在貴州省安順市鎮寧布依族苗族自治縣良田鎮壩草村火龍果種植基地，工作人員捆綁固定火龍果植株，為火龍果補光增產。新華社記者 陶亮攝

在日前舉行的第二十六屆中國科協年會上，由中國農業科學院生物技術研究所副所長、研究員路鐵剛等提出，中國農學會推薦的“作物高光效的生物學基礎”入選2024十大前沿科學問題。

“作物高光效是指作物的光合作用效率高。”路鐵剛近日在接受科技日報記者采訪時說，系統挖掘作物的高光效基因，深入解析其遺傳調控機制，有利于提升作物的光能利用率，從根源上提高糧食單產，保障糧食安全。中國農業科學院生物技術研究所所長、研究員李新海曾表示，通過提高光合作用效率來增加作物產量潛力，將開啟第三次綠色革命。

提升光能利用率是高產關鍵

光合作用通常指綠色植物吸收光能，將二氧化碳和水轉化為有機物，同時釋放氧氣的過程。光合作用是作物產量形成的物質基礎，作物干重的90%—95%都來自光合作用，其余5%—10%則通過根系吸收的無機物質補充。

光合作用效率是評價植物利用光能能力的重要指標。中國農業科學院生物技術研究所研究員張治國介紹，它通常是指綠色植物通過光合作用制造的有機物中，含有的能量與所吸收光能的比值，是衡量作物產量和品質的重要因素。光合作用效率越高，作物產量就越高，品質也越好。

作物的光合作用效率受多種因素影響，包括作物品種、生長環境等。在光合作用中，光能利用率是一個關鍵指標，它用以量化作物吸收的光能在整體生物量生產中的利用效率。理論上，水稻、小麥等C3作物和玉米、高粱等C4作物的光能利用率分別為4.6%和6.0%。然而，在自然生產條件下，由于作物葉片對光的吸收、反射、散射和熱輻射損耗等因素影響，C3和C4作物的光能利用率只有1%—2%。如果受到逆境影響，作物的光能利用率可能會更低。例如，云南、貴州、四川地區霧大光弱，黃淮海地區陰雨寡照，華北地區夏季高溫強光，東北地區低溫等條件都會直接影響作物的光能利用率。

面對既定的自然資源條件，提升作物的光能利用率成為實現農作物高產的關鍵策略。“作物高光效的生物學基礎包括結構基礎、遺傳基礎和生理生化基礎。”路鐵剛說，當前學界對光合作用的生物學基礎，尤其是結構基礎和遺傳基礎的理解仍顯不足。在全球人口增長和耕地資源有限的背景下，解析作物高光效的生物學基礎顯得尤為重要。這有助于通過遺傳改良培育高光效品種，進而提高作物產量和品質，對緩解糧食安全壓力具有重要意義。同時，該研究還有助于揭示作物適應環境變化的機制，從而提升作物應對氣候變化的能力。

多項研究打開增產空間

在路鐵剛看來，作物高光效的生物學基礎是作物科學領域的重大前沿科學問題，具有長期性、基礎性特點，一旦突破會給作物育種技術帶來變革。

近年來，隨著生物組學、基因編輯、合成生物、智能設計等前沿技術的發展，作物高光效的生物學基礎相關研究也取得顯著進展，為提升農業生產效率開辟新路徑。

光合作用的一系列生物反應過程，如光能的吸收、傳遞、轉化、水分解、電子傳遞和光合磷酸化都是在光合膜上進行的。在光合膜上，蛋白復合物通過特有的分子排列和相互作用，構成高效運轉的天然光合系統，從而確保光合作用的高效運行和生理調節。然而，關于光合膜在生物體內的生成與調控機制，仍存在諸多未解之謎。近期，研究人員通過解析PSI-LHCI、PSI-NDH等光合膜蛋白復合物的分子結構與功能，深入揭示了光能吸收、轉化及電子傳遞的復雜機理，為調控和優化光合作用過程提供了堅實理論基礎。

在作物高光效的調控機制方面，有研究揭示了SHR-IDD-PIN模塊在高光效C4作物葉片解剖學結構形成中的關鍵作用。“這一發現不僅加深了研究人員對C4作物高光效特性的理解，也為在水稻、小麥等C3作物中模擬C4高光效特點提供了理論支撐。”路鐵剛說。

還有研究人員設計并優化了多個新的作物高光效回路。例如，通過優化非光化學淬滅機制耗散過剩光能，在大豆等作物上成功實現了光合效率和產量的提升。

此外，一批具有廣闊生產應用前景的高光效基因，如IPA1、NAL1、D1等被成功挖掘，為通過基因工程手段培育高光效作物品種提供了可能。值得一提的是，有研究人員克隆了“智慧株型”基因lac1。該基因能使作物上部葉片緊湊、中下部葉片相對舒展，從而優化冠層結構和光分布。路鐵剛說，這一發現為通過基因調控手段優化作物冠層結構，提高光合作用效率提供了新思路和方法。

育種實踐亟須理論支撐

“雖然近年來我國在作物高光效生物學基礎的研究方面取得了顯著進展，但仍然面臨諸多挑戰。”路鐵剛舉例說，研究團隊規模有限、資金投入不足等，導致研究缺乏系統性和持續性，阻礙了研究的深入發展。

在路鐵剛看來，光合作用表型鑒定的復雜性和對環境的高度敏感性，極大限制了高光效作物的大規模篩選和改良效率，因此亟須開發高效、自動化表型鑒定技術來攻克這一難題。

此外，光合作用的調控機制錯綜復雜，涉及眾多基因與代謝途徑的相互作用。“盡管已有研究人員發現部分關鍵基因，但這些關鍵基因在實際育種中的有效應用仍面臨挑戰。”路鐵剛說，應強化多學科合作，結合基因組學、代謝組學等多方面研究，深入解析光合作用效率調控的分子機制，為高光效育種實踐提供堅實理論支撐。

在談及未來高光效育種技術發展的關鍵增長點時，路鐵剛分析，一是要開發更精準的光合作用模型，特別是針對冠層光合作用的詳細模型，以精確分析光合作用關鍵影響因素，進而指導高光效育種實踐；二是要深入探索作物高光效的遺傳調控機制，系統挖掘與解析相關基因，為高光效育種提供理論基礎、基因儲備與材料支撐。

人工智能技術的應用也將是關鍵一環。“利用人工智能技術，可以設計、優化乃至重構植物高光效回路、旁路以及優化非光化學淬滅機制等，進一步提高光合作用效率，引領育種技術革新。”路鐵剛說。

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