分子植物卓越中心揭示磷转运蛋白调控叶片光合速率和水稻产量的作用
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作者：分子植物科学卓越创新中心
发布于：2024-08-19
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- 光合作用是作物改良的重要目标之一。光合叶片中的无机磷（Pi）作为腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）合成原料并参与光合蛋白调控以及磷酸丙糖（TP）等光合产物周转，叶片中Pi含量在一定条件下可能成为光合作用高效运转的限制因素。实际上，田间光合作用的磷限制常发生在抽穗灌浆阶段、需要光合作用高效运转的时期。 叶片（源）与种子（库）之间的Pi分配对作物籽粒灌浆有重要影响，然而，Pi在源库之间如何分配调控及其对叶片光合效率的影响尚需解析，有效的遗传解决方案仍有待建立。
- 8月13日，《美国国家科学院院刊》（PNAS）在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员王鹏、何祖华研究组合作完成的题为Genetic improvement of phosphate-limited photosynthesis for high yield in rice的研究论文。该研究发现水稻OsPHO1;2磷转运蛋白能够向叶片分配无机磷，其表达量与叶片Pi含量、净光合速率以及产量的增高呈正相关。
- 此前，研究团队发现OsPHO1;2控制籽粒中磷的再分配从而影响其灌浆（Ma et al.，2021）。该研究发现，OsPHO1;2功能缺失突变导致叶片Pi缺乏，光合电子传递活性及CO2同化速率降低，光合作用Pi限制提前发生；过量表达OsPHO1;2有效地延长了高光合速率的持续时间，从而提高了产量潜力。研究为OsPHO1;2调节叶片中Pi的稳态、TP-Pi反向交换转运效率、光合作用的Pi限制等提供了遗传、生理和生化证据。此外，对核心水稻种质资源的分析表明，与低表达OsPHO1;2的水稻相比，高表达OsPHO1;2的水稻与更高的叶片Pi含量、光合作用和产量潜力相关。更重要的是，对水稻灌浆期叶面喷施磷肥补充Pi，提高了剑叶光合速率，延长了剑叶光合有效期，对籽粒产量的提高有较大贡献；与叶面施用磷酸盐相比，OsPHO1;2相关的遗传改造策略被证明在调节叶片Pi以实现高效光合生产方面是同样有效的。
- 研究表明，光合作用的磷限制可通过遗传途径解除或减缓，OsPHO1;2基因可以用于加强作物的育种策略，以获得更高的磷利用效率及光合驱动力。因此，该研究不仅揭示了叶片磷分配、光合作用与粮食产量之间关联的新机制，而且为在有限磷投入的情况下提高作物产量提供了新路径。
- 研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金青年基金以及分子植物卓越中心启动经费的支持。
- 论文链接
- 磷转运蛋白OsPHO1;2调控水稻叶片Pi含量及其光合的作用模式。灌浆过程中，OsPHO1;2通过茎节将Pi分配给叶片，剑叶中适当的Pi积累持续促进光合光反应和碳同化。而OsPHO1;2的功能缺失导致叶片严重的Pi缺乏，从而显著抑制光合蛋白磷酸化、卡尔文循环（CBB）组分、ATP和NADPH合成以及TP-Pi反向交换转运效率。另外，OsPHO1;2的突变使光合Pi限制的发生时间提前，而OsPHO1;2的过表达则使其延迟，从而延长了高光合速率持续时间，提高了籽粒产量。紫色箭头表示模型中OsPHO1的转运功能，棕色箭头表示模型中SPDT的转运功能。
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