南京师范大学迟伟团队发现提高水稻光能利用效率与产量的新途径

光合作用是作物产量的“总引擎”。能否通过提高光能利用效率来增加产量，一直是农业科学家的梦想。近日，南京师范大学生命科学学院迟伟教授团队在国际主流学术期刊Plant, Cell & Environment上发表了题为Pale-Green Rice with Enhanced Photoprotection and Yield Potential via the Inactivation of BALANCE of CHLOROPHYLL METABOLISM的研究论文，发现了一个调控水稻叶色的关键基因，能让水稻在合适的时候自动“换上淡妆”，从而提高群体光合效率，并显著增加产量。

早在上世纪40年代，大豆育种学家就注意到一个反直觉的现象：在大田栽培条件下，叶色偏淡黄（pale-green）的品种，反而比叶色深绿的品种具有更强的光合优势。原来，在长期进化中，大多数植物的叶绿素合成其实是“过度投资”的，这是为了在群体竞争中尽可能多捕获光能。但适度降低叶绿素含量，并不会削弱单张叶片的光合能力，反而能让更多蓝光和红光穿透冠层、照到底部叶片，从而提高整个群体的光合效率，但是不能牺牲单叶的光合性能。如何在“单叶效率”与“群体透光”之间找到精妙的平衡，一直是育种学家孜孜以求的目标。

迟伟团队在水稻中发现了一个重要的基因BCM（叶绿素代谢平衡调控因子）。与很多已知的叶色基因不同，BCM有一个非常“聪明”的特点：在幼苗期，BCM基因被破坏后，水稻叶片依然是正常的绿色，不受影响。但到了分蘖期（水稻开始“分叉”、株型变大的阶段），叶片会自动转为淡黄色。这种“发育依赖型”的叶色变化，恰好契合了水稻不同生长阶段的光能需求。在幼苗期，植株矮小，群体遮挡不严重，保持绿色能提供充足能量，让幼苗茁壮成长。在分蘖期：植株变大，互相遮挡加剧。此时叶片适度“变淡”，反而增加了冠层透光率，让中下层叶片也能高效光合。更令人惊喜的是，叶片变黄后，水稻对光抑制的耐受能力不但没有下降，反而明显提高 这意味着在强光下，它能更好地保护自己的光合“机器”。

为了验证这一“智能变色”策略的实际效果，研究团队连续三年对bcm突变体水稻进行了小区试验。结果发现：与野生型水稻相比，bcm突变体的种子明显增大，千粒重显著提高。这表明，通过精准调控叶绿素含量，完全可以在不牺牲单叶光合性能的前提下，提升群体产量。

已毕业研究生李秋信和中国科学院植物研究所季代丽副研究员为共同第一作者，迟伟教授为通讯作者。 该研究得到了国家重点研发计划、江苏省攀登计划、江苏省优势学科等项目资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/pce.70627