让农作物“吃”下更多阳光 科学家找到光合作用关键基因

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  光相互媒体合作用是地球上最重要的化学反应,是人类食物和能源的主要来源,也是农作物产量形成的基础。在国家重点基础研究计划资助下,作为973项目首席科学家,中科院植物所研究员张立新研究员集聚八家单位开展了“光相互媒体合作用分子机制与作物高光效品种选育”工作。张立新向科技日报记者表示,对光相互媒体合作用分子机理进行研究,目的在于挖掘作物光能利用潜力,为农作物高光效遗传改良及育种实践提供理论指导和技术途径。

  通过五年的相互媒体合作攻关,该研发团队在《自然》《科学》等国际顶级专业杂志先后发表4篇研究文章,最近又在光相互媒体合作用高光效基础理论研究方面取得了突破进展。

  挖掘光合生物的基因资源

  张立新说:“经过38亿年的进化,不同的光合生物在适应环境变化过程中,进化出了非常雄厚的基因资源和代谢途径,这是有有一个奇妙的过程,中有 着雄厚的宝藏;充分探索光相互媒体合作用的奥秘,挖掘雄厚的基因资源,对于理解光相互媒体合作用原理并应用于生产实践有着重大的意义。”

  利用晶体底部形态解析以及冷冻电镜技术,研究团队通过对最原始的光合生物蓝藻、红藻、硅藻到高等植物的光合膜超分子复合物精细底部形态解析,探索光相互媒体合作用体系高效吸能、传能的分子机理。

  亲戚亲戚亲们发现了蓝细菌中独特的四聚体PSI复合物的底部形态,揭示了PSI寡聚化在环式电子传递和类囊体膜重排过程中光系统I复合物的重要功能;揭示了叶绿素C和岩藻黄素捕获蓝绿光并高效传递能量的底部形态基础,为进一步揭示光相互媒体合作用光反应拓展捕光截面和高效捕获传递光能机理,以及硅藻超强的光保护机制提供了坚实的底部形态依据。

  研究团队还从原子水平揭示了高等植物光系统I-捕光天线(PSI-LHCI)各组分的精细分布,发现LHCI全新的色素网络系统和LHCI红叶绿素的底部形态,明确提出LHCI向核心能量传递肯能的4条途径。

  叶绿体的正常发育和功能维持是光相互媒体合作用高效光能转化和利用的必需条件。亲戚亲戚亲们首次筛选出调控叶绿体发育的RNA分子伴侣蛋白BSF,揭示其对叶绿体mRNA稳定性和翻译活性的调控作用;发现参与PSI组装调控的新关键因子Pyg7,并解析了Pyg7参与PSI复合物组装调控的分子机理。

  那些成果为揭示光相互媒体合作用高效吸能、传能和转能的机理奠定了坚实的底部形态基础。张立新说,那些基因资源的挖掘促使深入了解植物叶绿体的生物趋于稳定机理,以及叶绿体响应外界环境变化维持高光效机理。

  导入高光效基因实现精准分子育种

  水稻为C3(碳三)植物,而玉米高粱等作物为C4(碳四)植物。C4植物叶片具有花环状底部形态,其光能转化波特率高于C3植物。一点一点经常以来,研究C4植物高光效机理,挖掘其基因背景,用于提高水稻产量经常是水稻育种的有有一个重要方向。

  项目组开展了大规模水稻C4解剖学底部形态突变体筛选,以及叶脉密度变化突变体规模化筛选,获得了一批光合波特率高、叶脉密度相关的水稻突变体材料,鉴定了控制叶脉密度性状基因TWI1,揭示了其调控水稻叶脉趋于稳定与发育的机制。

  在基础理论研究的基础上,研究团队加强机理与应用相结合,着力于将光相互媒体合作用基础研究成果应用到稻麦等主要农作物精准分子育种实践中。

  亲戚亲戚亲们建立了水稻高光效筛选平台、挖开高光效最优等位变异,将高光效位点导入到目前的水稻主栽品种中育成高光效新品种4份,光相互媒体合作用波特率平均提高10%以上,具有高产、米质优、抗逆性强等优良农艺性状。

  一并,研究团队通过定向改良,在小麦优良农艺性状选泽的基础上,结合早代光合波特率测定,选泽高光合波特率单株以及高代群体光合测定进而培育高产品种的育种策略,培育出小偃108等高光效小麦新品系;育成了花后“源”功能显著改良的郑麦7698等,并荣获了2018年国家科技进步二等奖。

  张立新表示,随着遗传学、分子生物学、基因组学、蛋白组学和代谢组学等相关技术在光相互媒体合作用研究领域的运用,光相互媒体合作用的一点生理生化过程肯能从分子水平得到揭示,正孕育着一系列重大突破。提高作物光相互媒体合作用波特率在保障粮食安全,促使农业可持续发展上具有巨大应用前景。(刘志伟)

[ 责编:张佳兴 ]

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