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

  • 全球人工智能伦理论坛探讨伦理原则落地实施

  • 一箭9星 引力一号遥三运载火箭发射成功

独家策划

推荐阅读
据了解,该隧道盾构段长约2.9公里,采用双洞双层结构设计。如此“大块头”的装备,推进系统配置了液压浮动支撑装置,同时还配备了高精度导向系统与管片选型系统,共同保障盾构机轻巧拐弯。
2026-09-16 10:38
当前,一场以可再生能源替代化石能源、以电动汽车替代燃油车为核心的能源革命正席卷全球。车网互动的本质,是将电动汽车从单纯的“负荷”转化为兼具“负荷”与“电源”双重属性的移动储能单元。
2026-09-16 10:38
从持续性看,这些劣质、虚假或错误的信息,不只占据当下受众的注意力,还会变成AI训练的语料,形成自我循环。使清朗网络空间成为可感可及的常态,还要立足于人机协同,同步提升全社会的信息素养和核查效率。
2026-09-16 10:37
近日,南方科技大学地球与空间科学系副教授范斯腾与合作者在火星大气环流及物质输运研究方面取得重要进展。火星上的物质输运通常主要沿着平均环流进行,这与地球根本不同,后者的大气输运主要受涡流主导。
2026-09-16 10:39
艺术家描绘了星团潮汐尾上的脉冲星和接力观测的三组望远镜。此后,随着星团内部动力学演化和银河系潮汐作用持续改变成员轨道,一部分中子星会逐渐进入潮汐尾,最终脱离星团。近一个世纪后,星团潮汐尾上的这颗脉冲星,使巴德开启的两条科学线索在一个具体天体上交汇。
2026-09-16 10:39
今年入夏以来,西北太平洋与南海海域的台风仿佛开启了“流水线”模式,接连生成、登陆,引发社会广泛关注。
2026-09-15 09:35
气候变化可能进一步改变全球极端降雨、洪水和季风过程,短期水文事件对陆地塑料向河流和海洋输送的影响也可能随之变化。厘清这种“脉冲式”污染输送机制,有助于提高全球海洋塑料污染预测的准确性,并为更具针对性的塑料污染治理提供科学依据。
2026-09-15 09:27
错坚河冰崩发生点和下游传输侵蚀通道。研究指出,气候变暖背景下,喜马拉雅山地区的冰冻圈灾害正呈现频次增加与链式放大的复合态势。研究指出,此次冰崩与气候变暖影响下冰裂隙扩张、从冰面向冰内和冰床排水加剧直接相关。
2026-09-15 09:26
记者从国家药监局了解到,我国第三个脑机接口医疗器械标准于14日被批准发布。据悉,为了支持我国脑机接口医疗器械重大创新、满足产业发展急需,国家药监局采用快速程序立项和批准。
2026-09-15 09:23
工科学习与研究强调实践牵引、逻辑思维和科学方法,解决问题更是落脚点——学生可以借助AI,但不能被AI替代。工科学习,不仅是吸收知识的过程,更是应用理论、方法和工具提升学生解决工程实践问题的能力的过程。
2026-09-15 09:25
拍卖会是全国优质种公牛资源展示的舞台。与华西牛同台竞争的,不乏安格斯、西门塔尔等国内外优质牛,可近4届“标王”无一例外都花落华西牛。
2026-09-14 09:26
甲烷的“存在感”远不及二氧化碳,但增温效应不容小觑。有研究认为湖泊贡献了全球自然甲烷排放的75%,也有测算认为占比不足两成。但实际排放多少、国际模型是否适用于我国,长期缺乏本土实测验证。
2026-09-14 09:25
位于今青海省海西州格尔木市南部的布尔汗布达山山体,是当代地质学界、地理学界公认的东昆仑主干,也是青藏公路、青藏铁路的关键地标——昆仑山口所在地。
2026-09-14 09:14
近日,记者从吉林大学获悉,该校生物考古实验室在全球首次完成已灭绝古生物奥氏马的完整形态复原。
2026-09-14 09:15
2026年国家网络安全宣传周期间,光明网联合科普中国推出AI科技伦理系列科普视频,引导公众理性认知技术逻辑,秉持算法向善理念,共建网络安全生态。
2026-09-14 09:15
实现人的自由全面发展,是人工智能伦理治理的逻辑起点与价值原点。
2026-09-11 08:42
2019年,一场生态修复让一个古人类遗址——云南蝙蝠洞遗址浮出水面。之后,多支科研团队开展跨学科综合研究,让丹尼索瓦人在中国西南腹地缺失的关键地理拼图得以补充。
2026-09-11 08:51
在位于内蒙古自治区呼和浩特市和林格尔新区的人才创新谷,工作人员操作和林格尔数据中心集群多云算力资源监测与调度平台,实时监测、动态调度算力资源。
2026-09-11 09:10
人类全基因组约30亿个碱基对中,仅1%—2%编码蛋白质,其余包含不编码的“垃圾DNA”及控制基因表达时间、位置和强度的调控序列。
2026-09-11 09:07
8月也是非极地海域有记录以来最温暖的一个月。海表温度峰值达21.1℃,是有观测以来最高的海表温度。
2026-09-11 08:51
加载更多