可提高大田作物光合效率簡(jiǎn)單有效的手段（2020.7.23 Plant Biotechnology Journal）

近日，巴基斯坦國(guó)家生物技術(shù)和基因工程研究所Shahid Mansoor教授在國(guó)際知名期刊《Trend in Plant Science》上發(fā)表了題為“Alternative Routes to Improving Photosynthesis in Field Crops”的綜述，文章主要闡述了非生物脅迫對(duì)大田作物光合能力的影響，并提供了兩種在非生物脅迫下提高作物的光合效率的策略。

面對(duì)世界范圍內(nèi)人口增長(zhǎng)過(guò)快、氣候變化、耕地面積減少等日益嚴(yán)重的問(wèn)題，如何提高作物單位面積產(chǎn)量成為解決世界糧食安全的關(guān)鍵。而非生物逆境嚴(yán)重影響了作物的光合作用，從而限制了作物單位面積產(chǎn)量的提高。其中，高溫脅迫對(duì)作物產(chǎn)量影響最大，據(jù)預(yù)測(cè)，全球平均氣溫每升高1℃，玉米、小麥、水稻和大豆這4種主要大田作物的平均產(chǎn)量將分別下降7.4%、6.4%、3.2%和3.1%。

植物在脅迫條件下固定CO2的能力受損，而吸收光線的能力沒(méi)有下降，過(guò)量吸收的能量會(huì)導(dǎo)致活性氧的產(chǎn)生，使得光系統(tǒng)II（PSII）受損傷，從而產(chǎn)生光抑制。目前研究普遍認(rèn)為D1蛋白是PSII反應(yīng)中心的核心蛋白之一，對(duì)光損傷高度敏感。植物自身存在的修復(fù)機(jī)制可以對(duì)受損的D1進(jìn)行修復(fù)，但是修復(fù)過(guò)程需要部分拆卸PSII復(fù)合物，去除和切割受損的D1，插入新合成的D1，進(jìn)而重組成為有功能的PSII。該過(guò)程需要合成大量的D1蛋白，D1蛋白合成需要首先在核內(nèi)由強(qiáng)啟動(dòng)子PpsbA驅(qū)動(dòng)psbA轉(zhuǎn)錄合成Pre-D1，隨后進(jìn)入葉綠體，原位合成大量的D1蛋白。有實(shí)驗(yàn)證明，在擬南芥中超表達(dá)psbA基因可以有效提高脅迫狀態(tài)下的光合效率，并且正常狀態(tài)下轉(zhuǎn)基因植株也表現(xiàn)出更高的CO2同化率。

RuBisCo是光合系統(tǒng)中另外一個(gè)高度敏感的組分，是C3反應(yīng)中重要的羧化酶。RuBisCo的羧化效率隨著溫度的升高而降低，這主要受RuBisCo激活酶（RCA）的影響。盡管RuBisCo可以在高溫時(shí)仍保持穩(wěn)定，但RCA活性隨著溫度超過(guò)植物生長(zhǎng)所需的物種特定溫度的最適值而下降。在擬南芥中表達(dá)耐熱型RCA能顯著提高光合效率、生物量和籽粒產(chǎn)量，通過(guò)CRISPR技術(shù)對(duì)RAC蛋白進(jìn)行定點(diǎn)改造，有望改善作物耐熱性。