朱新广连发Plant Physiol等三篇文章 获水稻研究重要进展

　　

生物通报道：中科院植物生理生态研究所的朱新广研究组利用215份水稻自然群体，通过特征选择策略和基因组遗传力评估，证明了水稻低光的光合利用效率具有高度遗传特性，并与水稻生物量密切相关。

这一研究成果公布在植物学Plant Physiology期刊上。

改善冠层光合效率是提高作物产量的重要途径。冠层光合效率由三方面决定，包括叶面积指数、冠层形态结构和叶片光合特征。传统作物育种通过改变冠层株型，例如培育半矮杆水稻品种、直立株型和提高叶面积指数等手段来提高冠层光合效率；然而对光合效率本身的改良较少。

这项研究利用基因组遗传力（SNP-based Heritability）结合2.3M全基因组覆盖的SNP变异信息，证明低光光合效率（Alow）具有高度遗传性；进一步为量化低光光合效率与生物量的关系，本研究结合线性回归模型（LRMs）和逐步特征选择（Feature selection）方法，发现Alow在不同地点和组合的数据集中均表现出与生物量有高度相关性。同时，在11个当代商业化水稻品种中，Alow表现出很大变异，说明在人工驯化过程中，Alow未受到强烈选择。该项研究首次揭示了叶片低光光合效率与生物产量的关系，这对未来提高水稻产量提供了全新改造靶标。

同时，朱新广研究组还在Plant, Cell & Environment上连发两篇文章，一篇是建立了能有效整合光合作用分子过程、叶片乃至三维株型特征的冠层光合模型，为定量研究冠层光合效率提供了重要理论工具。

提高冠层光能利用效率是进一步大幅度提高作物产量的重要途径。然而，由于光合作用涉及的能量转化、传递及CO2固定相关的碳代谢过程极度复杂，而且冠层内部光、温环境具有高度时空异质性，鉴定提高冠层光能利用效率的分子改造途径是当前光合作用研究的重要难题。

朱新广研究组建立了能有效整合光合作用分子过程、叶片乃至三维株型特征的冠层光合模型，为定量研究冠层光合效率提供了重要理论工具。利用该系统模型，研究发现降低光合作用光系统I和光系统II的天线大小，有利于提高叶片光化学反应效率，降低热耗散，提高叶片及冠层光合利用效率，进而有利于提高作物生物量及产量潜力。自然界中植物光合系统保存较大光合天线有利于植物叶片保存较多氮元素，同时遮荫周边植物，进而提高其在自然界的竞争能力。

另外一篇是通过建立水稻叶片结构的三维重建，精确模拟了光和CO2在叶片内部的物理传播和生化反应过程。

叶肉导度用于表征二氧化碳从气孔下腔进入到叶绿体直至被Rubisco固定这一路径的阻力，是限制叶片叶绿体中二氧化碳浓度，进而影响叶片光合速率的重要生理参数。叶肉导度是继气孔导度、光合作用生化限制之后的第三大限制光合效率的重要因素。由于提高叶肉导度可以同时提高叶片水分及光能利用效率，因此其成为光合作用改良的重要靶标。理论上讲，叶肉导度作为一个物理参数，不应受到外界环境影响。然而，实际测量中发现其随光线及CO2变化而变化，而且在不同植物中呈现不同变化趋势。准确解析叶肉导度的物理及分子机制，并阐明其对环境响应的机理，是当前叶肉导度基础及应用研究中的重大课题。

朱新广研究组通过建立水稻叶片结构的三维重建，精确模拟了光和CO2在叶片内部的物理传播和生化反应过程。研究发现，叶肉导度受四个因素控制：叶片内部光合特性的异质性、呼吸及光呼吸速率、叶绿体被膜对碳酸氢根的通透性、细胞质及叶绿体基质中的碳酸酐酶催化的CO2水化反应。该工作除了发展了精细的三维反应扩散模型之外，同时还发展了叶肉导度解析模型，为开展叶肉导度的生理、生态及机理研究提供了理论工具。

原文标题：

Leaf photosynthetic parameters related to biomass accumulation in a global rice diversity survey

The impact of modifying photosystem antenna size on canopy photosynthetic efficiency-Development of a new canopy photosynthesis model scaling from metabolism to canopy level processes

Components of Mesophyll Resistance and Their Environmental Responses: A Theoretical Modeling Analysis