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Improving photosynthetic efficiency for greater yield. ​

文献信息 ​

DOI10.1146/annurev-arplant-042809-112206
PMID20192734
期刊Annual review of plant biology
影响因子26.5
JCR 分区Q1
发表年份2010
被引次数553
关键词光合效率, 作物产量, 遗传改良, 生物系统, 合成生物学
文献类型Journal Article, Review
ISSN1543-5008
页码235-61
期号61()
作者Xin-Guang Zhu, Stephen P Long, Donald R Ort

一句话小结 ​

本研究探讨了光合作用效率在未来提高粮食作物产量潜力中的关键作用，指出传统育种和现代生物技术的结合能够优化光能转导过程，从而提升作物生产力。通过改进光捕获、叶片排列及光呼吸旁路等方法，有望实现主要作物产量的显著提升，以应对日益增长的全球食品需求。

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光合效率 · 作物产量 · 遗传改良 · 生物系统 · 合成生物学

摘要 ​

在过去50年中，提高主要粮食作物的产量潜力对食品供应的显著增长做出了重要贡献，直到最近，这一增长一直与全球需求的上升保持着良好的步伐。尽管改善光合作用效率在过去半个世纪取得的显著生产力提升中只发挥了次要作用，但未来产量潜力的进一步提升在很大程度上将依赖于光合作用的改善。在此，我们探讨了作物在从光捕获到碳水化合物合成过程中光合作用能量转导中的低效现象，以及经典育种、系统生物学和合成生物学如何为开发更高产的种质提供新的机遇。近期的机会包括改善作物冠层中叶片的排列，以避免单片叶片的光饱和，以及进一步研究已经提高了模式物种生产力的光呼吸旁路。长期的机会包括在植物中工程化更适应当前和未来二氧化碳浓度的羧化酶，以及利用建模来指导光合作用装置各组成部分的分子优化资源投资，以最大化碳增益而不增加作物投入。这些变化共同有潜力使我们主要作物的产量潜力翻倍以上。

英文摘要 ​

Increasing the yield potential of the major food grain crops has contributed very significantly to a rising food supply over the past 50 years, which has until recently more than kept pace with rising global demand. Whereas improved photosynthetic efficiency has played only a minor role in the remarkable increases in productivity achieved in the last half century, further increases in yield potential will rely in large part on improved photosynthesis. Here we examine inefficiencies in photosynthetic energy transduction in crops from light interception to carbohydrate synthesis, and how classical breeding, systems biology, and synthetic biology are providing new opportunities to develop more productive germplasm. Near-term opportunities include improving the display of leaves in crop canopies to avoid light saturation of individual leaves and further investigation of a photorespiratory bypass that has already improved the productivity of model species. Longer-term opportunities include engineering into plants carboxylases that are better adapted to current and forthcoming CO(2) concentrations, and the use of modeling to guide molecular optimization of resource investment among the components of the photosynthetic apparatus, to maximize carbon gain without increasing crop inputs. Collectively, these changes have the potential to more than double the yield potential of our major crops.

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主要研究问题 ​

  1. 如何通过改进光合效率来解决全球粮食安全问题？
  2. 在不同气候条件下，光合效率的提高对作物产量的影响有哪些差异？
  3. 目前有哪些新兴技术能够有效提高作物的光合效率？
  4. 如何评估光合效率改进对生态系统和环境的长期影响？
  5. 在光合效率提升的研究中，传统育种与合成生物学的结合会带来哪些具体优势？

核心洞察 ​

1. 研究背景和目的 ​

在过去50年中，主要粮食作物的产量潜力显著提高，极大地推动了全球食品供应的增长。然而，尽管光合作用效率的提高在过去的生产力提升中仅占少数，未来的产量增加将高度依赖光合作用的进一步改善。本研究旨在识别和解决光合作用能量传递过程中的低效环节，并探讨通过传统育种、系统生物学和合成生物学等手段来开发更高产的种质资源。

2. 主要方法和发现 ​

研究首先分析了作物在光获取到碳水化合物合成过程中的光合作用效率问题，识别出多个潜在的改进点。近期的机会包括优化作物冠层中叶片的排列，以避免单一叶片的光饱和现象，这有助于提高整体光利用率。此外，研究还探讨了一种光呼吸旁路的机制，这种机制在模型植物中已经显示出提高生产力的潜力。长期机会则集中在工程改造植物的羧化酶，使其更好地适应当前及未来的二氧化碳浓度，以及利用建模技术指导光合作用设备各组成部分的分子优化，从而在不增加作物投入的情况下最大化碳增益。

3. 核心结论 ​

本研究表明，通过改善光合作用的效率，尤其是在光捕获和碳合成的过程中，能够显著提高主要作物的产量潜力。近期和长期的技术改进策略，如优化叶片排列、探索光呼吸旁路和工程羧化酶，均有潜力使主要作物的产量潜力翻倍。

4. 研究意义和影响 ​

本研究的重要性在于，它为应对全球食品需求增长提供了新的科学依据和技术路径。通过提高光合作用效率，不仅可以提升粮食产量，还能有助于提高作物的可持续性，减少对环境的负担。此外，研究的成果为农业生物技术的进一步发展提供了理论基础和实践方向，对于提高全球农业生产力、保障食品安全具有深远的影响。

引用本文的文献 ​

  1. Next-generation protein-rich potato expressing the seed protein gene AmA1 is a result of proteome rebalancing in transgenic tuber. - Subhra Chakraborty;Niranjan Chakraborty;Lalit Agrawal;Sudip Ghosh;Kanika Narula;Shubhendu Shekhar;Prakash S Naik;P C Pande;Swarup Kumar Chakrborti;Asis Datta - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (2010)
  2. Structural model and spectroscopic characteristics of the FMO antenna protein from the aerobic chlorophototroph, Candidatus Chloracidobacterium thermophilum. - Jianzhong Wen;Yusuke Tsukatani;Weidong Cui;Hao Zhang;Michael L Gross;Donald A Bryant;Robert E Blankenship - Biochimica et biophysica acta (2011)
  3. How do we improve crop production in a warming world? - Elizabeth A Ainsworth;Donald R Ort - Plant physiology (2010)
  4. Genetic variation in biomass traits among 20 diverse rice varieties. - Courtney E Jahn;John K Mckay;Ramil Mauleon;Janice Stephens;Kenneth L McNally;Daniel R Bush;Hei Leung;Jan E Leach - Plant physiology (2011)
  5. Increasing photosynthetic carbon assimilation in C3 plants to improve crop yield: current and future strategies. - Christine A Raines - Plant physiology (2011)
  6. Optimizing antenna size to maximize photosynthetic efficiency. - Donald R Ort;Anastasios Melis - Plant physiology (2011)
  7. Does enhanced photosynthesis enhance growth? Lessons learned from CO2 enrichment studies. - Miko U F Kirschbaum - Plant physiology (2011)
  8. Combining enhanced root and shoot growth reveals cross talk between pathways that control plant organ size in Arabidopsis. - Liesbeth Vercruyssen;Nathalie Gonzalez;Tomás Werner;Thomas Schmülling;Dirk Inzé - Plant physiology (2011)
  9. A new dawn for industrial photosynthesis. - Dan E Robertson;Stuart A Jacobson;Frederick Morgan;David Berry;George M Church;Noubar B Afeyan - Photosynthesis research (2011)
  10. TaNF-YB3 is involved in the regulation of photosynthesis genes in Triticum aestivum. - Troy J Stephenson;C Lynne McIntyre;Christopher Collet;Gang-Ping Xue - Functional & integrative genomics (2011)

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