提高光合作用可以增加农作物的产量.doc

提高光合作用可以增加农作物的产量？STEPHEN P. LONG1, XIN-GUANG ZHU1, SHAWNA L. NAIDU1& DONALD R. ORT21Departments of Crop Science and Plant Biology, University of Illinois, Urbana, IL 61801, USA, and2Photosynthesis ResearchUnit, USDA-ARS, Urbana, IL 61801, USA摘要：粮食作物的产量潜力是单位面积的土地，在无杂草、虫害、病害的最佳生长条件下，获得的种子质量。它取决于可获得的光能产物和由遗传决定的自身性质：光捕获率、光转换率、谷粒获得的生物质量比例。植物育种中的光捕获率和谷粒获得的生物量比例接近理论最大值，光转换率主要取决于光合作用，是仅剩的提高产量潜力的主要方面。但是，比较不同基因型的作物发现，叶片光合速率与产量的相关性很差。这导致一种观点，认为改善叶片的光合作用对提高产量潜力没有什么价值。与此相反，最近很多实验，在当前和未来有计划提高二氧化碳浓度环境下，比较了基因型相同的作物的生长，表明叶片光合作用的增强与产量的增加密切相关。是否有机会通过基因操作实现类似增产。本文探讨了六种可能路线，通过改善光合效率提高光转换率，从冠层结构的改变到二氧化碳受体分子再生的改进不等。总的来说，这些改变能提高光转换率，因此提高产量潜力，高达50%。因为一些改变可通过转基因技术实现，所以商业品种的形成时间将会大大低于常规育种，可能在10-15年之间。关键词：光呼吸；收获指数；全球变化；全球粮食供应；核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶；植物冠层结构；遗传转化；植物育种；作物改良；产量潜力引言2004年，世界上最重要的作物总产量：玉米，823吨；水稻，725吨；小麦，555吨；大豆，186吨；大麦，142吨和高粱，59吨（美国农业部2005年）。这些都是粮食作物，在可见的未来，预计仍是人类和生畜营养的主要来源。从20世纪50年代中期开始，遗传改良，氮肥使用的增加，管理的改善使这些作物的产量潜力和实际产量在全球范围内显著提高（埃文斯1997年）。主要粮食作物的产量从1951年的1.2吨每公顷上升至1993年的2.3吨每公顷（德尔和龙 1985年；埃文斯 1993年；戴森 1996年）。产量潜力被定义为：某一品种在它适应的环境中生长，养分和水分供应没有限制，并且病虫害、杂草、生存空间和其它压力被有效控制的条件下的产量（埃文斯和菲舍尔 1999年）。以玉米为例，在过去的50年中，产量的增加可能约50%归因于遗传的改良，50%归因于管理的改善（达维克 2005年）。正如氮的使用，其它化学品的使用也将达到顶峰，在下个50年，提高产量潜力也许是更为重要的提高实际产量的手段。考虑到环境和经济的限制，产量潜力的进一步提高不能仅通过进一步增加氮肥的使用而实现。本文探讨了产量潜力进一步提高的几种可能。它论述了（1）在过去的50年里，光合作用是仅剩的进一步提高产量潜力的主要特性；（2）当其它因素不变时，提高叶片光合作用会增加产量；(3)分析光合过程效率的理论限制能揭示改进的关键目标；（4）人为设计提高叶片的光合作用和作物产量的定向选择的范围能在相对较短的时间实现。1 增产分析的理论框架提高产量潜力的生理基础是什么？按蒙蒂思（1977）作物的产量潜力和特定地点的初级生产的原则是由Pn = Stic/k (1a)Yp =Pn (1b)决定的。这里St是一年总的太阳入射光照（MJ/）；i是光捕获率；c是光转换率；k是能量储存率（MJ/g）；是收获指数或收获产品得到的生物质量比率。St由地点和年份决定。虽然k在不同植物器官之间变化很小，通常平均是17.5MJ/Kg，但是谷粒含油量很高，会显著提高能量含量，用方程1计算产量时这一点应该考虑在内（蒙蒂思1977年；罗伯茨等 al.1993年）。Pn是初级生产力（即生长季节产生的总的植物生物量）。因此，产量潜力取决于三个效率结合的产物，上述作物主要的生理和结构特性：i，c 和。i 由冠层的生长和荫闭速度，冠层寿命、大小和结构决定。c 由冠层内所有叶片总的光合速率决定，而不是作物的呼吸损耗。由于报道的一年生作物的初级生产力一般是总的地上生物质量，测得的c值比实际值低，因为一些枝叶组织在收获前就脱落了，且没有包括根群。这些因素使一年生粮食作物的理论光转换率降低约20%（蒙特斯 1977年；比德和龙 1985年）。参考方程1，如何取得产量潜力的提高，那些方面可进一步提高？过去的50年，产量潜力的提高主要是通过提高收获指数。现代的谷物品种，谷粒可占收获时总地上生物量的60%（埃文斯 1993年；局1995年）。然而，少量的生物质量必须留在植物体内以确保重要的营养和储备能运送到成熟的谷粒中，解释了细胞壁材料不能被降解的原因。可是，仍有一些方法能进一步提高收获指数（埃文斯 1997年），特别是在单种作物通过分子抑制回避阴影反应（Shlumukovet al. 2001），收获指数超过0.6似乎不大可能实现。通过更早形成树冠覆盖地面提高光捕获率，另外，选择能够吸收更多氮肥而不倒伏品种，也能提高产量潜力。用这些品种在生长季节获得了0.9的光捕获率，同样，进一步改进的余地非常有限（比德尔和龙 1985年）。如果收获指数和光捕获率已经接近上限，那么进一步提高产量潜力只有通过光转换率实现。光转换率取决于光合作用和呼吸作用。理论上，光转换率取决于吸收的光能转换成生物量的效率（即扣除呼吸损失后的光合作用的效率）。本文讨论了增加作物净光合作用的限制因素和方法。但是，首先必须确定光合作用是否限制作物的产量，增强光合作用是否真的提高作物产量。2 叶片光合作用：一个改进的目标？2.1 反对的论据可移动式红外二氧化碳分析仪的出现使根据叶片光合作用速率选择作物基因型成为可能（龙，Farage和加西亚 1996年）。但是，具有影响力的研究质疑叶片光合作用限制作物产量。埃文斯和邓斯通（1970）证明现代面包小麦品种叶片的光合作用速率比其野生型祖先低。其他研究经常指出这种作物产量与叶片光合速率相关性的缺乏（埃文斯1993年，1998年审查）。在这些研究中叶片光合速率和产量之间缺乏相关性并不奇怪，因为这些植物在许多方面，除光合作用，基因型都不同。然而，方程1隐示光合效率对作物产量是非常重要的，整株作物一段时间内的平均光合效率。许多叶片光合作用的调查都是基于单叶片在作物生长某个阶段时的光饱和率上的（龙 1998年）。单叶测量和整个作物测量之间的关系将是复杂的，不直观的。首先，高达50%的作物碳，在光限制条件下，能通过叶片吸收，各种不同的生化和理化性质决定光合速率。（龙 1993）。其次，叶面积的增加常常是通过减少单位面积的投入而达到的，因此，叶片较薄的物种光饱和时的光合速率普遍较低，很简单，因为器官分布得更散（比德尔和龙 1985）。如果作物改良导致叶面积增加，叶片的平均光合速率也许会因自身形体的增加而降低，最大光合速率也会因资源更加分散而降低（埃文斯 1993）。光合作用可被库容量限制（即利用光合产物的能力）。开花后，粮食作物的最大库容量由形成的种子数量和潜在大小决定。库容量下降，由于可能会引起填充颗粒消失，导致光合能力下降（皮特和克雷默 1980）。但是，育种选择能最大限度利用光合能力的品种是可预料的。例如，如果天气有利于增强光合作用，一个有效选择的品种应该有足够的能力形成谷粒利用额外的光合产物。但是，最近一项分析，详细审查了小麦、玉米、大豆的种子填充时在同化能力被控制的情况下种子干重变化的幅度，得出结论：在所有三种作物中产量通常更受库容量的限制，而不是源头（即光合作用）（博拉斯，Slafer和Otegui 2004年）。与埃文斯和邓斯通（1970年）的发现相反，渡边，埃文斯和周（1994年）发现澳大利亚面包小麦品种的叶片光合率和播种时间呈很强的正相相关。产生这种差异的原因可能是后者的研究不是局限于一个品种，而是该物种内一个狭窄的种质范围。在这里，单株叶面积及分布的变化较小，并且叶片光合速率的变化在总或特定叶面积内没有很大的差别混淆。叶片光合速率提高作物产量潜力的潜能只有当其它因素，特别是叶冠层大小和结构，不变的情况下才能评估。但是，辛克莱、裴熙亮和斯内勒（2004年）根据理论推论：即使在上述情况下，当没有额外的氮源时，33%的叶片光合作用增强可转化为18%的生物量增加，和仅仅5%的粮食产量增加，或6%的粮食产量减少。这些结论，叶片光合作用提高作物产量潜力的潜能不大，是在比较不同基因型后得出的，其中叶片光合作用的差异与许多其它遗传差异相混淆（埃文斯和邓斯通 1970；博拉斯等 2004年）或仅限于未经验证的理论分析（Sinclairet 2004年）。总之，叶片光合作用与产量之间没有明确联系，再加上产量受限于库容量而不是光合作用的证据，导致研究人员普遍认为提高叶片光合速率不能提高作物的产量。增强叶片光合作用能否提高产量，这一问题真正切实的实验将使用基因型相同的材料。幸运的是，对大气中二氧化碳浓度增加的关注提供了丰富的这类实验。2.2 关于光合作用和产量之间的联系升高二氧化碳含量的实验告诉了我们什么？二氧化碳浓度升高对C3植物有二个影响：增强叶片的光合作用和减弱气孔对水蒸气的运送（审查，德雷克，冈萨雷斯-梅乐及龙 1997年；龙等 2004年）。二氧化碳的浓度升高增加净叶片光合速率主要通过（1）竞争性抑制核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶的氧化活性，因此抑制光呼吸作用；（2）加速羧化作用，因为在现有二氧化碳的浓度下，二氧化碳结合位点并没有被饱和。欧洲逆境生理和气候试验计划在德国、爱尔兰、英国、比利时和荷兰的7个地点连续三个生长季节，在相似的敞篷室内，二氧化碳浓度为环境浓度（350mol mol1）和高浓度（650mol mol1）的条件下，种植单基因型的春小麦（品种：光塔）（米切尔等 1999年）。在这些地点，旗叶的光合作用-谷粒主要的同化源-平均增加50%，粮食产量增加35%（本德尔、赫日特施泰因和布莱克 1999；米切尔等 1999年）。欧洲逆境生理和气候试验特别有价值，因为它在各种环境中使用相同的基因型。虽然只限于一种基因型，但是它与数百种类似处理，同一基因型的作物在二氧化碳浓度为环境浓度和高浓度的条件下生长，可能得出的结论一致。平均来说，农田或实验室的二氧化碳浓度约增加环境浓度的一倍不会引起叶面积的增加，光合速率升高23-58%（德雷克等 1997），作物产量平均增加35%（金博尔 1983）。最近的统计汇总分析表明大豆在二氧化碳浓度升高的环境下，光合作用和产量平行增加（安斯沃思等 2002年），通过开放式空气中二氧化碳富集的研究，已在完全露天的条件下升高二氧化碳浓度种植作物（安斯沃思和龙 2005）。这些发现非常有力表明持续增加叶片光合作用会提高作物产量。也许有人会说二氧化碳浓度变化引起的产量增加水分损耗减少，水分胁迫或/和呼吸作用的减少也能引起，因为二氧化碳浓度的升高会降低气孔对水分的运输率，因此增加净光合作用。叶片光合作用单独增加而引起产量增加的证据有两个来源：（1）当小麦按最大产量需求在地里灌溉时，在高浓度二氧化碳环境下，产量大幅增加，叶面积变化却不大（金博尔等 1995；品特等 1996），当低地水稻种植在稻田条件下的室内田时，情况也是这样（贝克、艾伦和波特 1990）；（2）C4植物的水分运输率表现出类似C3植物的下降，当在高二氧化碳浓度的环境下生长时，但净光合作用却没有或几乎没有增加（德雷克等 1997年；龙等 2004年，2005年）。C4作物，与C3作物相比，在高二氧化碳浓度并且水源充足的环境下生长时，产量几乎没有或没有增加（甘努、冯克默雷尔和康罗伊 2001年，龙等 2004年，2005年）。这与预期相符，C4作物的光合作用在目前的大气环境下是二氧化碳饱和的（甘努等 2001年）。如果大部分作物的产量潜力是受库容量限制的，而不光合作用，如博拉斯等人（2004）的分析暗示，那么同样高浓度的二氧化碳应该不会引起产量增加。安斯沃思等（2004年），结合基因操纵，在环境浓度和高浓度二氧化碳条件下生长的大豆的，库容能力进一步分析了这种情况。他们指出，在户外二氧化碳浓度的条件下，生长在地里的大豆威廉姆斯品种的光合作用持续增加。然而，为使该系决定产量的容器的大小降低，并抑制二氧化碳浓度升高引起的反应，dt1基因位点得突变。在正常的空气中，这两系的光合作用差别不明显；但是，在高二氧化碳浓度条件下，种子灌浆时定形叶片中的非结构性碳水化合物含量显著增加，等同于光合作用减弱，暗示了库容量限制。当一个正常的决定系品种生长在高浓度的二氧化碳环境下时，它的产量表现与非决定品种威廉姆斯相类似的增加，并且光合能力没表现出任何损失。对这些结果的一个解释是，至少大豆是这样，对库容能力的常规育种选择，通常超过光合能力。如果库容量限制产量，在正常空气中，通过育种使威廉姆斯品种茎轴生殖能力降低将减少产量，并且威廉姆斯品种正常株不能随着二氧化碳浓度的升高而增加产量。这与将C3作物种植在高浓度二氧化碳环境中，包括在户外田地的条件下，产量大幅度增加事实一致（金博尔，小林和宾迪 2002）。这只有产量是光合作用决定，或光合作用和容器的活动相互协调决定才能实现，这样，在早期生长阶段光合作用的增加，也是在高浓度二氧化碳条件下发生，刺激库容量增加避免随后的限制。既然确定了叶片光合作用的增加会提高作物产量，那么是否有办法提高光合效率，而不是等待大气中二氧化碳的浓度升高？3 什么是作物潜在的辐射利用率？在这一节，分析了最大转换效率，主要是最大光合效率，的限制。为讨论可能的改进路线提供了框架。虽然0.9的光捕获率和0.6的收获指数是高的，可能接近最大值，但是据报道，一个生长季节，C3作物的最大光转化率约为0.024，C4作物约为0.034，虽然，在作物一生中的某个短暂的时期内，可能会观察到更高的光转化率。（蒙蒂思 1977年；比德尔和龙 1985年）。对C3作物，最高的短期光转换率约为0.035，C4作物，约为0.043（比德尔和龙 1985年；皮耶达德、Junk和龙 1991年；比德尔和龙 1995年）。以下探讨为什么记录的这些数字看起来是如此低，并证明作物理论并不像我们起初根据这些似乎很低的数字猜想的那样无效。大约50%的太阳能在近红外波长（700纳米）。波长大于700纳米的光子的能量太低，不能使植物光反应中心的电荷分离，因此，在光合作用的有效波段外（表1）。吸收的光被叶片散射，结果一些光子作为反射光重新出现。光子的最低要求在C3植物中是8，波长在700纳米以下（即红色光子具有与紫色光子相同的效果）。但是，波长为400纳米的紫色光子比波长为700纳米的红色光子多含75%的能量。紫色光子额外的能量以热能的形式散失，典型的光化学无效现象（表1）。其他色素，如表皮的花青素，吸收一些光，但不能将这些能量传给光合作用，导致无效吸收（比德尔和龙 1985年）。1摩尔波长为690纳米的光子含173.3KJ的能量，然而，当碳水化合物释放1摩尔的二氧化碳，产生477KJ的能量。因为将1摩尔二氧化碳合成碳水化合物至少需要8摩尔的光子，所以合成碳水化合物的最高效率是：477/(8*173.3)=0.344，在这一步约损失了66%的能量。因为C4途径需要更多的ATP，所以碳水化合物的合成在这里，有更多的能量损失于光呼吸，它氧化了一部分碳水化合物（比德尔和龙 1985年）；应指出这种损失随温度的升高而升高（龙 1991年），表1假定的温度是25C。最后，在所有植物中线粒体呼吸，合成新组织和维持现有的必需的组织，消耗约40%的剩余能量（蒙蒂斯 1977年；吉福德 1995年）。理论上，约0.051的最大光转换率在C3植物中是可能的，C4植物为0.060（表1）。如果，我们将此与观察到的最大值：0.035（C3）和0.043（C4）比较，那么可以看出，这些似乎低的光转换率值实际上约为理论最大值的70%。显然，通过提高光转换率的环境耐受力能增加产量，但是，参照表1，在最佳生长条件下，这些是提高光转换率，从而提高产量潜力的方法吗？表1 通过作物叶片冠层的光合作用将截获的太阳辐射转化成植物的碳水化合物的效率每个阶段的损失率（%）（每个阶段的利用率）剩余率（%）外部入射能的光合有效波段50.0 (0.5)50.0反射和投射光5.0 (0.9)45.0被非光合色素吸收的光1.8 (0.96)43.2光催化合物无效率8.4 (0.8)34.8光合作用类型C3C4C3C4碳水化合物的合成22.8 (0.34)24.8 (0.29)12.010.0光呼吸作用3.5 (0.7)0 (1.0)8.510.0暗呼吸3.4 (0.6)4.0 (0.6)5.16.0光转换率的结果0.0510.0604 增加光合作用的具体方法在最佳条件下，一种基因型作物能达到的最大光转化率会比理论最值低（表1），原因有两个。首先，叶呈光饱和状态，并且，根据定义，能量被浪费，效率下降。这能通过冠层结构改善：在光限制条件下，维持光合效率在最大值，更好的分配光，并在光饱和情况下提高光合速率。后者能通过提高二氧化碳分子受体核酮糖二磷酸(核酮糖)的再生率和羧基的催化率而提高。在25 C，这些变化能使光转化率接近0.051的理论值。其次，通过抑制光呼吸作用也能提高光转化率的理论值（表1）。这可通过将C3作物转换为C4作物或提高核酮糖活化酶对二氧化碳的特异性实现。理论上，在25C， C3作物转换为C4作物光转换率从0.051升至0.060。如果核酮糖活化酶能被设计成完全针对二氧化碳，光转化率将从0.051升至0.073，这次增加更大是因为碳水化合物代谢不需要额外的能量，相对于C4作物的光合作用。这些改变的理论基础和实现的可行性随后逐个讨论。它表明最广为推荐的策略-将C3作物转变成C4作物和提高核酮糖活化酶的特异性-也许是最难达到的，并且，从理论上说，会导致光转换率不高。4.1 改变作物的冠层结构提高光转化率叶片的光合作用并不是随太阳能的增加而呈线性增加（图1）。在C3作物中，当光合作用的光子通量密度（PPFD）约为充足光照的四分之一时，叶片的光合作用就饱和了；因此，捕获的任何高于这个水平的光度都被浪费了。一株成熟，健康的作物的叶片可能会有三层或更多（即大于等于3倍的叶面积指数）。如果叶片接近水平（图1a，植物X），最上层将捕获最多的直射光线，约10%的光线能穿透到下一层，1%能到最后一层。在直射阳光下，植物冠层上部近乎水平的叶片的单位叶面积捕获的光通量将达1400mol/ m2 s，约为饱和光合作用所需量的3倍（图1c）。因此，上层叶片捕获的至少三分之二的能量被浪费了。更好的安排是减少上层捕获的光，使更多的光到达下一层。这可通过使上层叶片垂直些，而最底层叶片接近水平达到，如植物Y（图1a）（诺贝尔，福塞思和龙 1993年）。对一相对水平面有75角的叶片，每单位叶面积捕获的光能为700mol/ m2s，刚好满足光合作用，但是，剩余的直射光（1300mol/m2s）将穿透到树冠的下一层。以这种方式在叶片间分配光能，在正午的阳光下，植物Y的光能使用率是植物X的两倍（Ort和Long 2003年）。但是，这个例子将情况简单化了，因为在热带地区太阳不会一直直射，它的角度在全方位持续改变。当考虑一天内太阳角度的变化，树冠结构的变化具有什么优势？一个光在叶片冠层中传输的生理模型用于检测，一天中随着太阳-叶片之间的几何改变，不同叶片中的光通量（汉弗莱斯和龙 1995年）。然后，按法夸尔，冯克默雷尔和Berry（1980年）的生化模型用测得的光通量预测个别叶片的光合作用，如龙（1991年）所述。统计不同冠层一天内测得的叶片光合作用，得出冠层总的二氧化碳吸收量（Ac）。假设在中纬度（北纬52），仲夏的一天，冠层气温为25C叶面积指数为3。模拟结果表明，植物Y的树冠的光转换率为0.046，相比之下，植物X的树冠的光转换率只有0.033（图1d）。虽然如果太阳持续直射，仅会出一半的增涨（图1d，与Ort和龙 2003年比较），但它仍表明通过控制冠层结构能显著提高转化率。虽然重要，可这一优势因叶面积指数低而不存在或逆转。为设计叶片最有效的分布模式，已研发了数学模型，它被用作选择改良作物的指南。这种方法已成为提高水稻产量的一个主要因素（比德尔和龙 1985年）。以前的具有更多水平叶片的品种如植物X已被新品种取代如植物Y，它们经培育在上层具有更多的垂直叶片（诺贝尔等 1993年）。当太阳直射，且虽然随着它角度变小逐步减弱，但是仍很重要，并在散射光的条件下，冠层的这种形态改变优势最大（图1d 与Ort和龙 2003年相比）。4.2 消除光保护态更迅速地提高光转换率图1b表明光合作用对PPFD的反应是典型的非矩形双曲线反应。随PPFD的增加，光合作用逐渐饱和。但是，叶片继续吸收具有光合活性的有效辐射。这些额外的能量超过了光合作用的能力，如果没某种替代机制释放能量，会对光合器官造成光氧化损害，特别是光合系统II（PSII）的反应中心。这种情况大部分是通过将叶黄素环氧化增加能量的热损耗避免的（龙，汉弗莱斯和Falkowski 1994年；Havaux和Niyogi 1999年；Baroli和Niyogi 2000年）。这个过程增加了光合系统II天线系统吸收的光能的热损耗保护它免受高光照的损害。这种可逆地增加热冷却过程称为光保护作用，它降低光合系统II的最大产能和二氧化碳的吸收量，即光合作用对二氧化碳的吸收速率随光通量的变化而下降的开始（图1b）（审查，朱等 2004年）。此外，它降低了非矩形双曲线反应的凸度（）（图1b）。在高光照的条件下，CO2 和减小对碳获得量的影响微乎其微，当增加的热能消耗保护了光合系统II免受氧化损伤。但是，在低光照的条件下，CO2 和减小会降低碳获得量。当在太阳辐射短暂下降时，需要恢复CO2 和减小，因为，例如当一片云遮住了太阳或随着太阳角度的变化一片叶子处在另一片叶子的阴影处。鉴于，在田里，光不断地在叶冠层波动，这种滞后的恢复对冠层吸收二氧化碳的潜力的代价是什么？为描述冠层的不连续性和光度异质性，朱等（2004年）用反向射线追踪运算法则测量了在典型的冠层中随机选取的120个单独位点的光动力学。因为光保护存于在细胞水平，而不是叶片水平，所以光按104 m的小点模拟而不是按叶片的平均面积。测得的结果与经验公式结合，模拟光依赖性的CO2 和减小与恢复的动力学和它们对整个冠层每日的碳吸收的影响(Ac)。模拟是在天空晴朗，冠层的叶面积指数为3，叶子是随机的倾斜和定向的条件下进行的（东经44度一年第120天）。光保护的恢复延迟，预计30C时减少6.5-17%的Ac，10C 时减少12.5-32%。耐寒品种的Ac值较低；对冷敏感的品种Ac值较高。温度是重要的，因为它降低了光合能力和从光保护态恢复的速率。平均来说，在典型的温带作物的温度下，损失是ca.秩序的15%（朱等 2004年）。当光合作用因胁迫减弱时，光保护造成的损失更大（龙等 1994年）。如果光保护的缓和作用的延迟能被降低或消除，么就能获得更大的光转换率。这可能吗？光保护执行的功能是必不可少的：降低对光合系统II氧化损害的可能性。这本身会降低光合效率，因为在光合效率能恢复前，需要修复，更新蛋白质。从长远来看，持续地过度激发能量会迅速不可逆的光氧化（审查，龙等 1994年）。损失能在没有光抑制和光氧化的风险下减少吗？Falkowski和Dubindky（1981年）确定藻类与珊瑚能经受1.5倍的充足光照，没有证据表明存在最大光合效率损失或光抑制，证明效率的损失不是光合器官的内在要求。关于高等植物，王等（2002年）证明，增加光保护态的恢复速率与“超高产”水稻品种的生物量产量的增加密切相关。恢复速率的增加伴随着叶黄素循环中的中间体的浓度增加。在整个植物物种，高恢复速率的与叶黄素循的环能力有关，包括环化酶（龙等 1994年）。这些发现表明恢复力的上游调节是可行的，并可能已经在水稻中实现。C3作物合成的碳水化合物约有30%通过光呼吸损失掉了（蒙特斯 1977年）。损失随温度的升高面增加，所以在热带气候和温带气候炎热的夏天下，光呼吸对C3作物是一个主要的消积因素（图2）。光呼吸使得核酮糖似乎不可避免地被核酮糖活化酶氧化（审查，佐丹奴，比德尔和拉文 2005年）。除了这一点，光呼吸代谢的目的是回收这个途径转移的碳。阻止光呼吸代谢下游，核酮糖活化酶，只会造成碳进入一条死胡同代谢途径。事实上，缺少任何一种光呼吸相关酶的变异体都会死去，除非生长在低氧或非常高的二氧化碳浓度的环境中，以抑制核酮糖氧化。减少光呼吸的最后一个方法是降低氧浓度。降低氧浓度会提高产量？在高光通量的情况下，光呼吸代谢能消耗过剩的激发能，涉及丝氨酸和谷氨酸的合成，并将还原力从叶绿体转移到线粒体。这使一些人认为光呼吸是正常植物功能所必需的（如理发 1998年；埃文斯 1998年）。但是，耗散过剩能量叶黄素途径更为有效的多。不像光呼吸，这种耗散机制不会大量消耗光反应产生的ATP和NADPH。此外，能量以热能的形式通过叶黄素的消耗是由过剩的光引起的，当光不过剩时作用便停止，是可逆转的。因此，与光呼吸不同，当光不过剩时，它不会持续从光合作用转移能量。此外，光合细胞除光呼吸外有其它途径合成氨基酸，向胞浆转移还原力，这表明所谓“有利”的光呼吸功能在细胞中是多余的（审查，龙 1998年）。而且，将植物种在高浓度二氧化碳的环境里，光呼吸能被消除，对植物并没有损害，它是核酮糖活化酶氧化活性的竞争性抑制剂。例如，小麦在这些特殊条件下，能正常生长，并完成它的生命周期（惠勒等 1995年）。一些温室作物的商业种植者将二氧化碳浓度增加到正常大气浓度的3至4倍（沙拉比等 2002年）。这样抑制了核酮糖活化酶的氧化反应，提高光合效率和最终产量。目前，全球二氧化碳浓度正在上升，这也抑制光呼吸，但是大气变化还包括许多潜在的对作物不利的影响，如气温升高，土壤湿度降低和对植物有害的对流臭氧升高（审查，Ort和龙 2003年；龙等 2004年，2005年）。健康的C4植物通过在核酮糖活化酶位点集中二氧化碳避免光呼吸。虽然以前的论点是矛盾的，但是现在清楚光呼吸不是作物必需的代谢途径。它能被消除吗？有两个可能：将C3作物转化为C4作物或提高核酮糖活化酶对二氧化碳的特异性。4.3 C4植物的光合作用消除光呼吸的一种手段？陆地上的C4植物与C3植物不同，它具有两个不同的光合组织层，一个在另一个的外部，分别包含形态和功能各不相同的叶绿体。这种光合组织内的细胞分化被称为“克兰兹”叶解剖结构。在这种安排下，叶肉聚在内层光合维管束鞘的周围，核酮糖活化酶存在的位置。只有叶肉接触细胞内空域并与大气接触。在磷酸烯酮式丙酮酸激酶的作用下，二氧化碳先在叶肉内被二羧酸化，在被转移到维管束鞘，去羧酸，在核酮糖活化酶位点释放二氧化碳。产生的丙酮酸转移回叶肉，在那里磷酸化提供PEP，完成C4循环。光合作用的C4循环影响一个二氧化碳汞，二氧化碳汞将二氧化碳聚集在核酮糖活化酶周围，比大气浓度高10%（哈奇 1987年；冯克默雷尔 2003年）。这有效地消除了光呼吸，但需要额外的能量维持C4循环（表1）。C4植物的光合作用在种子植物中已经独立进化了至少45次（凯洛格 1999年；西格 2003年）。化石记录的第一个明确的证据恰逢二氧化碳浓度在地球历史中似乎是最低的时候，浓度一直维持只有轻微波动，直到工业革命（Cerling 1999年）。C4植物的多次演变，尽管过程复杂，有力的证明为减少光呼吸，对陆生植物，也许没有其它适应性变异。如果核酮糖活化酶有能提高抑制氧化能力的形式，那么，比起选择需要提供功能性C4光合作用的复杂的综合变化，它肯定是一条更简单的进化路线。表1显示，理论上，C4植物一般比C3植物具有更高的最大光转化率。这种差异随着温度升高而增加，因为作为光合作用一部分的光呼吸增加了（图2），使得这种优势在热带将最明显。事实上，已知生产力最高的自然植物是亚马逊中部的C4类的多年生牧草，净产量能达到100t（干重）每公顷每年（皮耶达德等 1991年；龙 1999年；莫里森等 2000年）。在我们主要的粮食作物中，只有玉米和高粱是C4植物（龙 1998年）。C4植物生理过程是否有理论优势，能转移到我们主要的C3作物上吗？C4植物有消除光呼吸引起的能量损失的优势，但是以额外的能量消耗为代价的，通常每同化一个二氧化碳分子需2个ATP。因为核酮糖活化酶对二氧化碳的特异性和二氧化碳的溶解性随温度的升高相对氧而降低，光呼吸作为光合作用的一部分随温度的升高而升高。在昏暗的光线下，当光合作用线性依赖于辐射通量时，二氧化碳的同化速率完全取决于碳同化的能源需求（龙，Postl和Bohlr- Nordenkampf 1993年；龙 1999年）。C4植物的光合作用同化一分子二氧化碳所需的额外的ATP，与C3植物相比，增加了其对能量的需求（哈奇 1987年）。然而，当C3植物叶片的温度超过25 C时，进入光呼吸代谢的光能将超过C4植物同化二氧化碳所需的额外的能量（哈奇 1992年；龙 1999年）。这意味着在25-28 C以下，C4植物的光合作用在光限制条件下没有C3植物的光合作用效率高即它具有更低的量子产量(CO2)。图3a对此作了说明，其中CO2值按理论计算（龙 1999年）。这与实际测得的情况非常相似（Ehleringer和比约克曼1977年； Ehleringer和Pearcy 1983年）。然而，作物冠层总的光合作用对二氧化碳的同化是光限制与光饱和相结合的。在光饱和情况下，光合作用的效率取决于摄入的二氧化碳的最大量子产量（CO2）和光合作用的最大速率（阿萨特）。在这里，基至在25 C以下，C4植物仍具有优势，因为它的最大光合速率比同量的C3植物叶片高，由于没有光呼吸，如图2所示。是否当温度低于25 C时，在光饱和条件下作物冠层的光合速率越高的后代光限制率越低？注意到一天中，光限制与光饱和时冠层内光合作用之间相平衡的动力学性质。通过结合已确立的C3植物与C4植物光合作用的稳态生化模型（法夸尔等 1980年；科拉茨，Ribascarbo和贝瑞 1992年）和冠层辐射传输模型，能计算出光合作用的日间过程。使用这种方法，图3b显示，当C4植物的光合作用优势随温度降低而减弱时，仍具有模拟冠层每日碳吸收的优势，即使在5 C。因此，即使在凉爽的生长季节早期典型的温带气候温度下，理论上，C4植物的光合作用仍具有一些优势。实际中确实如此，在英国，观察到的具有最高干物质生产力的植物是英格兰南部冷适应的C4类多年生草芒竹，产量达29吨（干物质）每公顷，测得的光转换率有0.039（比尔和龙 1995年；比尔，莫里森和龙 1999年）。至少，这表明随着耐冷性不断改善，即使在寒冷的气候下，如欧洲西北部，玉米的产量也可能超过C3植物。图3b显示，热带的C3作物如水稻，通过工程技术将光合作用的C4循环加入其中，可大幅提高光转换率。基因编码的与C4循环相关的酶已经从玉米和其它C4植物中分离，并已用于，单独或组合，改造水稻和其它C3作物品种（详细审查 雷恩斯 2006年）。虽然，引进的C4酶在许多例子中都是高活性，但是，很少有证据表明，C4植物基因在C3植物中高度表达改变了其光合特性或增加产量（霍伊斯勒等 2002年；Miyao 2003年），只有少数例外（如谢里夫等 1998年；谷等 2001年）。此外，虽然现在能让C3植物在单个细胞内表达C4途径酶，但是C4植物与C3植物的不同不仅在于它们使用C4循环，而且磷酸烯醇式丙酮酸激酶与核酮糖活化酶在空间上是分离的。C4植物的叶肉和维管束鞘细胞之间有一个半渗透性屏障，它限制了释放到维管束鞘中的二氧化碳扩散回叶肉。任何泄漏的二氧化碳必须被重新吸收，增加了同化二氧化碳分子所需的ATP数和能量。图3b假定10%泄漏率（即每10个二氧化碳分子就有一个扩散回叶肉）。如果将整个机制设计在单个细胞内，这已在水稻细胞中进行过尝试（即磷酸烯醇式丙酮酸激酶在细胞质中，而核酮糖活化酶在叶绿体内），二氧化碳的泄漏将会高的多。因此，回收二氧化碳所需的额外的ATP会使最大光转换率远远低于C3植物的光合作用。冯克默雷尔（2003年）从理论证明这种单细胞系统效率是非常低的，因为在核酮糖位点泄漏了大量的二氧化碳。因此，一个单细胞C4系统在光照充足和干旱的条件下，能使植物维持一个积极的碳平衡，但是在光照不足或冠层密集的条件下效率将会非常低。已确定两种天然C4植物的光合过程是在单个细胞内发生的。然而，这些是加长的细胞，磷酸烯醇式丙酮酸激酶和核酮糖活化酶在空间上相距甚远（Voznesenskaya等 2001年，2002年；爱德华兹，弗兰切斯基和Voznesenskaya 2004年）。两者都是炎热半干旱环境中缓慢生长的物种，与冯克默雷尔的理论分析一致（2003年）。虽然，有人提出具用丙酮酸磷酸二激酶（PPDK）和磷酸烯醇式丙酮酸活化酶转化的水稻具有更高的光合速率，但这似乎是气孔孔径增加的结果而不是叶肉内光合能力增加的结果（谷等 2001年）。冯克默雷尔（2003年）的分析结果显示单单只是在C3作物的叶肉中表达C4植物的酶是不足以获得C4植物光合作用的光转换率优势的。这需要对克兰兹结构的整体发展，C4植物和C3植物相关酶的位置，膜上必要的运输体具有深刻的理解。仅是了解C4植物光合作用的发展仍不能确定必要的转化（蒙森 1999年），虽然一种可选择的路线也许涉及寻找一个简单的“基因开关”，当被触发时，会引起克兰兹结构的形成。（瑟里奇 2002年）。目前，一种更可行的方法，在单个细胞内浓缩二氧化碳，可能是利用在藻类中发现的一些成功的浓缩机制（审查，佐丹奴等 2005年）。同样，应当指出有可能提高C4作物在寒冷气候产量潜力。虽然加利福尼亚北部，东经50度的玉米和高粱，与相关的C4类禾本科植物比，表现出低的产量潜力，但M. 竹已被证明具有很高的生产潜力。了解这一点是如何做到的也许对提高我们现有的C4作物的产量是至关重要的（比尔和龙 1995年；奈杜等 2003年）。另一种减少光呼吸的方法是降低核酮糖活化酶的氧化能力，但是，如随后的解释，这可能会导致羧化能力的降低。4.4 提高核酮糖活化酶的效率在考虑如何重新设计植物的冠层时，有人指出，在远低于充分光照的条件下，光合作用在叶片水平就已经是光通量饱和的（图1c）。回到图1c，可以看出，晴天大部分时候太阳辐射超过饱和光合作用所需的光通量。是否有其它方法利用这些过剩的能量？光合作用对太阳能的反应是非直角双曲线的，在低光度时，随着太阳辐射增加迅速上升，但在约为充分光照的25%时就饱和了。为什么会发生这个饱和？几个分析显示，核酮糖活化酶与核酮糖再生能力是相互制约的，C3植物叶片中同化二氧化碳的主要的酶作用物。那么，为什么不提高单位叶面积中核酮糖活化酶的量？核酮糖活化酶已经是作物叶片中含量最丰富的蛋白质，约占叶片可溶性蛋白的50%。计算的量显示也许没有增加其含量的余地了（派克和利兹 1987年）。核酮糖活化酶似乎带有双重不利后果。首先，它催化核酮糖氧化导致光呼吸。其次，核酮糖活化酶的最大催化速率与大多数植物酶相比低得多，这样在C3作物中需要大量的酶蛋白以获得维持高生产力所必需的光合速率。这解释了为什么核酮糖活化酶比其它叶片蛋白的含量多得多。人们早就认识到通过基因改造，增加核酮糖活化酶对二氧化碳，相对氧，的特异性（）能减少光呼吸，从而有可能提高C3作物的生产力。但是，当比较不同光合生物合成的核酮糖活化酶的动力学特性，发现似乎高的核酮糖活化酶的活性中心催化羧基化的最大效率（kcc）较低（班布里奇等 1995年）。从理论上考虑，也表明增加是以kcc的下降为代价的。如果假设，测得的结果暗示了这种可能，kcc与之间是反向相关的，而且，如果增加单位叶面积核酮糖活化酶的浓度不是唯一选择，增加会导致叶片和冠层的光合作用增加吗？朱，波蒂斯和惠特马什（2004年）用数学模型探讨了这些问题。从已报道的不同光合生物的核酮糖活化酶的kcc和值，确定kcc和是反比关系。按法夸尔等人（1980年）的叶片光合作用的稳态生化模型，C3植物光合作用的二氧化碳吸收速率受核酮糖活化酶的最大活性(Vc,max)或核酮糖的再生速率限制，这，反过来，取决于整条链的电子传递速率（J）。如果J是限制因素，增加将增加二氧化碳的净吸收量，因为电子传递链的产物将离开光呼吸而进入光合作用。增加对核酮糖活化酶限制的光合作用的影响取决于kcc和二氧化碳浓度。这在C4植物光合作用中，在冠层水平，具有相矛盾的结果。增加将增加光限制的光合作用，而与之关联的kcc的下降将降低光饱和的光合速率。朱等（2004年）对作物冠层的碳获得模拟了变化的结果，假定kcc是反向变化的。在低光照的条件下，增加导致叶片对二氧化碳吸收增加，但是，在高光照条件，它减少二氧化碳的吸收。一天中，作物冠层总的二氧化碳吸收(Ac)取决于光限制与光饱和条件下的光合作用量。对Ac的模拟显示，目前在陆生C3植物中发现的平均在最适度以上，相对于目前大气中的二氧化碳浓度370 mol mol1，200 mol mol1将是最适合的，它明显接近过去400000年的平均值。这表明，在高等陆生植物中，核酮糖活化酶是适应过去大气中的二氧化碳浓度的，但是，后来适应变慢了，随着二氧化碳的浓度迅速升高，工业革命开始后发生的，适应没能做出相应的变化。关于在增加kcc和提高的条件下，升高二氧化碳浓度有利于核酮糖活化酶的构型选择的论点与对C4植物的核酮糖活化酶的观察一致，即在高浓度二氧化碳环境中，酶功能，与陆生的C3植物相比，具有较高的kcc和较低的（西曼，Badger和贝瑞 1984年；Sage 2002年）。同样，加尔梅斯等（2005年）提出，生活在盐碱和干旱环境中的植物，其叶肉的二氧化碳浓度较低，因为持续的低gs.，它们提供证据表明，这导致，在一些C3植物中，具有更高的核酮糖活化酶构型的选择。朱等（2004年）证明，如果来自非绿藻Griffithsia monilis的核酮糖活化酶能替代目前C3作物的核酮糖活化酶表达，那么，冠层的碳获得能增加27%。这些模拟表明，如果外源形式的核酮糖活化酶能成功在C3植物中表达作物的碳获得也许能得到十分可观的增加。许多证据和理论点否认核酮糖活化酶羧化作用的催化速率与特异性有关。在这种情况下，设计的高特异性的一个间接结果是会降低作物冠层的光合作用，因为低催化速率的不利影响超过特异性增加的有利影响（朱等 2004年）。理想情况是，作物冠层上部暴露于强光照的叶片表达高kcc的核酮糖活化酶，下部处于阴影处的叶片表达高的核酮糖活化酶。大多数一年生C3作物的冠层在逐步升高的水平上形成新叶，所以叶片在冠层的上部开始生长，然后随着新叶从上面长出逐渐被遮蔽。植物叶片通过光敏色素系统平衡红/红外光使遮蔽变得合理。植物激活替代的高kcc的核酮糖活化酶，具有高构型，的一种可能是随叶片被遮蔽激活酶。表2显示，这种系统能将光转换率提高31%，与等量的含当前典型的C3作物的核酮糖活化酶的作物冠层相比。因为，它能降低冠层下部光呼吸的损失，并能提高冠层上部的饱和光合速率。表2 在朱之后关于每日冠层碳获得率的估计和用其他物种的RuBP酶假定转化成C3植物RuBP酶的平均值的推论物种Ac(mmol .m-2. d-1)Ac(%)Asat(umol .m-2. s-1)C3植物的平均流104010014.9(kc c = 2.5, t= 92.5)Griffithsia monilis143012721.5(kc c = 2.6 t= 167)Amaranthus edulis125011728.3(kc c = 7.3, t= 82)A. edulis/current136013128.3(kc c = 2.5, t= 92.5)4.4.1 核酮糖再生如前所述，作物叶片在光饱和条件下的光合作用通常是由Vc,max和核酮糖再生能力共同限制的，核酮糖再生能力在法夸尔等（1980年）的模型中被称为Jmax。这已成为分析C3植物叶片光合作用的标准框架。如果核酮糖活化酶的羧化率增加，那么为获得最在利益Jmax也应增加。到2050年，大气中的二氧化碳浓度将比现在高约50%。这种改变，没有对蛋白质做任何修饰，将提高核酮糖活化酶的效率，通过部分抑制氧化。从动力学的数据，可以得出结果：为维持资源的最佳分配，Jmax/Vc,max需增加30%（龙等 2004年）。有趣的是，驯化的大豆生长在高浓度二氧化碳的地里会引起Jmax/Vc,max显著增加，但是增幅为7%，低于最大响应需要的理论值（贝尔纳基等 2005年）。因此，只是为了使植物适应升高的二氧化碳浓度，增加Jmax也是必须的。与Vc,max不同，核酮糖活化酶的再生不取决于蛋白质的数量或性质，而是整个光合电子传递链和卡尔文中除核酮糖活化酶外的所有酶。通过反义技术形成的特异性蛋白的量稍有下降的转基因植物表明链中的两个位点限制Jmax：电子传递链中的细胞色素b6/f复合物和卡尔文循环中的景天庚酮糖-1，7-复合磷酸酶（SbPase）已被证明有力地控制核酮糖的合成（普莱斯等 1998年；哈里森等 2001年；雷恩斯 2003年）。当然，因特异性蛋白的减少而导致光合作用下降，即使没有多向效性影响，不是野生型植物限制的证据，因为如果存在足够量的几种蛋白支持观察到的活动光合速率，那么反义减少其中的任何一种会导致速率下降。但是，现在已经培育出高度表达一种拟南芥SbPase的转基因烟草植物，其嫩叶，与野生型相比，其光饱和光合速率和每日碳获得显著增加。这些植物的生长速度加快，叶面积和叶生物量增加了30%（阿曼达等 2005年；审查，雷恩斯 2006年）。高度表达针对叶绿体的蓝藻双功能果糖-1，6-二磷酸酶/SbPase的转基因烟草植物也表现出光合效率增加和生长加速。与野生型烟草相比，转基因植物最终的干物质和二氧化碳的固定量据说分别高24-50%（宫川，田茂井和滋丘 2001年）。下一个关键性的挑战是看这些重大成果能否应用于粮食作物的光合作用和产量的增加是否在野外条件同样有效。5 机遇和障碍理论显示，进一步提高主要作物的产量潜力将取决于增加作物的光合作用。虽然其它分析显示增加光合作用与作物的产量之间没