我國科學家在水稻光合效率提高分子機理研究中取得重要進展
7月28日，國際雜志《PLoS Genetics》在線發(fā)表了題為“A Rice Plastidial Nucleotide Sugar Epimerase Is Involved in Galactolipid Biosynthesis and Improves Photosynthetic Efficiency”的論文（DOI:10.1371/journal.pgen.1002196）。文章揭示，由中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所基因組生物學研究中心儲成才領(lǐng)導(dǎo)的研究組，通過大規(guī)模篩選鑒定水稻光合能力和碳同化突變體（photoassimilate defective1, phd1），克隆和鑒定了編碼一個新型UDP-葡萄糖差向異構(gòu)酶（UDP-glucose epimerase, UGE）基因PHD1。以往人們一直認為UGE僅存在于細胞質(zhì)中，研究組通過遺傳學、分子生物學和免疫細胞學等手段，證明PHD1存在于葉綠體基質(zhì)中；進一步生化實驗也表明，這個酶催化生成糖脂合成底物——UDP-半乳糖的過程是在葉綠體內(nèi)進行。這是首次發(fā)現(xiàn)UGE也存在于葉綠體中。進一步功能鑒定表明，PHD1參與了糖脂的生物合成以及光合膜的生物發(fā)生過程。因此，這項研究不僅發(fā)現(xiàn)了一種新型質(zhì)體定位的UDP-葡萄糖差向異構(gòu)酶，而且闡明了高等植物光合膜上糖脂糖基組分的來源和發(fā)生機制，并暗示了該機制在綠色植物中是保守的，為進一步研究光合膜糖脂在植物光合作用以及生長發(fā)育過程中的重要作用奠定了基礎(chǔ)。光合作用是綠色植物及光合細菌在光下利用光合色素將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳水化合物并釋放氧氣的過程，是整個生物界賴以生存的基礎(chǔ)。提高光合作用效率是農(nóng)作物增產(chǎn)的一個根本途徑。
光合作用在綠色植物所特有的細胞器——葉綠體中進行，存在于葉綠體上的光合膜含有豐富的糖脂（半乳糖甘油酯），而UDP-半乳糖是合成這些糖脂的主要供體。目前有關(guān)光合膜上糖脂組裝的遺傳和生化分析已有研究，但對糖脂合成過程中UDP-半乳糖底物供應(yīng)來源和產(chǎn)生機制一直不甚清楚。
phd1突變體中糖脂的不足嚴重影響了光合色素的含量并降低了有效光化學效率。有意思的是，在過表達PHD1的轉(zhuǎn)基因株系中決定水稻產(chǎn)量的兩個主要因子：有效穗數(shù)和籽粒千粒重都顯著增加，并最終提高了水稻產(chǎn)量。PHD1不僅對水稻分蘗、千粒重及株高等產(chǎn)生適度(fine-tuning)促進效應(yīng)，尤為重要的是，過表達植株的光合能力，尤其是在低光強下光合能力得到顯著提高。因此，PHD1為新一代水稻以及能源作物高產(chǎn)育種，特別對西南如云貴川等光強不足地區(qū)的作物高產(chǎn)育種改良提供了一種全新的思路，具有顯著的潛在應(yīng)用價值和經(jīng)濟意義。
