历时十年，破解作物“午休”百年难题——给叶绿体披件“防晒衣”

来源：人民日报海外版

作者：孙海天

炎夏正午，烈日当空。此时的农田里，多数作物反而“歇了工”：光照明明最充足，光合作用速率却不升反降，白白损失掉大量本可积累的产量。这种自1910年被首次记录的“光合午休”现象，致使全球主要农作物平均减产约30%。

光照驱动生命繁衍，过量光能却化身破坏者。此后一百多年，植物生理学家反复追问同一个问题：作物为什么会在阳光最强的时候“打瞌睡”？有没有办法让它醒过来？

日前，国际学术期刊《细胞》在线发表了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的最新成果。研究首次揭示了一种蛋白质在强光下能主动包裹叶绿体表面、遮挡部分光线的全新机制，并通过连续四年的水稻大田试验证实，强化这一机制可使水稻增产。

在北京试验田里，MBS1超表达稻花香（中间列）相比普通稻花香品种增产达到20%—30%。受访者供图

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作物为何“午休”

要理解作物为何“午休”，先要看清叶绿体里发生了什么。

叶绿体是植物进行光合作用的核心场所，叶绿素在此捕获光能，驱动二氧化碳和水合成有机物。一旦光照过强，叶绿素吸收的能量超过光合系统的处理能力，多余能量就会催生出一种极其活跃的分子——单线态氧。

单线态氧半衰期只有微秒级，活性却极高。一旦过量，便会氧化、攻击光合作用系统，直接造成光合损伤，还能扩散穿透叶绿体膜，向细胞传递胁迫信号。

大田环境中，正午的强光往往与高温、干旱叠加，单线态氧的破坏力被进一步放大。叶绿体结构受损，光合效率被迫下降，作物的“午休”由此而来。

植物并非毫无还手之力。经过数亿年演化，它们发展出热耗散、抗氧化清除、光系统修复等多条防护通路。但这些机制大多是“亡羊补牢”，等到损伤已经发生才启动响应，反应慢，也费能量，面对田间瞬息万变的光照条件常常力不从心。

有没有更主动、更高效的保护方式？

线索藏在一个只有约110个氨基酸的超小蛋白MBS1（亚甲基蓝敏感蛋白1）里。论文共同第一作者兼共同通讯作者邵宁早年在德国求学，2001年赴弗莱堡大学攻读分子遗传学，博士后阶段在马普分子植物生理研究所一头扎进莱茵衣藻的活性氧信号研究。她从藻类中辨认出MBS1，注意到它可能是单线态氧信号通路上的关键角色。

2016年，邵宁加入中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋实验室，此后十年，他们围绕MBS1展开持续研究。

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强光来了，穿上“防晒衣”

光是把MBS1的结构看清楚，就耗去3年。传统的X射线晶体学对此束手无策，中国科学院生物物理研究所周政团队改用核磁共振，在溶液里一点点“描”出了它的模样，最终存入国际蛋白质数据库。

更关键的发现是，MBS1是一个高度专一的单线态氧“探测器”。正常光照下，它分散在细胞质中，安安静静。强光一来，单线态氧水平升高，原本散落的MBS1迅速“抱团”：先聚成流动的小液滴，再随着单线态氧累积，凝结成质地更黏稠的凝聚体，一层层裹到叶绿体外膜上。

凝聚体能显著散射光线，减少强光进入叶绿体。换句话说，MBS1凝聚体是一件天然的“防晒衣”。它把多余光线散射削弱，从源头掐断单线态氧的过量生成，将保护动作提前到了损伤发生之前。

更精妙的是，这套机制可逆。强光当头，它迅速成形；日头西斜、光照转弱，凝聚体又自行散去，把蛋白和能量还给细胞。

“MBS1凝聚体是一套主动防御系统，强光来了自动披挂，光照缓和自动卸甲。”李家洋说，“这种以极低能耗实现高效防护的调控模式，此前从未在植物中被发现。”

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跨越四千公里的田间大考

“基础研究不是拍拍脑袋就能做出来的，路线不对，二十年也白搭。”李家洋说。论文署名25位作者，涉及中国科学院遗传发育所、中国科学院生物物理所、崖州湾国家实验室、北京大学、清华大学等14家单位，这正是现代农业生命科学“跨学科、多组学交叉”的缩影。

实验室里看清的机理，最终要回到泥土里检验。从2021年到2024年，团队带着超表达OsMBS（MBS1的水稻同源基因）的优质稻品种“稻花香”，连续四个生长季在南北跨越四千公里的海南、北京、吉林、黑龙江四地铺开大田试验。

结果令人振奋。东北光热温和，增产10%至15%；北京居中，增产20%至30%；海南日照最烈、暑热最盛，增产幅度最高达到47%。改良后的水稻扛得住正午强光，叶绿体里的单线态氧明显减少，强光过后光系统的恢复也更快；稻米的营养品质并未打折，还提前约10天开花成熟。

“光越强、增产越明显，MBS1保护的正是那些在强光下被白白损失掉的光合产能。我们守住了午间的光合作用，增加的是净产量。”邵宁说。

“现在回看，十年的跋涉是值得的。我们揭开了百年的作物‘午睡’之谜，也为未来的绿色增产提供了一个全新靶点。”李家洋表示，这恰恰是未来“育种5.0”时代智能作物的核心特征——拥有对环境动态响应的“智能开关”，完美解决了过去“高产不抗逆、抗逆不高产”的矛盾。

从一个只有约110个氨基酸的微型蛋白出发，穿越十年的潜心攻关，最终抵达大田里的金色稻浪。这颗来自基础研究的种子，正在走向它更广阔的田野。