点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:如何让作物多“吃”光、更高产
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

如何让作物多“吃”光、更高产

来源:科技日报2024-08-29 09:45

  在贵州省安顺市镇宁布依族苗族自治县良田镇坝草村火龙果种植基地,工作人员捆绑固定火龙果植株,为火龙果补光增产。新华社记者陶亮摄

  ◎记者 宗诗涵

  在日前举行的第二十六届中国科协年会上,由中国农业科学院生物技术研究所副所长、研究员路铁刚等提出,中国农学会推荐的“作物高光效的生物学基础”入选2024十大前沿科学问题。

  “作物高光效是指作物的光合作用效率高。”路铁刚近日在接受科技日报记者采访时说,系统挖掘作物的高光效基因,深入解析其遗传调控机制,有利于提升作物的光能利用率,从根源上提高粮食单产,保障粮食安全。中国农业科学院生物技术研究所所长、研究员李新海曾表示,通过提高光合作用效率来增加作物产量潜力,将开启第三次绿色革命。

  提升光能利用率是高产关键

  光合作用通常指绿色植物吸收光能,将二氧化碳和水转化为有机物,同时释放氧气的过程。光合作用是作物产量形成的物质基础,作物干重的90%—95%都来自光合作用,其余5%—10%则通过根系吸收的无机物质补充。

  光合作用效率是评价植物利用光能能力的重要指标。中国农业科学院生物技术研究所研究员张治国介绍,它通常是指绿色植物通过光合作用制造的有机物中,含有的能量与所吸收光能的比值,是衡量作物产量和品质的重要因素。光合作用效率越高,作物产量就越高,品质也越好。

  作物的光合作用效率受多种因素影响,包括作物品种、生长环境等。在光合作用中,光能利用率是一个关键指标,它用以量化作物吸收的光能在整体生物量生产中的利用效率。理论上,水稻、小麦等C3作物和玉米、高粱等C4作物的光能利用率分别为4.6%和6.0%。然而,在自然生产条件下,由于作物叶片对光的吸收、反射、散射和热辐射损耗等因素影响,C3和C4作物的光能利用率只有1%—2%。如果受到逆境影响,作物的光能利用率可能会更低。例如,云南、贵州、四川地区雾大光弱,黄淮海地区阴雨寡照,华北地区夏季高温强光,东北地区低温等条件都会直接影响作物的光能利用率。

  面对既定的自然资源条件,提升作物的光能利用率成为实现农作物高产的关键策略。“作物高光效的生物学基础包括结构基础、遗传基础和生理生化基础。”路铁刚说,当前学界对光合作用的生物学基础,尤其是结构基础和遗传基础的理解仍显不足。在全球人口增长和耕地资源有限的背景下,解析作物高光效的生物学基础显得尤为重要。这有助于通过遗传改良培育高光效品种,进而提高作物产量和品质,对缓解粮食安全压力具有重要意义。同时,该研究还有助于揭示作物适应环境变化的机制,从而提升作物应对气候变化的能力。

  多项研究打开增产空间

  在路铁刚看来,作物高光效的生物学基础是作物科学领域的重大前沿科学问题,具有长期性、基础性特点,一旦突破会给作物育种技术带来变革。

  近年来,随着生物组学、基因编辑、合成生物、智能设计等前沿技术的发展,作物高光效的生物学基础相关研究也取得显著进展,为提升农业生产效率开辟新路径。

  光合作用的一系列生物反应过程,如光能的吸收、传递、转化、水分解、电子传递和光合磷酸化都是在光合膜上进行的。在光合膜上,蛋白复合物通过特有的分子排列和相互作用,构成高效运转的天然光合系统,从而确保光合作用的高效运行和生理调节。然而,关于光合膜在生物体内的生成与调控机制,仍存在诸多未解之谜。近期,研究人员通过解析PSI-LHCI、PSI-NDH等光合膜蛋白复合物的分子结构与功能,深入揭示了光能吸收、转化及电子传递的复杂机理,为调控和优化光合作用过程提供了坚实理论基础。

  在作物高光效的调控机制方面,有研究揭示了SHR-IDD-PIN模块在高光效C4作物叶片解剖学结构形成中的关键作用。“这一发现不仅加深了研究人员对C4作物高光效特性的理解,也为在水稻、小麦等C3作物中模拟C4高光效特点提供了理论支撑。”路铁刚说。

  还有研究人员设计并优化了多个新的作物高光效回路。例如,通过优化非光化学淬灭机制耗散过剩光能,在大豆等作物上成功实现了光合效率和产量的提升。

  此外,一批具有广阔生产应用前景的高光效基因,如IPA1、NAL1、D1等被成功挖掘,为通过基因工程手段培育高光效作物品种提供了可能。值得一提的是,有研究人员克隆了“智慧株型”基因lac1。该基因能使作物上部叶片紧凑、中下部叶片相对舒展,从而优化冠层结构和光分布。路铁刚说,这一发现为通过基因调控手段优化作物冠层结构,提高光合作用效率提供了新思路和方法。

  育种实践亟须理论支撑

  “虽然近年来我国在作物高光效生物学基础的研究方面取得了显著进展,但仍然面临诸多挑战。”路铁刚举例说,研究团队规模有限、资金投入不足等,导致研究缺乏系统性和持续性,阻碍了研究的深入发展。

  在路铁刚看来,光合作用表型鉴定的复杂性和对环境的高度敏感性,极大限制了高光效作物的大规模筛选和改良效率,因此亟须开发高效、自动化表型鉴定技术来攻克这一难题。

  此外,光合作用的调控机制错综复杂,涉及众多基因与代谢途径的相互作用。“尽管已有研究人员发现部分关键基因,但这些关键基因在实际育种中的有效应用仍面临挑战。”路铁刚说,应强化多学科合作,结合基因组学、代谢组学等多方面研究,深入解析光合作用效率调控的分子机制,为高光效育种实践提供坚实理论支撑。

  在谈及未来高光效育种技术发展的关键增长点时,路铁刚分析,一是要开发更精准的光合作用模型,特别是针对冠层光合作用的详细模型,以精确分析光合作用关键影响因素,进而指导高光效育种实践;二是要深入探索作物高光效的遗传调控机制,系统挖掘与解析相关基因,为高光效育种提供理论基础、基因储备与材料支撑。

  人工智能技术的应用也将是关键一环。“利用人工智能技术,可以设计、优化乃至重构植物高光效回路、旁路以及优化非光化学淬灭机制等,进一步提高光合作用效率,引领育种技术革新。”路铁刚说。

[ 责编:武玥彤 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 习近平为美国总统特朗普举行欢迎宴会

  • 习近平同美国总统特朗普举行会谈

独家策划

推荐阅读
“九章四号”被应用于高效求解高斯玻色采样任务,其计算速度相比当前全球最快的超级计算机快1054倍(即量子优势比为1054),成功建立了国际上最强的量子计算优越性。
2026-05-15 03:15
夏粮收购是全年粮食收购的首战,对于保护种粮农民利益、维护粮食市场平稳运行、保障粮食稳定安全供给具有重要意义。
2026-05-15 03:25
5月14日,我国首座海上移动式多功能措施平台“海洋石油283”(又称“增产一号”)从青岛西海岸新区启运
2026-05-15 03:25
5月14日11时,朱雀二号改进型遥五运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空,运载火箭全程飞行正常,二子级进入预定轨道,飞行试验任务取得圆满成功。
2026-05-15 03:15
自然资源部13日发布的最新找矿成果显示,西藏罗布莎矿区新增铬铁矿资源量73.83万吨,实现矿山深边部找矿突破。找矿团队还在西藏东巧地区首次评价沉积型铬铁矿,新增伴生铬铁矿矿石量114.63万吨,拓展了我国铬铁矿找矿空间。
2026-05-15 02:55
中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、张强、刘乃乐等组成的研究团队联合国内多家科研单位,成功研制出1024个量子压缩态输入、8176模式的可编程量子计算原型机“九章四号”。
2026-05-14 09:49
当前,全球科技创新格局深度调整,科技成果转化已成为衡量国家创新体系效能的关键标尺。
2026-05-14 03:05
中国人对天宇的想象,自古便深沉而浪漫。在东华大学,科研人员将来自38万公里外的月球土壤化为一缕缕兼具柔性与强度的星际之丝。
2026-05-14 02:40
近日,中国科学院化学研究所研究员乔燕、王树团队联合国内外科学家,首次实现人工细胞的形态与功能不对称分裂,为理解类生命功能涌现和原始细胞形成提供了新路径。
2026-05-14 02:40
近日,国家网信办、国家发展改革委、工业和信息化部联合印发《智能体规范应用与创新发展实施意见》(以下简称《实施意见》),明确支持探索智能体在城市规划、建设与治理环节的规范应用,同时将智能体安全、可靠、可信作为产业发展的底线要求。
2026-05-14 02:25
“请帮我检索南京附近适合亲子旅游的路线”“我想买个电热水器,请帮我推荐几款实用的”……如今,越来越多的消费者开始将AI(人工智能)当作“随身消费参谋”。从规划旅游路线到挑选酒店民宿,再到日常购物选择,很多消费者习惯先问一问AI工具,再做消费决策。
2026-05-13 09:30
在这一过程中,颠覆性技术正由潜在变量转变为关键变量,成为重塑产业结构、重构竞争格局的重要力量。颠覆性技术具有“路径替代”特征,能够深刻改变产业格局。综上所述,未来产业发展呈现出“技术跃迁—场景转化—工程化扩张”的基本路径。
2026-05-13 09:22
搭载单核180个计算比特自主超导量子芯片的“本源悟空-180”量子计算机已上线运行,开始接收全球量子计算任务。
2026-05-13 02:30
2018年,厦大教师吴彩胜带着一群厦大青年来到这里。他们发现,当地的农副产品虽然产量不小,却因缺乏检测条件,面临“好产品难认证”的困境。
2026-05-13 02:20
浦江潮涌,惠风和畅。5月12日,第十二届亚太经合组织(APEC)食品安全合作论坛(FSCF)会议在上海举行。
2026-05-13 02:25
今年5月12日是第18个全国防灾减灾日,主题是“人人讲安全、个个会应急——提高防灾减灾救灾能力”。
2026-05-12 02:40
习近平总书记在加强基础研究座谈会上强调,基础研究是整个科学体系的源头,是所有技术问题的总机关。
2026-05-12 02:40
当前,我国正处于加快建设教育强国的关键时期。教育作为强国建设、民族复兴之基,战略地位更加凸显,迎来了前所未有的发展机遇
2026-05-12 02:40
十年来,北京大学考古文博学院坚守初心、守正创新,聚焦学科、学术、话语、育人四大体系一体化建设,并以实践创新贯穿始终,让四者协同赋能
2026-05-12 02:40
回顾人类社会发展史可以发现,任何一个国家的崛起都伴随着思想文化的兴盛和知识体系的自主建构。
2026-05-12 02:40
加载更多