將光合作用的油門加大

常偉東

2014年我進(jìn)入中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院物理海洋學(xué)專業(yè)攻讀碩士學(xué)位并獲得碩博連讀資格攻讀博士學(xué)位，在我國(guó)海洋學(xué)家吳立新院士的指導(dǎo)下從事海洋中小尺度能量傳遞過(guò)程系統(tǒng)研究。

將光合作用的油門加大我的研究課題是植物光合作用中重要蛋白的分子功能機(jī)制。植物光合作用大家都不陌生，它是植物利用太陽(yáng)能將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化成有機(jī)物的生化反應(yīng)，通俗地講，就是植物將不能吃的東西（無(wú)機(jī)物）變成能吃的東西（有機(jī)物），供整個(gè)生物圈99.9%的生物吃飯。

既然地球上這么多植物進(jìn)行這個(gè)工作，我們研究它有什么意義？

光合作用這一生物學(xué)反應(yīng)正是糧食和能源的源泉，如何讓能量有更多的產(chǎn)出，正是我們研究的目標(biāo)。我們的工作就是修葺水源的源頭，讓更多的能量之水流向糧食和能源。

我們可以將光合作用這一反應(yīng)比作一個(gè)有多個(gè)機(jī)器的生產(chǎn)車間，每一臺(tái)機(jī)器生產(chǎn)一種或幾種物質(zhì)，然后交給下一臺(tái)機(jī)器，如此傳遞下去，最終生產(chǎn)出我們需要的產(chǎn)品。每一臺(tái)機(jī)器又有若干零件組成，這些零件來(lái)自于細(xì)胞核和葉綠體基因的指導(dǎo)合成，然后運(yùn)送到生產(chǎn)車間，組裝成一臺(tái)臺(tái)機(jī)器進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)。生產(chǎn)多少零件？組裝多少機(jī)器？機(jī)器生產(chǎn)多少中間產(chǎn)品再交給下一臺(tái)機(jī)器？這些問(wèn)題由其他的調(diào)控因子和組裝因子完成（類似于生產(chǎn)車間的電腦控制系統(tǒng)）。

我們的研究就是對(duì)這些零件和控制系統(tǒng)進(jìn)行解剖，拆卸，分析其功能，然后利用分子生物學(xué)技術(shù)改造并優(yōu)化，生產(chǎn)更多的糧食和能源。對(duì)于化學(xué)家來(lái)說(shuō)，他們可以借助我們解剖的光合反應(yīng)流程模擬高效的催化劑，利用太陽(yáng)能催化水和空氣中的溫室氣體二氧化碳生成能源物質(zhì);對(duì)于物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，可以利用生物分子間的空間構(gòu)型優(yōu)化機(jī)器結(jié)構(gòu)。

我們課題組主要集中在光合作用組裝因子和一些重要蛋白功能的探索上，也就是生產(chǎn)車間的第一臺(tái)機(jī)器以及它的調(diào)控和組裝因子。這臺(tái)機(jī)器可以說(shuō)是光合作用的動(dòng)力系統(tǒng)，一旦停止，整個(gè)光合作用就停止工作。

在研究中，我們利用基因編輯技術(shù)拆掉了其中一個(gè)零件之后（破環(huán)掉一個(gè)組裝因子基因），接收光能的天線牢牢地固定在機(jī)器上，源源不斷地為機(jī)器提供太陽(yáng)能，相當(dāng)于把動(dòng)力系統(tǒng)的油門加大了，我們需要的終產(chǎn)物增加了，也就是能源和糧食的產(chǎn)出更多了。目前我們正對(duì)于這一生物學(xué)事件的具體過(guò)程進(jìn)行研究，可以說(shuō)是前景一片光明。

研究植物光合系統(tǒng)中重要蛋白功能機(jī)制意義重大，就像機(jī)器的零件，它的原理是什么，如何改造更有利于機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，這是我們做光合的科研人一直追求的目標(biāo)。2019年2月，《自然》雜志公布了一篇關(guān)于光合作用方面的文章，通過(guò)改變植物的光呼吸從而增加植物整體生物量的積累，積累量比未改造株系多出41%。他們的研究?jī)?nèi)容與我們的研究同屬于一個(gè)領(lǐng)域，說(shuō)明我們?cè)诠夂献饔谩傲悴考钡难芯恐惺怯杏玫?。這只是在部分領(lǐng)域取得的階段性成果，對(duì)于光合機(jī)器的認(rèn)識(shí)之路依然有漫長(zhǎng)的路要走。

責(zé)任編輯：徐玲玲