让光合作用全力运转

编译 汤恒岩

光合作用是绿色植物利用光能，将二氧化碳和水转化为富能有机物，同时释放氧气的过程。光合作用包含100 多个步骤，效率低得惊人，科学家多年来一直在努力改进光合作用。最近，科学家首次修改了大豆植株的基因，以期提高其光合作用效率，使大豆增产。

植物反应慢，人类吃不饱

联合国最新报告指出，2021 年全世界近10%的人仍过着忍饥挨饿的生活。联合国儿童基金会预计，到2030 年，将有超过6.6 亿人面临粮食短缺和营养不良问题。造成这种情况的两个主要原因是：低效的粮食生产方式和气候变化带来的恶劣生长条件。

在云朵遮蔽等弱光照条件下，叶黄素循环方向的逆转往往需要数分钟才能完成

植物光合作用的进行离不开光能，但是在全光照条件下，没有任何一种植物能够完全利用其吸收的所有光能。过量的光照反而会对植物造成潜在的危害，因为强光会抑制光合作用，降低光合作用的效率和最大光合速率（称为光抑制），严重时还会破坏光合作用相关结构。

事实上，植物在进化过程中已形成多种光保护机制，其中依赖于叶黄素循环的热耗散作用在近年来受到普遍关注。它在耗散多余能量中起重要作用，被认为是光保护的主要途径。

叶黄素循环主要涉及三种组分：紫黄质（V）、花药黄质（A）和玉米黄质（Z）。高等植物在强光照条件下，V 先转化为中间产物A，再形成Z。其中，Z 可以直接淬灭叶绿素的光活性状态，让植物吸收的过剩光能以热能的形式流失。当太阳下山后或者天空有云朵遮住太阳时，叶黄素循环就需要逆转转化方向，即：Z 经A 最终转化回V，以降低Z 的含量，让叶子可以在较弱的光照强度下继续进行充分的光合作用。然而，叶黄素循环方向的逆转往往需要数分钟才能完成，这浪费了植物原本可以用来进行光合作用的宝贵时间。

提高植物的工作效率

在众多与光合作用有关的基因中，有三个基因（合称VPZ）是影响光保护机制切换速度的关键。

2016 年的一项研究表明，在烟草（因为改变烟草的基因很容易，而且单一植物可以产生大量的种子）中上调VPZ 基因的表达强度（让VPZ 过表达）可以加速Z 向V 的转化过程，从而提高其光合作用效率，并最终提高烟草的生物量（某一时刻单位面积内含有的有机物质总量）。然而，这几年间，学界对VPZ 的作用一直有争议，部分研究者认为，VPZ 引起的积极作用可能与激素含量变化有关，并且这种增产效应可能会受到植物种类的限制，难以应用在粮食生产中。

为解决上述争议，科学家进一步以全球第四大粮食作物——大豆为研究对象，开展田间试验，探索了VPZ 对光合作用及作物产量的影响。他们发现，VPZ 的过表达会让大豆种子产量显著提高，最高可高出平均水平33%。该研究还发现，不仅大豆种子产量提高，单粒大豆中的蛋白含量和含油量也未发生变化，因此可谓“添数量而不减品质”，这凸显了通过这种生物工程方式提高作物产量的潜力。

利用合成生物学手段改造的烟草作物极大地提高了光合作用效率，并且植物体形也随之变大

对光合效率的微观研究发现，尽管在不同品种和不同年份中的试验结果存在部分差异，但大豆中VPZ 的过表达均加速了荫—光转变过程中的光保护关闭速度，从而提高了光强不稳定条件下的光合效率；此外，尽管VPZ 处于过表达状态，但大豆在强光照条件下其V 含量依然会减少，Z 含量依然会增加，也就是说，这并不影响植物启动必要的光保护机制。

VPZ 的过表达会让大豆种子产量显著提高，大豆的品质不会下降

烟草和大豆这两种截然不同作物的产量在试验条件下都有很大的增长，这表明这种方法具有普遍适用性。可以说，这个方法一旦成熟，农业将迎来质的飞跃。