作物生物学效应在农业生产中的应用研究

杨泞溶

（西藏大学理学院，西藏自治区 拉萨 850000）

世界人口不断增长的趋势下，人类愈加需要解决粮食问题。有相关统计显示，至2050年前后，全球粮食生产量至少需要增加70%才能满足全球人类需求[1]。现代工业发展导致全球气候不断恶化，可耕地土壤面积缩小、土地生物资源减少，促使科学家加快了对生物特性的研究[2]。作物生物学是一门研究类学科，主要研究作物的遗传图谱和孕育，实现优良品种筛选、良种化、标准化。21世纪初，随着人们需求的提升，将生物技术融入到农作物生产中成为了一种趋势。生物技术与信息技术相结合，不断突破、不断进步，促使进作物科学和现代农业技术的完美结合。

1 利用植物光合特性，提高产量

对于农作物来说，产量受限光合作用效率的影响。目前，我国农作物在光捕获方面表现良好，但是光利用效率仅仅为20%左右，在光转化上还有较大的提升空间。通常，在改善光合作用效率上是通过提高Rubisco酶活性、减少碳损耗等，从而实现效率最高化[3]。

1.1 提高Rubisco酶活性

Rubisco（1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶）是一种羧化酶，主要应用在光合作用中,通过增加氧含量，提高生物活性[4]。Rubisco酶是将无机碳转化为生物炭的主要物质，但是Rubisco酶有2个最大的缺点：一是效率低；二是缺少专一性。一般的酶分子1 s可催化1 000个底物分子，但Rubisco每1 s只能固定3分子CO2分子。因此，植物细胞为弥补低效的缺陷而产生大量的Rubisco酶，Rubisco酶成为世界上含量最丰富的酶。Rubisco酶不能主动并敏感判断分子特性，在一些化学性质相似的分子上，容易同时识别。Rubisco酶也有多种存在形式，见图1，可通过分析它的存在形式，进一步合成相关酶催化，从而实现对光合作用效率的调控。

图1 Rubisco酶存在形式Fig.1 The existing form of Rubisco enzyme

1.2 提高碳源

光合作用是通过提高CO2浓度，实现碳源的转化。其途径包括在C3植物中实现C4光合作用改造、重建物质，减少植物光呼吸中CO2损失[5]。我国在研究多基因系统组装上已成功建立了呼吸辅助路线，明显提高了光合作用效率，有效增加了植物产量。此外，还通过改善代谢产物排放路径，减少了碳源损失。

1.3 提高光利用率

以上2点指出了碳转化对光合作用的影响，还可以通过提高光能利用率，增强植物对光的吸收。比如，近期有研究团队通过基因改造手段分别在拟南芥、烟草等植物中提高“岩藻黄素-叶绿体a/c复合蛋白”含量，提高光能利用率[6]。

2 嫁接

嫁接是一种人工繁殖的方法，属于无性繁殖，将其桩与穗紧密贴合，提高存活率。嫁接充分利用了作物的生物特性，具有增强植株抗病抵抗力、耐高低温能力、扩大根系吸收能力等优势[7]。通过嫁接的方法可以使一些作物的产量提高40%左右。同时，此项技术不仅可以保留果实早熟的特性，还可以大大地缩短生长周期，提高总产量。嫁接方法主要包括靠接法、劈接法、机器法、插接法，见图2。

图2 嫁接方法分类Fig.2 The classification of grafting methods

3 植入抗干旱基因进而提高产量

我国半干旱地区约占20%，该地区农作物种植主要有3个点问题：人口基数大、可耕地面积少、土壤肥沃度低,这导致干旱地区单位产量仅仅只有全国平均水平的1/2～1/3，灌溉面积也只有5%～20%，这些不利因素极大地限制了农作物的生长以及当地农业和经济的发展。

3.1 培育抗干旱品种

近年来，现代技术飞速发展，可利用基因工程手段改善植物生长特性，导入抗干旱基因片段，提高作物抗旱能力。

3.2 减少作物摄水量

干旱地区最大的特点是缺水，通过生物节水方式，可以从单叶到群体不同层次上以及通过植物作用提高植物水分利用效率（WUE），减少作物水蒸发[8]。

4 展望

农业是我国最根本的物质保障，我国由于人口基数大，人均耕地面积有限，在合理开发、利用土地资源上具有极大的挑战性。在应对全球气候变化的同时，如何改造、优化作物光合系统，利用植物生物特性，改善植物生长条件成为了重点。由此可见，生物学在未来农业发展上，具有举足轻重的影响和地位。