4月1日，《通訊生物學(xué)（Communications Biology）》在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所耕作與生態(tài)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的最新研究成果，該研究通過(guò)在水稻中表達(dá)玉米GLK（GOLDEN2-LIKE）轉(zhuǎn)錄因子基因ZmGLK1和ZmG2，均可在大田條件下實(shí)現(xiàn)提高水稻光合作用效率和減輕中午或波動(dòng)光下光抑制程度，最終實(shí)現(xiàn)生物量和產(chǎn)量的大幅提高，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示了其在提高作物光合作用效率及抵御光抑制方面的生理機(jī)制。
據(jù)周文彬研究員介紹，GLK轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)激活與葉綠體發(fā)育和光合作用相關(guān)的核基因來(lái)調(diào)控光合作用。已有研究表明，在C3植物水稻中表達(dá)C4植物玉米的GLK基因，導(dǎo)致維管束鞘中細(xì)胞器體積增大，光合作用相關(guān)酶積累增加以及細(xì)胞間的相互聯(lián)系增加，誘導(dǎo)再現(xiàn)了由C3光合作用轉(zhuǎn)變成C4光合作用進(jìn)化軌跡中的重要一步。然而，在室內(nèi)盆栽條件下T1和T2代轉(zhuǎn)基因水稻的光合作用效率、生物量及產(chǎn)量與野生型相比未表現(xiàn)明顯差異。
該研究利用前期在水稻中表達(dá)玉米GLK基因、經(jīng)繁代得到的純合體材料，在北京和海南兩地經(jīng)過(guò)4年的田間實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)表達(dá)玉米GLK基因的水稻植株在大田條件下株高、生物量以及葉片中葉綠素、類胡蘿卜素等色素含量明顯高于野生型，其中表達(dá)ZmG2基因的水稻表型和生理指標(biāo)的提高效果均高于ZmGLK1，特別是在強(qiáng)光條件下其優(yōu)勢(shì)更為顯著。產(chǎn)量分析表明，表達(dá)玉米GLK基因的水稻植株較野生型穗長(zhǎng)增加10%-26%，穗粒數(shù)增加20%-122%，產(chǎn)量可提升30%-40%，且其光合產(chǎn)物糖和淀粉以及氨基酸等代謝產(chǎn)物含量均較野生型有顯著提高。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，表達(dá)玉米GLK基因的水稻植株葉綠體類囊體膜光合蛋白復(fù)合體積累顯著增加，且二氧化碳同化速率和氣孔導(dǎo)度顯著高于野生型。同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)表達(dá)玉米GLK基因的水稻植株在光照最強(qiáng)的中午仍能維持較高的氣孔導(dǎo)度和光合效率，而野生型植株中午光合效率顯著下降。研究人員通過(guò)不同的光照處理實(shí)驗(yàn)證明了表達(dá)玉米GLK基因的水稻植株在強(qiáng)光和波動(dòng)光條件下通過(guò)熱耗散形式耗散過(guò)多光能并抵抗光氧化損傷，從而減輕光抑制程度，提高光化學(xué)效率。
該研究結(jié)果證明了玉米GLK基因在水稻中的表達(dá)能夠通過(guò)協(xié)同提高光合作用效率和光抑制耐受能力，實(shí)現(xiàn)在田間條件下作物產(chǎn)量潛力的增加，揭示了玉米GLK基因在提高作物光合作用效率及抵御光抑制方面的生理機(jī)制，為作物光合作用效率及產(chǎn)量的協(xié)同提升提供了理論依據(jù)和可行途徑。同時(shí)，該研究表明室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和大田研究之間具有的差異性，體現(xiàn)了光合作用大田研究的重要性。
該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程以及比爾-梅林達(dá)·蓋茨基金會(huì)C4水稻項(xiàng)目（第二期）資助。（通訊員 衛(wèi)斐）
