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The Plant Cell | 提升光合作用以增加作物产量的方法概述

来源：花匠小妙招时间：2025-05-10 22:04

2024年5月，荷兰阿姆斯特丹大学的Roberta Croce等人在The Plant Cell发表了题为Perspectives on improving photosynthesis to increase crop yield的文章，探讨了分子、细胞及系统水平上提升作物光合效率的策略，旨在将其应用于实际农业生产中，实现作物增产。

doi : 10.1093/plcell/koae132

作物的光合作用效率通常低于1%，存在显著提升空间。在人口增长、耕地缩减及气候变化的压力下，提升光合效率以增加作物产量尤为迫切。

提升光合效率的策略

光谱扩展电子传递优化CBB循环酶优化CO₂浓度管理系统建模与自然变异研究

研究表明，非光化学淬灭(NPQ)是提高光合效率的重要手段，利用远红光波段提升光能利用率，增强RuBP再生途径可以提高C3植物的光合作用效率。通过基因工程引入新型叶绿素(Chl d、叶绿素f)及设计叶绿素a结合位点扩展植物的光谱吸收范围，尤其是植物对远红光的吸收能力，以期提高植物光合作用效率，试验结果表明突变体光吸收增加约20%。

图1.叶绿素减少对大麦生物量积累和籽粒产量的影响

图2. VDE、PsbS 和 ZEP 过表达的非光化学猝灭 (NPQ)试验

作为光合作用中的关键酶，Rubisco的催化效率较低，且易受氧分子干扰进行光呼吸反应，从而降低光合效率。通过蛋白质工程和定向进化等技术能提高Rubisco酶的活性和稳定性，对光合碳(CBB)循环中的关键酶进行改造,增强碳固定能力。

图3.卡尔文-本森-巴沙姆(CBB)循环

图4.提高作物中的Rubisco活性

绕过光呼吸的途径能减少光呼吸对光合作用的负面影响，增强植物对无机碳的吸收和利用以提高光合作用效率被称为二氧化碳浓缩机制(CCM)。最有效的生物物理CCM是基于羧基体的CCM(cCCMs)和基于芘虫体的CCM(pCCMs)，可以将Rubisco周围的CO2浓度分别提高1000倍和40倍。

图5.在C3作物中引入生物化学或生物物理CCMs

图6.C3、C4 和 C3–C4 中间光合作用的示意图

不同环境下，光合作用的表现和优化策略有所不同，需要进行田间试验以验证实验室结果。植物冠层光合作用受微气候参数和叶片光合特性的共同影响，通过优化冠层结构和管理措施，在冠层中优化氮的分布，提高光能利用效率和光合作用效率，还可系统建模通过调整冠层结构和氮分配，实现光能和氮资源的最大化利用。

图7.气孔密度(SD)与气孔导度

图8.提高光合作用策略的系统模型

该研究综述了包括光谱扩展、电子传递优化、CBB循环酶改良、CO₂浓度管理及系统建模与自然变异研究等提升光合作用效率的前沿研究和创新策略，对于增强可持续农业生产力及应对全球粮食安全挑战具有重要意义。