陜西
光合作用是作物產(chǎn)量的“總引擎”。能否通過(guò)提高光能利用效率來(lái)增加產(chǎn)量，一直是農(nóng)業(yè)科學(xué)家的夢(mèng)想。近日，南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遲偉教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際主流學(xué)術(shù)期刊Plant, Cell & Environment上發(fā)表了題為Pale-Green Rice with Enhanced Photoprotection and Yield Potential via the Inactivation of BALANCE of CHLOROPHYLL METABOLISM的研究論文，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)調(diào)控水稻葉色的關(guān)鍵基因，能讓水稻在合適的時(shí)候自動(dòng)“換上淡妝”，從而提高群體光合效率，并顯著增加產(chǎn)量。
早在上世紀(jì)40年代，大豆育種學(xué)家就注意到一個(gè)反直覺(jué)的現(xiàn)象：在大田栽培條件下，葉色偏淡黃（pale-green）的品種，反而比葉色深綠的品種具有更強(qiáng)的光合優(yōu)勢(shì)。原來(lái)，在長(zhǎng)期進(jìn)化中，大多數(shù)植物的葉綠素合成其實(shí)是“過(guò)度投資”的，這是為了在群體競(jìng)爭(zhēng)中盡可能多捕獲光能。但適度降低葉綠素含量，并不會(huì)削弱單張葉片的光合能力，反而能讓更多藍(lán)光和紅光穿透冠層、照到底部葉片，從而提高整個(gè)群體的光合效率，但是不能犧牲單葉的光合性能。如何在“單葉效率”與“群體透光”之間找到精妙的平衡，一直是育種學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。
遲偉團(tuán)隊(duì)在水稻中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的基因BCM（葉綠素代謝平衡調(diào)控因子）。與很多已知的葉色基因不同，BCM有一個(gè)非常“聰明”的特點(diǎn)：在幼苗期，BCM基因被破壞后，水稻葉片依然是正常的綠色，不受影響。但到了分蘗期（水稻開(kāi)始“分叉”、株型變大的階段），葉片會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為淡黃色。這種“發(fā)育依賴(lài)型”的葉色變化，恰好契合了水稻不同生長(zhǎng)階段的光能需求。在幼苗期，植株矮小，群體遮擋不嚴(yán)重，保持綠色能提供充足能量，讓幼苗茁壯成長(zhǎng)。在分蘗期：植株變大，互相遮擋加劇。此時(shí)葉片適度“變淡”，反而增加了冠層透光率，讓中下層葉片也能高效光合。更令人驚喜的是，葉片變黃后，水稻對(duì)光抑制的耐受能力不但沒(méi)有下降，反而明顯提高 這意味著在強(qiáng)光下，它能更好地保護(hù)自己的光合“機(jī)器”。
為了驗(yàn)證這一“智能變色”策略的實(shí)際效果，研究團(tuán)隊(duì)連續(xù)三年對(duì)bcm突變體水稻進(jìn)行了小區(qū)試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與野生型水稻相比，bcm突變體的種子明顯增大，千粒重顯著提高。這表明，通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控葉綠素含量，完全可以在不犧牲單葉光合性能的前提下，提升群體產(chǎn)量。
已畢業(yè)研究生李秋信和中國(guó)科學(xué)院植物研究所季代麗副研究員為共同第一作者，遲偉教授為通訊作者。 該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省攀登計(jì)劃、江蘇省優(yōu)勢(shì)學(xué)科等項(xiàng)目資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1111/pce.70627
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