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应对全球变暖下粮食安全挑战 我国科学家独辟蹊径获突破性进展
2022-12-24

4月21日,研究组成员陈娟华在实验室工作。新华社记者 张建松 摄

新华社上海4月22日电(记者张建松)随着温室效应加剧,全球气候变暖造成的“高温胁迫”,对世界粮食安全造成严重威胁。利用先进的遗传工程手段,中科院分子植物科学卓越创新中心、植物分子遗传国家重点实验室郭房庆研究组,经过长达6年多的努力,在提高植物光合效率和产量方面取得突破性进展。

据郭房庆研究员介绍,植物细胞中的叶绿体是进行光合作用的场所,高强光条件或高温胁迫,通常会引起叶绿体中的活性氧累积,抑制光合作用过程。其主要原因是造成叶绿体内的光合复合体PSII关键蛋白D1的迅速降解,叶片光合机能下降,进而导致作物减产。

在高强光条件或高温胁迫下,如何提高叶绿体内的光合复合体PSII修复效率,进而增强植物的光合效率,提高生物量和产量,是长期困扰这一领域科学家的基础性科学问题和挑战性难题。

在以往研究中,科学家们大多致力于从叶绿体内寻求解决之道。在中国科学院先导项目、科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会等相关项目资助下,郭房庆带领陈娟华、陈思婷等研究组成员,突破思维定势、独辟蹊径。

他们利用先进的遗传工程手段,克隆并构建了一个全新的、由高温响应启动子驱动的“融合基因”,并整合拟南芥、烟草和水稻的基因组。经过遗传转化,在拟南芥、烟草和水稻三种植物中,成功创建了一条全新的、细胞核融合基因表达的D1蛋白合成途径。

“这就相当于建立了植物细胞D1蛋白合成的双途径机制。一个途径是天然的叶绿体途径,另一个用基因工程创建的细胞核途径。通过增加植物细胞核源D1合成途径,给植物补充D1,从而提高植物高温抗性和光合效率,提高生物量和产量。”郭房庆说。

研究表明,拥有“D1蛋白合成双途径”的拟南芥、烟草和水稻改良株系,在高温抗性、光合效率、二氧化碳同化速率、生物量等方面,相较于野生型均有大幅度增加,效果显著。科研团队分别在上海松江和海南三亚陵水育种基地,对水稻遗传工程改良株系的产量进行了多年验证,水稻增产幅度在8.1%-21.0%之间。

21日,国际权威学术期刊《自然·植物》刊发了相关研究论文。

编辑:阳

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