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

  • 2026年巴塞尔艺术展香港展会启幕

  • 江西上饶:防火宣传进景区

独家策划

推荐阅读
全国科学技术名词审定委员会25日发布《关于发布试用人工智能领域名词token中文名“词元”的公告》,决定在综合考量社会各界意见建议的基础上,优先推荐“词元”作为人工智能领域名词token的中文名,并面向全社会发布试用。
2026-03-26 09:23
木卫二是一颗冰封的木星卫星,也是太阳系内最有希望孕育地外生命的地方。“欧罗巴快船”团队认为,他们将发现适宜生命生存的海洋,但除非探测器真正抵达、展开探测,没有人能给出确切的答案。
2026-03-26 09:24
作者:陆俊杰(南通大学副校长,江苏省习近平新时代中国特色社会主义思想研究中心特约研究员)  在促进创新链产业链资金链人才链深度融合、推动科技成果高效转化应用上探索新途径,是“十五五”时期江苏经济社会发展的重要目标任务。深耕“双高协同”不仅是破解科研创新与产业需求脱节的关键举措,更是落实创新驱动发展战略的重要布局。
2026-03-26 09:24
记者从中国发明协会获悉:在瑞士日内瓦举行的第五十一届日内瓦国际发明展上,中国代表团共获得90项金奖、95项银奖和52项铜奖。
2026-03-26 09:30
工业和信息化部25日公布,今年前2个月,我国通信业运行平稳,电信业务总量保持增长,5G、千兆光网、物联网等网络基础设施建设有序推进。截至2月末,5G基站总数达490.9万个,比上年末净增7万个,占移动基站总数的38%。
2026-03-26 09:24
3月25日,国家自然科学基金委员会在2026中关村论坛年会开幕式上发布2025年度“中国科学十大进展”,10项重大基础研究突破入选。界面调控新方法创制面向空天应用的高性能柔性叠层太阳能电池示意图 国家自然科学基金委员会供图 
2026-03-26 09:22
3月25日,以“创新与发展”为永久主题,由科技部、国家发展改革委、工业和信息化部、国务院国资委、中国科学院、中国工程院、中国科协和北京市政府共同主办的2026中关村论坛年会在北京拉开帷幕。
2026-03-26 09:21
记者24日从农业农村部获悉,农业农村部近日印发通知,督促指导各地依法严厉打击坑农害农、危害粮食安全和农产品质量安全违法行为,守护群众“舌尖上的安全”,持续夯实国家粮食安全根基。
2026-03-25 10:22
氢能兼具能源、资源、储能介质三重属性,氢能产业科技含量高、低碳属性强、发展空间大。通知提出到2030年,通过应用规模扩大,推动氢能应用技术、工艺、装备创新突破,实现燃料电池、电解槽、储运装置和材料等迭代升级,推动氢能成为新的经济增长点,支撑实现经济社会发展全面绿色转型。
2026-03-25 10:21
林间密密麻麻的印痕,正是东北虎豹国家公园生态环境越来越好的体现。在科技守护与不懈坚守下,东北虎豹国家公园的生态成果愈发显著:东北虎和东北豹的数量由公园试点初的27只和42只,增长至当前的70只和80只左右。
2026-03-25 10:11
国家卫生健康委和中国气象局24日联合发布首期全国花粉浓度预报服务提示,为公众提供精准防护指引。目前正值春季,以木本植物花粉传播为主,建议过敏人群及时关注本地花粉浓度和种类变化,必要时明确过敏原,提前做好防护和出行安排。
2026-03-25 10:04
自然资源部日前发布四川省冕宁县牦牛坪矿区稀土矿资源储量核实勘查项目成果,矿区新增稀土资源量966.6万吨。据悉,牦牛坪矿区稀土矿资源储量核实勘查项目还新增伴生萤石资源量2713.5万吨、伴生重晶石资源量3722.8万吨,均达到超大型规模,具有重大战略意义。
2026-03-25 10:00
记者了解到,自20世纪60年代推广杂交玉米种以来,我国玉米的单产提高了约2.7倍,其中51%的增益都来自优良杂交种的选育与应用。进一步研究发现,在现代杂交育种过程中,玉米的基因有害变异被不断清除或互补,并且,杂交种中有害等位基因被抑制表达的比例与其产量和育成年代同步增长。
2026-03-24 09:29
2023年,国务院部署开展专利转化运用专项行动(以下简称“专项行动”)。教育部科学技术与信息化司司长周大旺表示,教育部着力畅通科技成果转化的链条,加速把高校丰富的专利转变为产业发展的红利。
2026-03-24 09:28
走进内蒙古博物院的有机质文物修复室,时间似乎放慢了脚步,空气中透着静谧,只有工具偶尔轻碰的细微声响。”  无机质文物修复室里,文物修复师季园园展示了另一种“手术”场景。
2026-03-24 09:28
柳申滨最初以针刺治疗皮肤炎症及穴位敏化机制为切入点,试图探寻针刺调控皮肤靶器官的效应规律。”  通过和临床医生交流,柳申滨了解到,在压力、焦虑等心理应激状态下,特应性皮炎患者的皮肤炎症会显著加重。
2026-03-24 09:28
全球最大人工智能(AI)模型API聚合平台OpenRouter最新数据显示,3月16日至3月22日,全球AI大模型总调用量为20.4万亿Token,环比增长20.7%。”
2026-03-24 09:28
杂交稻的大面积推广显著提升了水稻产量,但其生产长期依赖程序复杂、成本高昂且需年年重复的杂交制种过程。
2026-03-23 09:40
近日,澳大利亚一位机器学习领域科技企业家,通过人工智能大模型自行设计肿瘤疫苗,救治自家患癌宠物犬的故事广受关注。
2026-03-23 09:39
记者从中国石化获悉,我国首套全链条国产化溶液法聚烯烃弹性体工业化装置在天津进入试运行,相关生产技术取得原创性突破,将有效缓解我国光伏等战略性新兴产业对该材料的进口依赖。
2026-03-23 09:33
加载更多