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科学与健康|我国科研团队成功破解作物“午休”奥秘

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  午间的强光,是农作物生长的“双刃剑”,看似充沛的光照能滋养作物,却会引发“光合午休”现象,造成产量大幅损耗。作物“午休”的机制是什么?如何克服“午休”及由此带来的产量损失?一直是困扰科学界的难题。

  6月18日,中国科学院遗传与发育生物学研究所、崖州湾国家实验室李家洋院士团队联合国内外多家单位,在国际学术期刊《细胞》在线发表研究成果,首次发现植物可通过蛋白凝聚体为叶绿体搭建动态“天然防晒屏障”,解锁了全新主动光保护机制。研究由国家生物育种重大专项及国家重点研发计划支持完成,是我国在作物高光效基础研究领域取得的一项原创性重大成果。

  扎根田间地头,与普通农民看上去别无二致,把论文写在祖国大地。科研团队在海南、北京和黑龙江等地连续进行了四年大田试验,充分验证了这一机制的应用价值。团队以主栽优质稻品种为试验材料,发现上调MBS1蛋白表达后,水稻抵御田间强光逆境的能力显著增强,在不影响植株正常生长发育的前提下,实现了稳产增产。

  光照是植物光合作用的能量源泉,却也是潜在的“伤害源”。大田环境中,强光往往与高温、干旱叠加形成复合逆境,过量光能会导致作物正午光合效率下滑。这一瓶颈制约着农作物产能提升。

  传统观点认为,强光诱发叶绿体内产生的单线态氧,造成光系统Ⅱ及叶绿体结构损伤并触发防御反应,即先受损再启动保护,是典型的事后补救,反应慢、耗能大。

  此次研究成功解锁了植物的“智能防晒密码”。科研团队依托核磁共振结构解析、超分辨显微观测、光学模拟等前沿技术,锁定了核心调控蛋白MBS1。研究证实,当遭遇强光胁迫时,MBS1蛋白可精准捕捉单线态氧信号,在叶绿体外膜动态组装形成特殊蛋白凝聚体。

  与传统“受损后修复”的生化防护模式不同,这些蛋白凝聚体如同一层自适应、可开合的“智能防晒膜”,紧密包裹在叶绿体表面,通过光学散射、遮蔽作用弱化强光透射,从源头减少单线态氧的过量生成,避免光合系统损伤。

  多位国际审稿专家对该成果给予高度评价,认为这是作物光合改良领域的标志性突破。研究创新性打通了活性氧感知、蛋白相分离、亚细胞光学调控与田间作物产能的关联链路,填补了传统植物逆境生物学的理论短板,从基础机理创新到田间应用验证形成完整研究闭环,兼具重大的学术创新价值与广阔的转化前景。

  专家认为,在全球气候变化、极端天气频发的当下,这项成果为高光效、抗逆高产作物育种开辟了全新赛道,提供了精准可靠的分子靶点与育种思路,对提升农作物气候适应能力、稳定粮食产能、筑牢国家粮食安全防线,具有十分重要的科学价值与现实意义。

  从精准设计“一粒种子”,到为庄稼装上“抗冷保险”,再到如今成功破解作物“午休”奥秘,我国科研人员勇攀高峰,为保障国家粮食安全不断作出科技新贡献。

  “在精准设计育种领域,我们取得了覆盖理论、技术、产品的全链条体系化突破。”中国科学院院士李家洋介绍,“十五五”期间,我们将进一步聚焦高产、优质的重大品种创制研究,包括基础理论前沿、关键核心技术的突破,使中国跻身国际引领地位。

  策划:陈芳

  统筹:吴晶

  记者:胡喆、古一平

  新华社国内部出品

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