中國食品安全網(wǎng)訊（趙永恒 記者 黃官國）溫度是影響植物生長周期和地理分布的主要因素之一。全球氣候變暖造成的高溫脅迫，日益影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也對世界糧食安全造成嚴(yán)重威脅。植物細(xì)胞中的葉綠體是進(jìn)行光合作用的主要場所，陽光充足（高光強(qiáng)）或高溫脅迫通常會引起葉綠體中活性氧累積，抑制光合作用過程，進(jìn)而導(dǎo)致作物嚴(yán)重減產(chǎn)。

作為植物進(jìn)行光合作用重要復(fù)合體PSII的核心蛋白，D1對于高溫脅迫最為敏感，是PSII復(fù)合體內(nèi)最容易受損和更新最快的蛋白。一旦PSII受到高溫傷害，在修復(fù)過程中，損傷的D1蛋白被新合成的D1所取代。葉綠體作為半自主性的細(xì)胞器，具有自己的基因組，編碼D1蛋白的葉綠體基因?yàn)閜sbA。而在光合作用進(jìn)行過程中，葉綠體中累積的活性氧會顯著抑制D1蛋白的翻譯過程，進(jìn)而導(dǎo)致PSII復(fù)合體的修復(fù)效率降低，這種情況在高溫脅迫條件下尤為嚴(yán)重。因此，如何提高強(qiáng)光條件下或高溫脅迫下PSII的修復(fù)效率，進(jìn)而增強(qiáng)植物的光合效率、生物量和產(chǎn)量是長期困擾該領(lǐng)域科學(xué)家的基礎(chǔ)性科學(xué)問題和挑戰(zhàn)性難題。

4月22日，國際植物生物學(xué)著名期刊《自然·植物》（Nature Plants）在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、植物分子遺傳國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭房慶研究組的最新突破性研究成果。研究組通過遺傳工程手段在擬南芥、煙草和水稻中創(chuàng)建了一條全新且由高溫響應(yīng)啟動子驅(qū)動的細(xì)胞核融合基因表達(dá)的D1蛋白合成途徑，建立了植物細(xì)胞D1蛋白合成的“雙途徑”機(jī)制（天然的葉綠體途徑和創(chuàng)建的核途徑）。

增加細(xì)胞核源D1合成途徑顯著增強(qiáng)了植物的高溫抗性、光合作用效率、二氧化碳同化速率、生物量和產(chǎn)量。從為植物細(xì)胞增加一條全新的D1合成途徑并顯著提高光能利用效率而言，這一原始創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。鑒于工作的創(chuàng)新性，《自然·植物》同時(shí)刊發(fā)了相關(guān)領(lǐng)域國際知名學(xué)者撰寫的評論和觀點(diǎn)文章。

郭房慶組科研團(tuán)隊(duì)突破常規(guī)的思維定式和認(rèn)知局限，認(rèn)為D1可能是PSII這個(gè)“木桶”中最短的“板”，補(bǔ)充D1很可能是提高植物光合效率的關(guān)鍵點(diǎn)。科研團(tuán)隊(duì)成員陳娟華和陳思婷將克隆的擬南芥葉綠體基因psbA整合到核基因組中，并由強(qiáng)力響應(yīng)高溫脅迫的啟動子驅(qū)動表達(dá)。將這一全新構(gòu)建的融合基因整合進(jìn)擬南芥、煙草和水稻基因組，相當(dāng)于將它們天然具有的葉綠體基因psbA成功“拷貝”到核基因組并同時(shí)獲得響應(yīng)高溫脅迫啟動表達(dá)的特性。

每種植物三個(gè)改良株系均生長旺盛，高溫抗性、光合效率、二氧化碳同化速率、生物量方面相較于野生型均有大幅度增加，效果顯著。相較野生型，生物量的增加幅度在擬南芥轉(zhuǎn)基因株系為43.7-80.2%，煙草為15.1-22.3%，水稻為20.6-22.9%。水稻轉(zhuǎn)基因改良株系大田條件下的產(chǎn)量測產(chǎn)分別在上海和海南三亞育種基地進(jìn)行，經(jīng)過多年驗(yàn)證，增產(chǎn)幅度在8.1-21.0%之間。

郭房慶研究組的突破性進(jìn)展證實(shí)了植物在正常生長和高溫脅迫下對于D1的需求是高水平的，天然的葉綠體D1合成途徑滿足不了植物快速生長和抵抗高溫脅迫對于新合成D1蛋白的需求。該發(fā)現(xiàn)顛覆了該領(lǐng)域科學(xué)家對于D1蛋白在光合作用中限制性功能的認(rèn)知，是提高植物光能利用效率方面的一個(gè)重要突破性進(jìn)展，為應(yīng)對溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候變暖條件下的糧食安全生產(chǎn)挑戰(zhàn)提供了解決方案。