提高光合作用效率的新思路:让植物更快“摘掉墨镜”

摘要

要想用有限的耕地养活不断增长的人口,我们必须不断提高农作物的产量。从传统的杂交育种到方兴未艾的转基因技术,农业科技不断为我们带来更加高产的作物,然而要想进一步提高农作物的产量,我们必须从根本上提高植物光合作用的效率,这是相当具有挑战性的一项任务。一项新的研究为解决这一问题提供了独特的思路:调整植物的防晒机能。

题图

要想用有限的耕地养活不断增长的人口,我们必须不断提高农作物的产量。从传统的杂交育种到方兴未艾的转基因技术,农业科技不断为我们带来更加高产的作物,然而要想进一步提高农作物的产量,我们必须从根本上提高植物光合作用的效率,这是相当具有挑战性的一项任务。一项新的研究为解决这一问题提供了独特的思路:调整植物的防晒机能。

绿色植物虽然需要利用光能来进行光合作用,但当光照过强时,它们同样有可能受到伤害。为了避免这种情况的发生,植物会启动一种名为非光化学淬灭 (nonphotochemical quenching , 简称NPQ) 的机制。这种机制会使得植物吸收的光能不再被用于光合作用,而是直接转化为热能浪费掉,从而避免植物遭到日照的伤害。当光照强度恢复正常时,非光化学淬灭又会被关闭,植物重新回到正常的光合作用。然而非光化学淬灭的关闭具有一定的滞后性,从而降低光合作用的效率。这就好比在强光下开车时戴上墨镜能够让阳光不会特别耀眼,既保护眼睛也有利于行车安全。但当汽车驶入昏暗的隧道中后,如果不能及时摘掉墨镜,反而会让视线变差,不利于安全驾驶。有研究人员估计,非光化学淬灭的滞后性可以导致植物光合作用的效率降低约30%,是相当可观的损失。

来自美国的研究人员决心从这个角度入手提高植物的光合作用效率。他们发现,如果向烟草中转入某些特定的基因,这些基因表达后合成的蛋白质能够加快非光化学淬灭的关闭。田间试验表明,经过22天的生长,这种转基因烟草的干重比对照组增加了14-20%,植株叶片面积和高度也较之对照组有明显增加。这些结果表明,加快非光化学淬灭的关闭确实有助于提高植物光合作用效率。研究结果发表在11月18日出版的《科学》杂志,并且登上了杂志的封面,可见这项研究的重要性。

目前研究人员尚不清楚这种方法在增加光合作用效率的同时是否对植物抗病虫害的能力有无负面影响,这种手段是否能提高其他作物,特别是主粮作物的产量也还有待进一步验证。尽管如此,这项研究仍然令人振奋,因为它为提高植物光合作用效率提供了新的方向。

报道:http://www.sciencemag.org/news/2016/11/how-turning-plants-sunshield-can-grow-bigger-crops

论文:http://science.sciencemag.org/content/354/6314/857

(文/魏昕宇)

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