讓光合作用全力運(yùn)轉(zhuǎn)

編譯 湯恒巖

光合作用是綠色植物利用光能，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為富能有機(jī)物，同時釋放氧氣的過程。光合作用包含100 多個步驟，效率低得驚人，科學(xué)家多年來一直在努力改進(jìn)光合作用。最近，科學(xué)家首次修改了大豆植株的基因，以期提高其光合作用效率，使大豆增產(chǎn)。

植物反應(yīng)慢，人類吃不飽

聯(lián)合國最新報告指出，2021 年全世界近10%的人仍過著忍饑挨餓的生活。聯(lián)合國兒童基金會預(yù)計，到2030 年，將有超過6.6 億人面臨糧食短缺和營養(yǎng)不良問題。造成這種情況的兩個主要原因是：低效的糧食生產(chǎn)方式和氣候變化帶來的惡劣生長條件。

在云朵遮蔽等弱光照條件下，葉黃素循環(huán)方向的逆轉(zhuǎn)往往需要數(shù)分鐘才能完成

植物光合作用的進(jìn)行離不開光能，但是在全光照條件下，沒有任何一種植物能夠完全利用其吸收的所有光能。過量的光照反而會對植物造成潛在的危害，因?yàn)閺?qiáng)光會抑制光合作用，降低光合作用的效率和最大光合速率（稱為光抑制），嚴(yán)重時還會破壞光合作用相關(guān)結(jié)構(gòu)。

事實(shí)上，植物在進(jìn)化過程中已形成多種光保護(hù)機(jī)制，其中依賴于葉黃素循環(huán)的熱耗散作用在近年來受到普遍關(guān)注。它在耗散多余能量中起重要作用，被認(rèn)為是光保護(hù)的主要途徑。

葉黃素循環(huán)主要涉及三種組分：紫黃質(zhì)（V）、花藥黃質(zhì)（A）和玉米黃質(zhì)（Z）。高等植物在強(qiáng)光照條件下，V 先轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物A，再形成Z。其中，Z 可以直接淬滅葉綠素的光活性狀態(tài)，讓植物吸收的過剩光能以熱能的形式流失。當(dāng)太陽下山后或者天空有云朵遮住太陽時，葉黃素循環(huán)就需要逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化方向，即：Z 經(jīng)A 最終轉(zhuǎn)化回V，以降低Z 的含量，讓葉子可以在較弱的光照強(qiáng)度下繼續(xù)進(jìn)行充分的光合作用。然而，葉黃素循環(huán)方向的逆轉(zhuǎn)往往需要數(shù)分鐘才能完成，這浪費(fèi)了植物原本可以用來進(jìn)行光合作用的寶貴時間。

提高植物的工作效率

在眾多與光合作用有關(guān)的基因中，有三個基因（合稱VPZ）是影響光保護(hù)機(jī)制切換速度的關(guān)鍵。

2016 年的一項(xiàng)研究表明，在煙草（因?yàn)楦淖儫煵莸幕蚝苋菀祝覇我恢参锟梢援a(chǎn)生大量的種子）中上調(diào)VPZ 基因的表達(dá)強(qiáng)度（讓VPZ 過表達(dá)）可以加速Z 向V 的轉(zhuǎn)化過程，從而提高其光合作用效率，并最終提高煙草的生物量（某一時刻單位面積內(nèi)含有的有機(jī)物質(zhì)總量）。然而，這幾年間，學(xué)界對VPZ 的作用一直有爭議，部分研究者認(rèn)為，VPZ 引起的積極作用可能與激素含量變化有關(guān)，并且這種增產(chǎn)效應(yīng)可能會受到植物種類的限制，難以應(yīng)用在糧食生產(chǎn)中。

為解決上述爭議，科學(xué)家進(jìn)一步以全球第四大糧食作物——大豆為研究對象，開展田間試驗(yàn)，探索了VPZ 對光合作用及作物產(chǎn)量的影響。他們發(fā)現(xiàn)，VPZ 的過表達(dá)會讓大豆種子產(chǎn)量顯著提高，最高可高出平均水平33%。該研究還發(fā)現(xiàn)，不僅大豆種子產(chǎn)量提高，單粒大豆中的蛋白含量和含油量也未發(fā)生變化，因此可謂“添數(shù)量而不減品質(zhì)”，這凸顯了通過這種生物工程方式提高作物產(chǎn)量的潛力。

利用合成生物學(xué)手段改造的煙草作物極大地提高了光合作用效率，并且植物體形也隨之變大

對光合效率的微觀研究發(fā)現(xiàn)，盡管在不同品種和不同年份中的試驗(yàn)結(jié)果存在部分差異，但大豆中VPZ 的過表達(dá)均加速了蔭—光轉(zhuǎn)變過程中的光保護(hù)關(guān)閉速度，從而提高了光強(qiáng)不穩(wěn)定條件下的光合效率；此外，盡管VPZ 處于過表達(dá)狀態(tài)，但大豆在強(qiáng)光照條件下其V 含量依然會減少，Z 含量依然會增加，也就是說，這并不影響植物啟動必要的光保護(hù)機(jī)制。

VPZ 的過表達(dá)會讓大豆種子產(chǎn)量顯著提高，大豆的品質(zhì)不會下降

煙草和大豆這兩種截然不同作物的產(chǎn)量在試驗(yàn)條件下都有很大的增長，這表明這種方法具有普遍適用性?？梢哉f，這個方法一旦成熟，農(nóng)業(yè)將迎來質(zhì)的飛躍。