowed）大学的RIPE主任斯蒂芬·隆（Stephen Long）说：“这项研究提供了令人激动的机会，可以将三种已确认的独立方法结合起来，使作物生产率提高20％。”伊利诺伊州。“我们的模型表明，将这一突破与RIPE项目先前的两个发现相结合，可以使粮食作物的增产总计提高多达50％到60％。”

RIPE的第一个发现发表在《科学》杂志上，帮助植物适应了不断变化的光照条件，从而使产量提高了20％。该项目的第二个突破也发表在《科学》杂志上，为植物如何应对光合作用的故障创造了捷径，从而将生产力提高了20％到40％。

接下来，研究小组计划将这些发现从烟草中转化出来，烟草是木薯，cow豆，玉米等主食作物，烟草是本研究中用作遗传改良试验床的模型作物，因为它易于加工，生长和测试。 ，大豆和大米是本世纪我们不断增长的人口所需要的。RIPE项目及其发起者致力于确保全球访问，并向最需要他们的农民提供该项目的技术。

参考：Patricia E.López-Calcagno，Kenny L. Brown，Andrew J. Simkin，Stuart J. Fisk，Silver Vialet-Chabrand，Tracy Lawson和Christine A. Raines，“刺激光合作用提高了田间生产力和用水效率” ，2020年8月10日，自然植物。DOI：
10.1038 / s41477-020-0740-1