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， 長沙 410128； 2. 國家油茶工程技術(shù)研究中心， 長沙 410004)

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，培育對光能具有高效利用能力的植物品種，對于提升植物的生產(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植物可達到6%，而實際上田間主要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。

綠色植物在進行光合作用時，首先通過捕光天線系統(tǒng)捕獲太陽能，在光系統(tǒng)復(fù)合體的反應(yīng)中心將其轉(zhuǎn)化為電能，電子再進一步在光合膜的各個蛋白復(fù)合體和電子傳遞體上進行傳遞，將能量儲存在ATP和NAD(P)H中。最終，植物將光能以有機物的形式儲存。所以對于植物高光效的研究首先在于光合作用過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個方面[4-5]。目前，研究人員分別圍繞這3個方面對植物高光效的影響開展了大量研究，并取得了重要的成果。但是，整合這3個方面綜述其對植物高光效影響的報道少見。因此，本文主要綜述光合作用過程中3個方面對植物高光效的影響(圖1)，同時圍繞當(dāng)前研究存在的不足進行討論，并對未來發(fā)展進行展望，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，類囊體上的蛋白復(fù)合體通過捕獲光能并驅(qū)使電子傳遞來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發(fā)現(xiàn)，幼葉時期的大豆具有較強的光捕獲能力；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)葉綠素含量降低會使得更多的光穿過頂層葉片，通過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細菌光合作用系統(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400～700 nm，還不及太陽光譜一半。而研究發(fā)現(xiàn)光合作用的有效光可擴大至750 nm，使可利用光子數(shù)量增加19%[9]。Ho等通過研究藍細菌(ChlorogloeopsisfritschiiPCC 9212)中編碼葉綠素f(Chl f )psbA4的功能，證實了Chl f具有擴大遠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，如藍細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PSII、PSI等光合膜復(fù)合物及一系列的電子傳遞體進行傳遞。Pesaresi等通過在擬南芥中過表達質(zhì)體藍素或藻類的細胞色素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和為細胞提供能量以對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周圍的環(huán)式電子流與線式電子流的比例。然而，與循環(huán)電子流有關(guān)的復(fù)合體(PGR5 / PGRL1和NDH途徑)的分子細節(jié)和調(diào)節(jié)仍然缺乏了解[14]。因此，加強對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)目決定了通過復(fù)合體遷移的每個H+所產(chǎn)生的ATP化學(xué)計量比[15]。由于不同植物ATP合成酶亞基組成數(shù)不同，通過重新設(shè)計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，通過研究光抑制和光呼吸的機理來減少能量的損失，這對提高植物光能利用效率尤為重要。

光抑制的機理主要有兩個方面。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。盡管在強光下，NPQ可用于保護植物本身，但是，當(dāng)強光轉(zhuǎn)變成弱光時，則會由于NPQ相對地處于高位狀態(tài)而造成能量流失。此前，研究表明促進NPQ所需的葉黃素循環(huán)，能加快NPQ中能量依賴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，在田間試驗中，植株葉片面積和株高均增加到20%以上[18]。因此，通過設(shè)計表達調(diào)控開關(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PSⅡ進行損傷和破壞，具體表現(xiàn)為熒光量與電子傳遞活性均下降[19]。實際上，PSⅠ與PSⅡ均容易受到光抑制傷害。通過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量和下層光能分配過少，還可以避免對光合結(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)研究員團隊發(fā)現(xiàn)，通過適當(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)對環(huán)境中的各種脅迫，進化出一系列由蛋白因子組成的應(yīng)答機制，如水楊酸受體NPR1在植物中對低溫脅迫的應(yīng)答[21]。同樣，植物對強光脅迫也有應(yīng)答機制，這使得光系統(tǒng)可以快速修復(fù)[22]。因此，通過進一步解析光合結(jié)構(gòu)破壞和修復(fù)機制，將為提高植物高光效的研究提供有利幫助。

光呼吸是植物在進行光合作用時所產(chǎn)生的一個損耗能量的副反應(yīng)。但其在損耗能量的同時，還可以處理光合作用過程中所產(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，在田間試驗中可使煙草的生物量增加超過25%，使光能利用率提高17%。在重復(fù)試驗中，通過利用RNAi抑制葉綠體中的乙醇酸轉(zhuǎn)運蛋白使得煙草的生物量提高了40% 以上。這項工作表明，田間條件下，在抑制乙醇酸轉(zhuǎn)運蛋白的同時，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)是碳同化過程中的關(guān)鍵酶，長期以來一直是研究人員關(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濃縮機理(CO2-concentrating mechanisms，CCMs)使得其鞘細胞內(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：

1)提高Rubisco的活性。研究人員通過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)換速率慢且對底物的親和力差[24]。此前，Lin等[25]研究發(fā)現(xiàn)部分藻類生物中Rubisco具有高催化活性，并首次成功地將煙草中的Rubisco替換為藍藻的Rubisco酶。隨后實驗成功地提升了Rubisco酶的表達量，然而經(jīng)過改造的煙草只能在具有高濃度CO2含量的條件下生長[26]。Salesse-Smith等對玉米Rubisco進行研究時發(fā)現(xiàn)，通過共表達RAF1和Rubisco亞基可提高其含量，同時還提高了碳同化效率。在該研究中，單獨過表達Rubisco的亞基(Rubisco-SS，LS)對其含量影響甚微，在與RAF1共同表達后，提高的Rubisco含量超過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(過表達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)植物在生長發(fā)育過程中，受自身及外界環(huán)境因素的影響，不同時期的生理機能、空間位置具有差別，使得其光合特性也存在差別。目前對于植物高光效的研究主要集中在特定條件下對植物進行單一的研究，而對于植物不同生長發(fā)育時期光合特性動態(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)實際生產(chǎn)中植物的光合能力。目前的研究對植物個體光合特性比較多，而群體與個體之間對光能利用能力存在較大的差異。3)缺少“源-庫”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)是源與庫相互作用的過程。應(yīng)進一步加強對植物產(chǎn)物形成機理的研究，通過調(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[20]修改)

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

5 展望

開展植物高光效研究在理論和實踐上具有重要意義，一直以來受到科研人員的關(guān)注。我國在植物光合作用機理研究方面已取得重要成果。在此之上，圍繞如何進一步提高植物高光效，提出3點展望：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，從分子層面進行全基因組的關(guān)聯(lián)分析將會成為未來研究的重點。2)隨著合成生物技術(shù)的日漸發(fā)展，其對農(nóng)業(yè)、生物制造、資源環(huán)境以及生物制造等很多領(lǐng)域具有深遠的影響。通過合成生物技術(shù)來提高植物光能利用效率將是未來的關(guān)鍵途徑之一[5]。3)近年來，科研人員對于植物根際微生物的研究取得了重要的成果，但對于具有豐富微生物多樣性的葉際生態(tài)系統(tǒng)研究報道有限。葉際的范疇包括葉、莖、花、果等，是一個富含微生物的生態(tài)環(huán)境，每克新鮮葉片表面包含約幾十萬個細菌、真菌、藻類等微生物。這些葉際微生物對于現(xiàn)代植物產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)以及對保護、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)系及作用機理，將對提高植物產(chǎn)量具有重要的理論指導(dǎo)。未來，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)，將為進一步提高植物高光效，解決糧食問題提供強大的推動力。