中国科学家发现“光合午休”机制，为水稻装上“智能遮阳膜”

大热天中午，人困了打个盹很正常。但你大概不知道——地里的水稻、小麦，也会“午休”。中午阳光最强的时候，水稻、小麦的光合效率反而会大幅下滑，这个现象被植物学家们称为“光合午休”。它使得光照资源不能被充分利用，约等于粮食“减产”。

有没有什么办法打断午休，让植物精神起来呢？最近，来自中国科学家的一项研究，做出了有趣尝试。详情发表在6月18日的《细胞》杂志。

被强光晒坏的叶绿体“厨房”

要想给植物“提神”，先要理解它们为什么“犯困”。这得从光合作用讲起。

光合作用，就像植物用阳光做“饭”的过程：叶片里的叶绿体是“厨房”，阳光是“炉火”，水和二氧化碳是“食材”，做出来的“饭”是氧气和糖分。正常光照下，炉火不大不小，一切顺利。可一到正午，阳光太猛，等于突然把炉火开到最大，就会把原本老实本分的氧气分子“点着”，转化成格外暴躁的单线态氧，它专门攻击叶绿体的膜和进行光合作用的关键结构。

被大量的单线态氧这样捣乱，植物的光合作用自然就变慢了。这就是植物“午休”的根源。

那么，面对强光照射，植物就这么坐以待毙吗？当然不。它们也有一些“防晒”老办法。比如，把多余的光能转化成热量直接散掉，可是反应往往不及时。再比如，派出“清洁工”去清除捣乱的氧分子，但这些“清洁工”，本身耗能也不低，会影响到产量。所以，庄稼“午休”一直是农业上的老大难问题。

给水稻装上“智能遮阳膜”

在新研究中，中国科学院遗传与发育生物学研究所的李家洋院士团队发现，植物体内其实藏着一个相当于“智能防晒开关”的基因。这个基因一旦感知到强光和那些捣乱的氧分子增多，就会像按下开关一样立刻启动，指导生产出一种特殊的“防晒蛋白”。

这些防晒蛋白在强光到来时，会迅速跑到叶绿体的外壳上，像搭积木一样聚集成一层薄薄的“遮阳膜”，让过强的阳光在进入叶绿体“厨房”之前就被削弱一部分，直接从源头上减少单线态氧的出现。

于是，团队想到，如果用基因调控技术，加强这个基因“开关”，让它反应更快，并且产生更多的“防晒蛋白”来避免“晒伤”。这样，“午休”是不是就不再必须？

*基因调控，指生物体通过抑制或促进蛋白质合成，来控制基因表达的过程。它可以被人为干预。

经过四年在海南、北京、黑龙江等地的种植实验，这批新水稻品种终于能在强光正午稳定地进行光合作用，而且在普通天气下也能正常生长，产量明显胜过常规品种。

新研究打开新思路

这项研究，不仅为我们找到了提高产量的新方法，更是打开了一个新思路：

过去人们老想着，怎么修复植物被强光晒坏的“厨房”，而现在，我们可以直接在强光到达植物核心部位之前，就给它“消消火”。

国际上普遍认为，这是作物抗逆育种领域的标志性突破，因为这种“防晒机制”很可能在其他作物(比如小麦、玉米)里也有效。如能成功推广，将对应对全球气候变化、保障粮食安全意义重大。

策划制作

作者丨江帆 科普作者

审核丨陶宁 生物医学领域 副研究员

策划丨高佩雯

(“科普中国”微信公众号)