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提高光合作用效率，可增加作物产量

花匠小妙招
2025-05-10 22:04

●宗诗涵

“作物高光效是指作物的光合作用效率高。”近日，中国农业科学院生物技术研究所研究员路铁刚说，系统挖掘作物的高光效基因，深入解析其遗传调控机制，有利于提升作物的光能利用率，从根源上提高粮食单产，保障粮食安全。中国农业科学院科技管理局局长、研究员李新海曾表示，通过提高光合作用效率来增加作物产量潜力，将开启第三次绿色革命。

提升光能利用率是高产关键

光合作用通常指绿色植物吸收光能，将二氧化碳和水转化为有机物，同时释放氧气的过程。光合作用是作物产量形成的物质基础，作物干重的90%—95%都来自光合作用，其余5%—10%则通过根系吸收的无机物质补充。

光合作用效率是评价植物利用光能能力的重要指标。中国农业科学院生物技术研究所研究员张治国介绍，它通常是指绿色植物通过光合作用制造的有机物中，含有的能量与所吸收光能的比值，是衡量作物产量和品质的重要因素。光合作用效率越高，作物产量就越高，品质也越好。

作物的光合作用效率受多种因素影响，包括作物品种、生长环境等。在光合作用中，光能利用率是一个关键指标，它用以量化作物吸收的光能在整体生物量生产中的利用效率。理论上，水稻、小麦等C3作物和玉米、高粱等C4作物的光能利用率分别为4.6%和6.0%。然而，在自然生产条件下，由于作物叶片对光的吸收、反射、散射和热辐射损耗等因素影响，C3和C4作物的光能利用率只有1%—2%。如果受到逆境影响，作物的光能利用率可能会更低。

面对既定的自然资源条件，提升作物的光能利用率成为实现农作物高产的关键策略。“作物高光效的生物学基础包括结构基础、遗传基础和生理生化基础。”路铁刚说，当前学界对光合作用的生物学基础，尤其是结构基础和遗传基础的理解仍显不足。

多项研究打开增产空间

在路铁刚看来，作物高光效的生物学基础是作物科学领域的重大前沿科学问题，具有长期性、基础性特点，一旦突破会给作物育种技术带来变革。

近年来，随着生物组学、基因编辑、合成生物、智能设计等前沿技术的发展，作物高光效的生物学基础相关研究也取得显著进展，为提升农业生产效率开辟新路径。

光合作用的一系列生物反应过程，如光能的吸收、传递、转化、水分解、电子传递和光合磷酸化都是在光合膜上进行的。在光合膜上，蛋白复合物通过特有的分子排列和相互作用，构成高效运转的天然光合系统，从而确保光合作用的高效运行和生理调节。然而，关于光合膜在生物体内的生成与调控机制，仍存在诸多未解之谜。近期，研究人员通过解析PSI-LHCI、PSI-NDH等光合膜蛋白复合物的分子结构与功能，深入揭示了光能吸收、转化及电子传递的复杂机理，为调控和优化光合作用过程提供了坚实理论基础。

在作物高光效的调控机制方面，有研究揭示了SHR-IDD-PIN模块在高光效C4作物叶片解剖学结构形成中的关键作用。“这一发现不仅加深了研究人员对C4作物高光效特性的理解，也为在水稻、小麦等C3作物中模拟C4高光效特点提供了理论支撑。”路铁刚说。

还有研究人员设计并优化了多个新的作物高光效回路。例如，通过优化非光化学淬灭机制耗散过剩光能，在大豆等作物上成功实现了光合效率和产量的提升。

此外，一批具有广阔生产应用前景的高光效基因，如IPA1、NAL1、D1等被成功挖掘，为通过基因工程手段培育高光效作物品种提供了可能。据《科技日报》