如何让作物多“吃”光、更高产

在贵州省安顺市镇宁布依族苗族自治县良田镇坝草村火龙果种植基地，工作人员捆绑固定火龙果植株，为火龙果补光增产。新华社记者 陶亮摄

在日前举行的第二十六届中国科协年会上，由中国农业科学院生物技术研究所副所长、研究员路铁刚等提出，中国农学会推荐的“作物高光效的生物学基础”入选2024十大前沿科学问题。

“作物高光效是指作物的光合作用效率高。”路铁刚近日在接受科技日报记者采访时说，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。中国农业科学院生物技术研究所所长、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。例如，云南、贵州、四川地区雾大光弱，黄淮海地区阴雨寡照，华北地区夏季高温强光，东北地区低温等条件都会直接影响作物的光能利用率。

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。在全球人口增长和耕地资源有限的背景下，解析作物高光效的生物学基础显得尤为重要。这有助于通过遗传改良培育高光效品种，进而提高作物产量和品质，对缓解粮食安全压力具有重要意义。同时，该研究还有助于揭示作物适应环境变化的机制，从而提升作物应对气候变化的能力。

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。值得一提的是，有研究人员克隆了“智慧株型”基因lac1。该基因能使作物上部叶片紧凑、中下部叶片相对舒展，从而优化冠层结构和光分布。路铁刚说，这一发现为通过基因调控手段优化作物冠层结构，提高光合作用效率提供了新思路和方法。

育种实践亟须理论支撑

“虽然近年来我国在作物高光效生物学基础的研究方面取得了显著进展，但仍然面临诸多挑战。”路铁刚举例说，研究团队规模有限、资金投入不足等，导致研究缺乏系统性和持续性，阻碍了研究的深入发展。

在路铁刚看来，光合作用表型鉴定的复杂性和对环境的高度敏感性，极大限制了高光效作物的大规模筛选和改良效率，因此亟须开发高效、自动化表型鉴定技术来攻克这一难题。

此外，光合作用的调控机制错综复杂，涉及众多基因与代谢途径的相互作用。“尽管已有研究人员发现部分关键基因，但这些关键基因在实际育种中的有效应用仍面临挑战。”路铁刚说，应强化多学科合作，结合基因组学、代谢组学等多方面研究，深入解析光合作用效率调控的分子机制，为高光效育种实践提供坚实理论支撑。

在谈及未来高光效育种技术发展的关键增长点时，路铁刚分析，一是要开发更精准的光合作用模型，特别是针对冠层光合作用的详细模型，以精确分析光合作用关键影响因素，进而指导高光效育种实践；二是要深入探索作物高光效的遗传调控机制，系统挖掘与解析相关基因，为高光效育种提供理论基础、基因储备与材料支撑。

人工智能技术的应用也将是关键一环。“利用人工智能技术，可以设计、优化乃至重构植物高光效回路、旁路以及优化非光化学淬灭机制等，进一步提高光合作用效率，引领育种技术革新。”路铁刚说。