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

  • 新疆阿禾公路正式通车

  • 新生代科研力量助推人形机器人加速成长

独家策划

推荐阅读
屠光绍认为,金融机构在应用人工智能时必须在服务投资人与消费者之间寻求平衡,避免AI鸿沟,坚守金融服务大众的初心。鲍建敏倡导构建产学研深度融合、开放共赢的人工智能金融生态体系,搭建跨机构、跨领域的协同创新平台。
2025-07-01 10:13
6月30日,2025温布尔登网球锦标赛在英国伦敦拉开大幕,引发球迷关注。在草地球场,球的速度更快且弹跳不规则,比赛回合较短,发球就成为球员们的重要“武器”。红土球场并不是天然土壤,而是分层分布着碎砖粉、白色碎石灰石、碎石等。
2025-07-01 10:09
7月1日起,医保定点医药机构在销售药品时,必须按要求扫药品追溯码后方可进行医保基金结算;2026年1月1日起,所有医药机构都要实现药品追溯码全量采集上传。步,进入国家医保局微信公众号主页,点击服务、药品追溯信息查询,进入查询页面;或进入国家医保局微信公众号消息对话页,点击医保服务、药品追溯信息查询,进入查询页面。
2025-07-01 10:09
记者从国家航天局获悉,7月1日,该局发布行星探测工程天问二号探测器在轨获取的地月影像图。(国家航天局供图)  月球全色图,由天问二号探测器的窄视场导航敏感器于2025年5月30日15时拍摄,经辐射校正处理后制作而成。
2025-07-01 10:08
龙芯中科近日正式发布基于国产自主指令集龙架构研发的服务器处理器龙芯3C6000系列芯片、工控领域及移动终端处理器龙芯2K3000/3B6000M芯片以及相关整机和解决方案。
2025-07-01 10:06
四大家鱼,即青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼,是我国重要的经济鱼类,占淡水鱼类养殖总量的“半壁江山”,尤以长江流域所产鱼品质最优。但人工养殖久了,鱼类品质逐渐下降,需要捕捞野生鱼种来更换,确保鱼类种质“基因库”稳定。
2025-06-30 04:50
FAST如今每天观测时长接近24小时,每年总观测时长超过5300小时,持续不断地为科学家提供宝贵的数据。
2025-06-30 09:52
华南农业大学积极探索应用大数据、人工智能等技术加速育种创新,“华航香银针”就是创新成果之一。
2025-06-30 09:51
在近日落下帷幕的第十五届全国周培源大学生力学竞赛中,一位特殊的“考生”吸引了人们目光。
2025-06-30 09:51
6月29日,在海南文昌卫星超级工厂项目建设现场,各方正全力以赴加快工厂投产进程。
2025-06-30 09:51
作为一所工科见长的大学,近年来,山东科技大学涌现出一批热衷文化艺术的学生:材料学院研究生庄英赞受邀参加《声声入戏——中央广播电视总台首届京剧票友大会》节目;
2025-06-30 04:50
今年“三夏”生产,该农场配备无人驾驶系统的收割机和拖拉机、气吸播种机、精准水肥轮灌系统、自动巡田无人机等智能化装备大显身手。
2025-06-27 10:25
6月24日,国家重大科研仪器研制项目“2.5米大视场高分辨率太阳望远镜”(WeHoST)在四川稻城启动建设配套项目,预计2027年望远镜完成装调并投入试运行。
2025-06-27 10:24
古生物研究表明,包括早期犬齿兽在内的一些远古动物,脑袋为一个没有左右脑半球区分的整体,而现生哺乳动物和典型的进步颌兽类则有左右两个脑半球。
2025-06-27 10:18
6月26日21时29分,经过约6.5小时的出舱活动,神舟二十号乘组航天员陈冬、陈中瑞、王杰密切协同,在空间站机械臂和地面科研人员的配合支持下,圆满完成既定任务。
2025-06-27 10:17
北京大学马丁教授团队26日凌晨在国际学术期刊《自然》上发表一项开创性研究,成功将复杂难处理的混合废塑料变废为宝,为根治全球塑料污染顽疾提供了新的思路。
2025-06-27 10:16
近日,一组“清华学生戴头套看演出”的照片在网络引发热议。脑机接口技术的应用还面临社会伦理与隐私保护方面的争议,如何平衡科学技术创新与社会伦理、监管要求等仍是难题。
2025-06-27 10:15
据中国载人航天工程办公室消息,根据计划安排,神舟二十号航天员乘组将于近日择机实施第二次出舱活动。目前,空间站组合体运行稳定,神舟二十号航天员乘组在轨工作已满两个月,身心状态良好,已做好出舱活动各项准备工作。
2025-06-26 09:48
6600万年前,希克苏鲁伯小行星撞击地球导致非鸟类恐龙灭绝,而就在撞击点附近,一种神秘的夜蜥蜴可能是唯一幸存下来的陆生脊椎动物。白垩纪末期,一颗巨型小行星撞击了墨西哥尤卡坦半岛附近的区域,形成了一个直径超过150公里的陨石坑,导致全球大多数动植物物种灭绝。
2025-06-26 09:47
在全球面临日益严峻的生态危机之际,中国科学院院士、中国科学院生态环境研究中心研究员傅伯杰等提出了一个衡量人与自然共同繁荣程度的全球框架。论文合作作者、联合国开发计划署人类发展报告办公室主任Pedro Conceicao表示,面对当今严峻的地球系统变化,我们必须把人与自然健康、互惠的关系纳入发展愿景。
2025-06-26 09:46
加载更多