光合作用是作物改良的重要目標(biāo)之一。光合葉片中的無(wú)機(jī)磷（Pi）作為腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）合成原料并參與光合蛋白調(diào)控以及磷酸丙糖（TP）等光合產(chǎn)物周轉(zhuǎn)，葉片中Pi含量在一定條件下可能成為光合作用高效運(yùn)轉(zhuǎn)的限制因素。實(shí)際上，田間光合作用的磷限制常發(fā)生在抽穗灌漿階段、需要光合作用高效運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)期。 葉片（源）與種子（庫(kù)）之間的Pi分配對(duì)作物籽粒灌漿有重要影響，然而，Pi在源庫(kù)之間如何分配調(diào)控及其對(duì)葉片光合效率的影響尚需解析，有效的遺傳解決方案仍有待建立。

8月13日，《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員王鵬、何祖華研究組合作完成的題為Genetic improvement of phosphate-limited photosynthesis for high yield in rice的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)水稻OsPHO1;2磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能夠向葉片分配無(wú)機(jī)磷，其表達(dá)量與葉片Pi含量、凈光合速率以及產(chǎn)量的增高呈正相關(guān)。

此前，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)OsPHO1;2控制籽粒中磷的再分配從而影響其灌漿（Ma et al.，2021）。該研究發(fā)現(xiàn)，OsPHO1;2功能缺失突變導(dǎo)致葉片Pi缺乏，光合電子傳遞活性及CO₂同化速率降低，光合作用Pi限制提前發(fā)生；過(guò)量表達(dá)OsPHO1;2有效地延長(zhǎng)了高光合速率的持續(xù)時(shí)間，從而提高了產(chǎn)量潛力。研究為OsPHO1;2調(diào)節(jié)葉片中Pi的穩(wěn)態(tài)、TP-Pi反向交換轉(zhuǎn)運(yùn)效率、光合作用的Pi限制等提供了遺傳、生理和生化證據(jù)。此外，對(duì)核心水稻種質(zhì)資源的分析表明，與低表達(dá)OsPHO1;2的水稻相比，高表達(dá)OsPHO1;2的水稻與更高的葉片Pi含量、光合作用和產(chǎn)量潛力相關(guān)。更重要的是，對(duì)水稻灌漿期葉面噴施磷肥補(bǔ)充Pi，提高了劍葉光合速率，延長(zhǎng)了劍葉光合有效期，對(duì)籽粒產(chǎn)量的提高有較大貢獻(xiàn)；與葉面施用磷酸鹽相比，OsPHO1;2相關(guān)的遺傳改造策略被證明在調(diào)節(jié)葉片Pi以實(shí)現(xiàn)高效光合生產(chǎn)方面是同樣有效的。

研究表明，光合作用的磷限制可通過(guò)遺傳途徑解除或減緩，OsPHO1;2基因可以用于加強(qiáng)作物的育種策略，以獲得更高的磷利用效率及光合驅(qū)動(dòng)力。因此，該研究不僅揭示了葉片磷分配、光合作用與糧食產(chǎn)量之間關(guān)聯(lián)的新機(jī)制，而且為在有限磷投入的情況下提高作物產(chǎn)量提供了新路徑。

研究工作得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金以及分子植物卓越中心啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。

論文鏈接

磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsPHO1;2調(diào)控水稻葉片Pi含量及其光合的作用模式。灌漿過(guò)程中，OsPHO1;2通過(guò)莖節(jié)將Pi分配給葉片，劍葉中適當(dāng)?shù)腜i積累持續(xù)促進(jìn)光合光反應(yīng)和碳同化。而OsPHO1;2的功能缺失導(dǎo)致葉片嚴(yán)重的Pi缺乏，從而顯著抑制光合蛋白磷酸化、卡爾文循環(huán)（CBB）組分、ATP和NADPH合成以及TP-Pi反向交換轉(zhuǎn)運(yùn)效率。另外，OsPHO1;2的突變使光合Pi限制的發(fā)生時(shí)間提前，而OsPHO1;2的過(guò)表達(dá)則使其延遲，從而延長(zhǎng)了高光合速率持續(xù)時(shí)間，提高了籽粒產(chǎn)量。紫色箭頭表示模型中OsPHO1的轉(zhuǎn)運(yùn)功能，棕色箭頭表示模型中SPDT的轉(zhuǎn)運(yùn)功能。