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“C4水稻”的研究计划转换光合作用模式

时间:2012-5-23 9:35:25 点击:

“C4水稻”的研究计划  转换光合作用模式

 

同样在农田里沐浴阳光,玉米、高粱转化光能的效率比水稻、小麦高出一大截——如果让水稻像玉米那样利用阳光,不就能生产更多粮食了吗?科学家已开始为实现这一“绿色梦想”而努力:一项名为“C4水稻”的国际合作研究计划去年启动,中国科学家承担了其中“系统设计”的重任。

“生物研究的登月计划”

玉米和水稻采用两种不同的光合作用模式:玉米用的是效率较高的“碳四模式”(C4),光能转化效率的理论最大值可达6%;而水稻用的“碳三模式”(C3)只有4.6%,效率较低。

4.6%和6%的差距,在植物生长上会产生多大影响?且看一组来自国际水稻研究所的数据:同时播种玉米与水稻,在发芽44天后,一公顷玉米产生的生物量干重为13.9吨,而水稻只有8.3吨。

提高生物量干重是提高产量的重要途径,因此尽管在农田中实现的光能转化效率只有理论最大值的1/3左右,但若能让水稻放弃低效的C3模式、改用高效的C4模式,产量肯定会“飞跃”。

让水稻接受玉米的光合作用模式?科学家认为,这是一次新的“绿色革命”;但“革命”的难度极大、挑战性极高,所以有人称之为“生物研究的登月计划”。

“C4水稻”激起了各国科学家的强烈兴趣。去年4月,盖茨基金会决定投资,为期15年,前3年预研阶段投入1100万美元。由国际水稻研究所主持的这项研发计划,有英国、美国、德国、加拿大、澳大利亚和中国等国的科学家参加,组成了4个研究组:遗传筛选组、分子生理组、分子工程组、生物信息与系统生物学组,中科院上海生命科学院计算生物学研究所研究员朱新广担任生物信息与系统生物学组的负责人。

“电子水稻”先探路

要让水稻改用C4模式,首先要搞清两种光合作用模式的作用与分化机理。先期研究发现,所有植物吸收二氧化碳都离不开一个酶RUBISCO,可它“生性懒惰”,工作效率十分低下。在光合作用系统中,C4植物比C3植物多了一套“设备”,这套“设备”能将二氧化碳分子富集到RUBISCO周围,促使它专心于二氧化碳固定,从而提高工作绩效。研发“C4水稻”的最终目标,就是要将这套“设备”搬运到水稻中,并让它有效运转。

在这项难度堪比登月的“搬运工程”中,我国生命科学家将担负总体设计的重任——通过“电子植物”的模拟,设计出可行的“搬运”方案。

这项任务的负责人朱新广告诉记者,在已有的研究基础上,他们正在建立C3和C4光合作用的系统模型,用以模拟光合作用过程,并探索实现从C3到C4转变的阶段和步骤。“C4光合作用牵涉到几十个酶,还必须有很多负责调控和转运的蛋白质,另外叶片显微结构也有所不同。”他解释说,这就像搬迁一个工厂,光把所有机器搬过去不够,一定要营造合适的运行环境、建立规章制度,才能将机器正确连接、开动、运转起来,才能发挥作用——系统模型与“电子植物”将帮助科学家探寻改造水稻的途径,并指导改造过程。

狗尾巴草来助阵

去年,“C4工程研究中心”成立,它由上海生命科学院旗下的7个实验室参与协同。目前“中心”的主要工作是建立系统模型,同时鉴定C4光合作用分化过程中的重要调控分子,进而在模式生物上作验证。

为了这项计划,科学家通过国际合作,确定了一种新的模式植物——青狐尾草,俗称狗尾巴草。别看名字不雅,它其实有很多优点:生长周期仅6周左右,适合做大批遗传筛选……如今它的基因序列尚在测序,未来它将为“C4水稻”的研究立下赫赫战功。

“实现目标虽然困难,却并非不可能。”朱新广说,在自然界中,这两种光合作用的模式经常并存于同一种植物里,比如玉米虽属C4植物,它的苞叶却用C3模式进行光合作用。看到“C4水稻”对将来农业的重要影响,世界多国都开始酝酿并启动相关研究,力争将来在这个领域获得更多主动权和发言权——朱新广为此希望更多的中国科学家加入研究。(

作者:琦敏 录入:陈萍萍 来源:转载
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