我國(guó)科學(xué)家在水稻光合效率提高分子機(jī)理研究中取得重要進(jìn)展
7月28日，國(guó)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(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所基因組生物學(xué)研究中心儲(chǔ)成才領(lǐng)導(dǎo)的研究組，通過(guò)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(gè)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(rèn)為UGE僅存在于細(xì)胞質(zhì)中，研究組通過(guò)遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和免疫細(xì)胞學(xué)等手段，證明PHD1存在于葉綠體基質(zhì)中；進(jìn)一步生化實(shí)驗(yàn)也表明，這個(gè)酶催化生成糖脂合成底物——UDP-半乳糖的過(guò)程是在葉綠體內(nèi)進(jìn)行。這是首次發(fā)現(xiàn)UGE也存在于葉綠體中。進(jìn)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(guò)程。因此，這項(xiàng)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(lái)源和發(fā)生機(jī)制，并暗示了該機(jī)制在綠色植物中是保守的，為進(jìn)一步研究光合膜糖脂在植物光合作用以及生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)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(xì)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(guò)程，是整個(gè)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(gè)根本途徑。
光合作用在綠色植物所特有的細(xì)胞器——葉綠體中進(jìn)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(duì)糖脂合成過(guò)程中UDP-半乳糖底物供應(yīng)來(lái)源和產(chǎn)生機(jī)制一直不甚清楚。
phd1突變體中糖脂的不足嚴(yán)重影響了光合色素的含量并降低了有效光化學(xué)效率。有意思的是，在過(guò)表達(dá)PHD1的轉(zhuǎn)基因株系中決定水稻產(chǎn)量的兩個(gè)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(duì)水稻分蘗、千粒重及株高等產(chǎn)生適度(fine-tuning)促進(jìn)效應(yīng)，尤為重要的是，過(guò)表達(dá)植株的光合能力，尤其是在低光強(qiáng)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(duì)西南如云貴川等光強(qiáng)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(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。
