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

  • 画好“同心圆”,汇聚发展“向心力”

  • 第138届广交会第一期闭幕

独家策划

推荐阅读
农业保险作为灾后恢复生产的重要政策工具,如何更好守护农民“钱袋子”?
2025-10-20 09:55
安徽师范大学校长熊宇杰教授联合中国科学技术大学相关科研团队,成功创制出亚纳米级高熵合金,这一方法具备广泛普适性,可制备包含多达十种金属元素的高熵合金。
2025-10-20 09:51
财政部日前发布的2025年前三季度财政收支情况显示,前三季度,全国一般公共预算支出208064亿元,同比增长3.1%。
2025-10-20 09:49
中国科学技术大学毕国强教授团队17日在《科学》杂志发表一项神经科学领域的突破性研究成果,揭示了大脑高效传递信息的“微观密码”。
2025-10-20 09:43
高校是科技创新体系的重要组成部分,高校科研人员是推进科技创新的重要人才队伍。
2025-10-20 09:41
世界气象组织(WMO)近日报告称,2024年的大气二氧化碳浓度创下历史最大增幅,达到有记录以来的最高水平。” 
2025-10-17 09:51
10月17日,《科学》发表了庾强团队的一项重要成果。
2025-10-17 09:46
据国家粮食和物资储备局最新发布的消息,今年夏粮旺季收购已于9月底结束,累计收购小麦10795万吨。
2025-10-17 09:42
监测显示,15日新疆、西藏、青海、甘肃、内蒙古等地出现7至8级大风,局地阵风10级;新疆、内蒙古中东部、黑龙江、吉林、辽宁等地最高气温下降6℃至10℃,局地12℃以上。
2025-10-17 09:41
10月14日,随着满深502-H3井钻头穿透8380米地层,这口历经岩层卡阻、垮塌风险与高含硫考验的超深井成功完钻,成为塔里木油田“十四五”期间第223口8000米级超深井。
2025-10-17 09:38
高分辨光谱成像芯片“玉衡”,实现了亚埃米级光谱分辨率、千万像素级空间分辨率的快照光谱成像。
2025-10-16 09:50
10月13日至15日,第十四届中国国际专利技术与产品交易会在大连举行。近日,天津市河东区大王庄街社区卫生服务中心完成了天津市国产九价HPV疫苗的首针接种,而这背后,离不开专利技术的支撑。
2025-10-16 10:06
10月的上海淀山湖波光粼粼,岸边的东方绿舟国防园已万事俱备,只待“2025年全国青少年智能无人系统应用大赛(IUSAC2025)”拉开帷幕。
2025-10-16 09:48
到2027年底,在全国范围内建成2800万个充电设施,提供超3亿千瓦的公共充电容量,满足超过8000万辆电动汽车充电需求,实现充电服务能力的翻倍增长。
2025-10-16 09:48
我国自主研发的新一代超高速实时示波器正式发布,其带宽突破90GHz、达到国际先进水平,这标志着全球电子通信产业迎来超高速信号“中国标尺”。
2025-10-16 09:44
在15日举行的中国环境与发展国际合作委员会2025年年会开幕式上,生态环境部部长、国合会中方执行副主席黄润秋表示,要以美丽中国先行区建设为牵引,深化美丽中国建设推进落实机制,分级分类推进美丽中国地方实践。
2025-10-16 10:02
“经过不懈努力,中国以占世界9%的耕地、6%的淡水资源,养育了世界近1/5的人口,这本身就是对世界粮食安全的巨大贡献。钱毅介绍,目前,我国已经建成粮食储运等5个国家级科技创新平台基地,26个部级粮食技术创新中心和重点实验室,以及百余个地方研发创新平台。
2025-10-15 10:49
外交部发言人林剑14日表示,中国机器人正展现出广阔应用前景,逐步从实验室走进工厂生产线和各国百姓家。林剑介绍,国际机器人联合会此前发布的《2025年世界机器人报告》显示,2024年中国在役工业机器人存量突破200万台,居全球首位。
2025-10-15 10:45
约两年前,谷歌旗下深度思维公司宣布,借深度学习技术发现220万种新型晶体材料。科学家期待借助AI,设计出可规模化生产、真正影响日常生活的先进材料,让AI在材料科学领域的价值真正落地。
2025-10-15 10:44
加载更多