问题描述

光合作用是作物产量形成的基础，90%以上的干物质来自光合作用，光合作用效率高低决定着作物产量的高低。高光效的生物学基础是国际上长期悬而未决的重大科学问题，涉及光能吸收/传递与转换、电子传递、碳同化三个复杂的生理生化过程。叶片解剖学结构形成与叶绿体发育也决定着作物光合作用效率。目前主要农作物的光能利用效率仅为1%左右，阐明作物高光效的生物学基础，大幅提升光能利用效率，是从根本上提升作物单产的重要途径，有望引起新一轮的育种革命。

问题背景

俗话说，万物生长靠太阳，光合作用是地球上最重要的化学反应，为人类提供了赖以生存的环境、粮食、原料和燃料。光合作用是作物产量形成的基础，90%以上的干物质来自光合作用。科学家在光合作用的生理生化机制等研究方面取得了长足的进展，鉴定和分离了一系列光能吸收、传递与转化、电子传递的蛋白组分，分析了他们的分子结构并解析了其作用机制，阐明了光合作用循环的主要化学过程及关键酶，迄今为止光合作用研究成果8次获得诺贝尔奖。科学家寄希望通过揭示高光效的生物学基础来提升光合作用效率，进而提高粮食单产。美国、德国等国科学家通过提升光合作用效率将烟草生物量提高了30%以上，展示了高光效育种的潜力。然而，前期的研究主要集中在蛋白质结构及光合作用生理生化机制解析，而对作物光合作用遗传调控机制所知甚少，作物高光效在育种上的应用潜力远远没有被挖掘出来。 近年国际上仅仅用于作物高光效机理及高光效育种的项目经费近4亿美元（不包括蛋白质结构的研究），如2010年美国、英国、澳大利亚等国的24个实验室发起了为期15年的“国际C4水稻计划”（又称为生物学领域的阿波罗登月计划），比尔及梅琳达•盖茨基金会已投入1.1亿美元；德国于2015年启动了为期11年的高光效育种项目，投资1.1亿美元；澳大利亚2015年启动了为期7年的C4高光效育种项目，投资3000万美元；欧盟于2015年启动了为期10年的C4水稻及高光效育种项目，投资7000万欧元；英国研究理事会于2019年启动了为期10年的高光效育种项目，投资5000万英镑，其他机构(国际玉米小麦改良中心、国际水稻研究所等)在光合研究领域投资2000万美元。高光效育种已被认为是革命性、颠覆性的作物育种技术。

最新进展（截止问题发布年度）

近期，发表在国际权威杂志上的几项研究成果展示了高光效基础研究和育种技术的巨大应用潜力。一是解析光合电子传递的结构基础。中国科学院植物研究所团队首次揭示了PSI-NDH介导的光合环式电子传递调控的结构基础，为利用合成生物学技术构建新型高效光合膜电子传递线路，优化光合膜能量传递途径，打造高光效和高固碳提供新的光合元件和模块提供了基础，相关成果发表在《自然》上。二是通过降低光呼吸消耗来提高作物产量。美国伊利诺伊大学团队通过改变烟草叶绿体内的乙醇酸代谢途径，提高了光合量子效率，生物量增加了40%。华南农业大学研究团队在水稻中创建了一条新的光呼吸支路，成功将其导入水稻叶绿体中形成光合CO2浓缩机制，显著提高了水稻的光合效率和产量。上述成果分别发表在《科学》和《分子植物》上；三是通过优化电子传递能耗过程来提升光合效率和产量。美国科学家团队通过基因操作使大豆叶片在长期波动光环境下更高效利用日光，优化非光化学淬灭过程提升光合效率和产量。最终实现了24%的产量提高，佐证了作物高光效在农业实践中的应用价值。中国科学院分子植物科学卓越创新中心建立了D1蛋白合成的“双途径”机制。增加细胞核源D1合成途径可显著增强植物的高温抗性、光合作用效率、CO2同化速率、生物量和产量，增产幅度达21%。上述成果分别发表在《科学》和《自然植物》上；四是水稻、小麦等C3作物模拟玉米等C4作物的高光效循环来提升产量。国际C4水稻计划首席科学家William Paul Quick率领团队在水稻中实现了部分C4循环，该成果被《麻省理工技术年评》评选为2015年国际十大技术突破。但是，由于该C4水稻模型缺乏必要的类C4解剖学结构，产量提升未达预期效果。中国农业科学院生物技术研究所团队在C4解剖学结构形成的分子机制方面取得了重要进展，克隆了SHR-IDD-PIN分子模块，并获得了具有类C4结构的水稻材料，为C4水稻创制打下了重要基础。该成果发表在《植物细胞》上。

毫无疑问，利用基因编辑和合成生物等前沿技术针对性优化光合作用关键环节，提高光能利用效率和CO2固定能力，是提升作物光合效率和产量的重要策略。尽管前期的研究取得了振奋人心的突破，但大多数结果是在温室可控条件下取得的，且只涉及了少数几种作物，光合作用涉及复杂的多基因调控网络，要彻底解决该问题仍需大量深入的基础研究，包括：作物高光效遗传调控和信号传导的分子网络，色素蛋白复合体合成、分布以及结构的动态调整机制以及分子调控网络，光合作用逆境适应的分子遗传调控网络，C4解剖学结构形成与高光效的分子遗传网络，高效碳同化与电子传递偶联的分子机制等研究课题。总体来说，光合作用是作物产量形成的基础、是“根”，任何提高作物产量的手段都是通过提升光合作用这个“源”来实现的，实现高光效育种虽然是一项常远而艰巨的任务，但对于从根源上提升粮食单产、解决日益严峻的全球粮食安全问题具有重要意义。

重要意义

粮食安全是关系到国民经济发展、社会稳定和国家自立自强的全局性重大战略问题。光合作用是作物产量形成的物质基础，90%以上的干重来源于光合作用，然而目前主要农作物的光能利用效率只有1%左右，通过深入研究主要农作物高光效高产的遗传调控机制，挖掘高光效高产基因，并在此基础上建立作物高光效分子育种技术体系，创制作物高光效高产新种质、新材料，有望从根源上大幅提高作物光能利用效率及单产，这对保障我国粮食安全具有重大意义。