光合作用与农业作物的基因工程研究成果

一、光合作用与农业作物

1.光合作用利用率

植物的光能利用率，从C₃途径每同化一分子CO₂，所需3分子ATP和2分子NADPH计算，理论上的量子需要量8～10，量子效率则是1/8～1/10。这样产生1分子葡萄糖需要48～60个光量子，则红光和蓝光吸收光能利用可达10％～15％。可是，目前大田作物的光能利用率只有1％～2％，最多不到4％。这说明提高作物光能利用率的潜力还很大。

实际光能利用率计算是指单位地面上的植物光合作用积累有机物所含能量占照射在同一地面的日光能量的百分比。草原、森林的光合产物以干物重表示，而农作物则以经济产量表示。例如，水稻的谷物产量主要由单位面积的总穗数、每穗总粒数和千粒重三者组成，所以，在水稻栽种密度、生长发育控制上都有一定要求，使高产的经济系数接近1，光能利用率可以达到2％～3％。

根据有关资料，长江下流和华南地区太阳年总辐射量为502.32kJ·cm²或3348800000kJ·亩-1，估计水稻生育期的太阳辐射能占全年的50％，光能利用率按2％，水稻经济产量占生物产量的50％，其中呼吸又消耗掉40％有机物，假定稻谷的全部干物质均为淀粉，其燃烧值为17664.92 kJ·kg^-1，利用这些数据可以计算如下：

如果稻谷含水量为14％，亩产应是661kg。如果把光能利用率提高到3％，每亩产量可以达到991kg，这是目前超级稻的努力方向。

2.第一次绿色革命：改变株型结构

如果说20世纪世界农业粮食产量大幅增长，它有赖于农业机械、农药、化肥、灌溉和新品种等集约经营，那么，科学家认为未来农业生产的继续发展，农业生物技术和光能利用率还大有潜力发挥，这里就借“绿色革命”概念来阐述。

在20世纪60年代，农业集约经营技术已得到广泛应用，致使农田产量显著提高。然而，高产密植和过量施肥容易引起徒长倒伏，曾一度出现生长抑制剂的使用，作者管康林就参与过国内矮壮素（CCC）的合成和田间实验（1963—1966）。所以，如何改变作物株型与群体结构及光能利用率的观念已经形成。因此，具有矮秆直立叶的高产品种很快培育与推广，获得大幅度增产而引发出一场农业革命。

1968年，“绿色革命”（green revolution）一词被提出，起到了画龙点睛的作用。这场发生于60～70年代的绿色革命包括以下几方面工作：一是墨西哥的国际玉米小麦研究中心培育和推广的玉米双杂交品种和小麦矮品种在世界各地获得成功。二是菲律宾的国际水稻研究所培育的，具有直立叶片和半矮秆高产水稻1R8等系列品种并在亚洲水稻区推广栽种。三是在中国以袁隆平为首的杂交稻育种，致使在1976年中国杂交稻生产商品化，全国推广面积达50％，增加产量达15％。(www.xing528.com)

第一次绿色革命成功至今在农业上继续发挥作用，可是它的局限性也明显的。一是限于少数农作物，二是光合作用的基础理论研究不够。所以，要想进一步提高作物产量就有困难。譬如，水稻的一般高产只停留在500kg/亩的1.2％光能利用率和经济系数为1的基础之上。但是有人发现水稻在无逆境下，最高光能利用率短期可达5％，这说明增产潜力还很大。

3.第二次绿色革命：改变CO₂羧化酶活性

光合作用制造了植物95％以上的干物质，因此作物的产量与光合作用有很大关系，提高植物的光合能力自然成了这一研究领域的研究热点。光合关键酶Rubisco是催化光合碳代谢中CO₂固定和光呼吸最初步骤的酶，也是植物中含量最多的蛋白，但催化效率极其低下。因此，提高Rubisco效率和活力将有助于提高植物光合作用。为了增加Rubisco效率和活力，国际上曾经掀起改进Rubisco酶的结构的热潮，但是这种酶结构的改变，就要考虑RCA（Rubisco活化酶）能否识别这种改变的Rubisco，如果不能识别，还需要重新设计RCA结构才行。同样，在Rubisco基因工程中，不仅要考虑大小亚基的装配问题，还要考虑构建基因对多酶复合体的影响，这就大大增加了Rubisco基因工程的难度。而RCA在ATP存在下，能解除磷酸丙糖等抑制物对碳同化限速酶Rubisco活力的抑制，同时激活Rubisco活性。因此，RCA的发现为提高植物体内Rubisco的活力开辟了新的途径。

RCA基因工程的研究为数不多，而且大部分研究者都是通过基因工程的手段获得反义RCA基因植株。Mate等（1993）首先利用农杆菌介导的方法将RCA基因反向导入到烟草中，获得了一系列不同RCA含量的RCA反义转基因烟草。并研究了RCA和Rubisco，CO₂同化率等相互关系。发现只有当RCA含量降低到正常烟草的10％～30％时，光合速率才明显降低，但当RCA含量进一步降低时，烟草又不能在大气CO₂浓度下生长，而是需要在高浓度CO₂下才能生长，但高CO₂浓度并不能提高Rubisco氨甲化水平。另外，在反义转基因烟草中，Rubisco含量大量上升。尽管当时已经有报道RCA是分子伴侣的新成员，但Mate等（1996）仍然把RCA简单地当作是催化Rubisco的酶。随后，Jiang等（1994）、Eckardt等（1997）也分别反义转基因烟草和拟南芥，并获得了类似的结果。

目前正义RCA基因转基因植株只在拟南芥和水稻中获得成功，而且都是最近才出现的研究成果。一则是Zhang等（2002）利用农杆菌介导的真空渗透方法分别获得了转大亚基和小亚基cDNA的正义拟南芥，发现仅表达大亚基的转基因拟南芥的表型与野生型拟南芥差不多，光合作用也无明显的差异，仅表达小亚基的转基因拟南芥明显高于野生型拟南芥，尽管在饱和光强下，Rubisco活力、RuBP含量和野生型差不多，但在低光强下，Rubisco活力和RuBP含量并不会下降。另一则报道是日本学者也分别获得了转大亚基和小亚基cDNA的正义水稻，发现转小亚基的水稻的株高明显高于转大亚基水稻和野生型水稻，但是该报道并没有研究RCA与Rubisco、光合作用的调控关系以及对水稻产量的影响，而是研究了RCA与GA信号传导的关系。但是这两个研究为通过RCA等光合酶的基因工程手段提高作物产量奠定了基础。

随着分子生物学的发展，自90年代开始植物生理和育种学家对光合C₄途径和C₃途径关键酶Rubisco固定CO₂的生理活性和基因转移、改造非常热衷，于是就想借助现代生物技术把眼光集中在增加叶片光合作用潜力的高光效育种上。水稻是首先被考虑的对象，因为农作水稻研究最为深入而生产意义重大，如果水稻转基因突破，其他材料也可借鉴。

水稻和小麦都是C₃植物，它的光合碳素同化主酶是二磷酸核酮糖羧化酶并含有加氧酶的双重功能。它在催化固定CO₂的同时，还催化加氧（O₂）反应，使刚刚固定还原形成的有机物通过光呼吸重新变成CO₂释放出来。这种光呼吸可以使光合生产力损失20％～40％。

C₄植物，如玉米、甘蔗，具有CO₂浓缩机制，在高光、高温和高氧分压下，比C₃植物有较高的光合效率。人们曾尝试在C₃植物中增强C₄光合能力，进行种间杂交很难奏效。近几年来，由于转基因技术的发展，Ku等人（1999）通过农杆菌介导系统，成功地将玉米C₄光合途径关键酶PEPC的基因导入C₃植物水稻中，获得了高表达的转基因植株。我国江苏农科学院焦德茂等人（2001）也开展转PEPC基因水稻的生理特性观察，用酶学活性和光合指标逐代鉴定、世代繁殖，形成稳定的种质并具有高光合能力与耐光氧化特性。同时，湖南杂交水稻工程中心袁隆平和中国水稻研究所等学者利用PEPC转基因种质，通过杂交、花药培养和综合选育技术，在2001—2003年间已成功地培育出超级稻新品种，亩产达700～750kg，而到2006年最高亩产达900～1000kg。由此展示了通过现代生物技术提高作物光合产量的广阔前景。

从植物的生理学看，调节光合碳同化产物在蔗糖和淀粉之间分配的蔗糖磷酸合成酶（SPS）也是基因工程的一个靶子。有人已把玉米的SPS合成基因转入番茄成功表达，尚未有明显的增产效果。这只是运用基因工程改造酶学生理功能的尝试。如果说第二次绿色革命的核心问题是改善作物光合效率，潜力主要在碳同化阶段，那么锐利武器是基因工程。其实，基因工程不是第二次绿色革命的唯一武器，因为相对传统的育种方式，杂种优势的利用和高新栽培技术仍然会发挥重要作用。