4月21日，郭房慶研究員在人工氣候室里觀察水稻生長(zhǎng)狀況。新華社 張建松 攝
隨著溫室效應(yīng)加劇，全球氣候變暖造成的“高溫脅迫”，對(duì)世界糧食安全造成嚴(yán)重威脅。利用先進(jìn)的遺傳工程手段，中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、植物分子遺傳國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭房慶研究組，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)6年多的努力，在提高植物光合效率和產(chǎn)量方面取得突破性進(jìn)展。
據(jù)郭房慶研究員介紹，植物細(xì)胞中的葉綠體是進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所，高強(qiáng)光條件或高溫脅迫，通常會(huì)引起葉綠體中的活性氧累積，抑制光合作用過(guò)程。其主要原因是造成葉綠體內(nèi)的光合復(fù)合體PSII關(guān)鍵蛋白D1的迅速降解，葉片光合機(jī)能下降，進(jìn)而導(dǎo)致作物減產(chǎn)。
在高強(qiáng)光條件或高溫脅迫下，如何提高葉綠體內(nèi)的光合復(fù)合體PSII修復(fù)效率，進(jìn)而增強(qiáng)植物的光合效率，提高生物量和產(chǎn)量，是長(zhǎng)期困擾這一領(lǐng)域科學(xué)家的基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題和挑戰(zhàn)性難題。
在以往研究中，科學(xué)家們大多致力于從葉綠體內(nèi)尋求解決之道。在中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等相關(guān)項(xiàng)目資助下，郭房慶帶領(lǐng)陳娟華、陳思婷等研究組成員，突破思維定勢(shì)、獨(dú)辟蹊徑。
他們利用先進(jìn)的遺傳工程手段，克隆并構(gòu)建了一個(gè)全新的、由高溫響應(yīng)啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的“融合基因”，并整合擬南芥、煙草和水稻的基因組。經(jīng)過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化，在擬南芥、煙草和水稻三種植物中，成功創(chuàng)建了一條全新的、細(xì)胞核融合基因表達(dá)的D1蛋白合成途徑。
“這就相當(dāng)于建立了植物細(xì)胞D1蛋白合成的雙途徑機(jī)制。一個(gè)途徑是天然的葉綠體途徑，另一個(gè)用基因工程創(chuàng)建的細(xì)胞核途徑。通過(guò)增加植物細(xì)胞核源D1合成途徑，給植物補(bǔ)充D1，從而提高植物高溫抗性和光合效率，提高生物量和產(chǎn)量?！惫繎c說(shuō)。
研究表明，擁有“D1蛋白合成雙途徑”的擬南芥、煙草和水稻改良株系，在高溫抗性、光合效率、二氧化碳同化速率、生物量等方面，相較于野生型均有大幅度增加，效果顯著。科研團(tuán)隊(duì)分別在上海松江和海南三亞陵水育種基地，對(duì)水稻遺傳工程改良株系的產(chǎn)量進(jìn)行了多年驗(yàn)證，水稻增產(chǎn)幅度在8.1%-21.0%之間。
21日，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·植物》刊發(fā)了相關(guān)研究論文。
