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高糖信号给C4作物光合作用放行
来源:中国科学报 发布时间:2019-11-20

植物通过光合作用产生糖分,形成叶子并生长,然后生产谷物和水果,但糖分积累也会减缓光合作用。因此,研究植物中的糖如何控制光合作用是寻找提高作物产量新途径的一个重要环节。

最近一项对玉米和高粱等高产作物的研究表明,它们高产的秘诀可能在于其对糖的敏感反应。这种反应调节了叶片内的光合作用。相关论文发表于《实验植物学杂志》。

“通过比较我们发现,C4光合作用途径的作物,如玉米、高粱和小米,与小麦、水稻等C3作物相比,使用了不同的糖信号通路来调节光合作用。这可能是它们更具生产力的部分原因。”该研究的领导者、澳大利亚西悉尼大学ARC转化光合作用卓越中心(CoETP)Clemence Henry说。

他解释道,“植物可以通过一套复杂的糖感机制来检测生产和使用了多少糖。如果糖分积累过多,这些机制会关闭光合作用。然而,令人惊讶的是,我们发现,与之前在一些C3作物中所显示的不同,C4作物对高含量的糖分并不那么敏感,这说明反馈机制并不像我们之前想象的那么简单”。

“C3作物的调控机制已经得到了很好的研究,但直到现在,我们还不知道C4作物发生了什么,以及这与它们产生更多糖的能力有什么关系。要知道,C4作物是全球粮食生产中最重要的谷物之一。”CoETP首席研究员Oula Ghannoum表示。

“为了提高光合作用以获得更高的产量,我们需要松开作物的‘刹车器’。这是通过增加光合作用提高作物产量要克服的一个基本难题。”该研究作者之一、CoETP主任Robert Furbank说。

在该研究中,科学家用低(LL)或高(HL)光处理适应中等光强的C4模型植株狗尾草4天,观察其对碳代谢和源叶转录组的影响。LL光合功能受损,信号糖(葡萄糖、蔗糖和海藻糖—6—磷酸)含量降低。相比之下,HL在不抑制光合作用的情况下强烈地诱导了糖的积累。HL对糖水平的影响大于LL。结果还发现,C4源叶中的糖信号通路对光照强度和糖积累的反应可能与C3源叶不同。

研究人员利用光照强度作为增加糖产量的手段,最终确定了负责光合作用调节的基因。而且他们将研究重点放在光合作用发生时产生糖的来源——叶子上,而不是植物利用糖的地方,如谷物、水果。这是一项为数不多的研究。

“这项研究最令人兴奋的一个结果是,如果我们了解糖信号在C4作物中的工作原理,将来当我们把这种增强的光合作用机制转移到小麦和水稻等C3作物上时,就能确保提高它们的产量。”Ghannoum表示。

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/jxb/erz495

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