給葉綠體披件“防曬衣”（科技瞭望）

來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)海外版

在北京試驗(yàn)田里，MBS1超表達(dá)稻花香（中間列）相比普通稻花香品種增產(chǎn)達(dá)到20%—30%。受訪者供圖

炎夏正午，烈日當(dāng)空。此時(shí)的農(nóng)田里，多數(shù)作物反而“歇了工”：光照明明最充足，光合作用速率卻不升反降，白白損失掉大量本可積累的產(chǎn)量。這種自1910年被首次記錄的“光合午休”現(xiàn)象，致使全球主要農(nóng)作物平均減產(chǎn)約30%。

光照驅(qū)動(dòng)生命繁衍，過(guò)量光能卻化身破壞者。此后一百多年，植物生理學(xué)家反復(fù)追問(wèn)同一個(gè)問(wèn)題：作物為什么會(huì)在陽(yáng)光最強(qiáng)的時(shí)候“打瞌睡”？有沒(méi)有辦法讓它醒過(guò)來(lái)？

日前，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室李家洋院士團(tuán)隊(duì)的最新成果。研究首次揭示了一種蛋白質(zhì)在強(qiáng)光下能主動(dòng)包裹葉綠體表面、遮擋部分光線的全新機(jī)制，并通過(guò)連續(xù)四年的水稻大田試驗(yàn)證實(shí)，強(qiáng)化這一機(jī)制可使水稻增產(chǎn)。

作物為何“午休”

要理解作物為何“午休”，先要看清葉綠體里發(fā)生了什么。

葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的核心場(chǎng)所，葉綠素在此捕獲光能，驅(qū)動(dòng)二氧化碳和水合成有機(jī)物。一旦光照過(guò)強(qiáng)，葉綠素吸收的能量超過(guò)光合系統(tǒng)的處理能力，多余能量就會(huì)催生出一種極其活躍的分子——單線態(tài)氧。

單線態(tài)氧半衰期只有微秒級(jí)，活性卻極高。一旦過(guò)量，便會(huì)氧化、攻擊光合作用系統(tǒng)，直接造成光合損傷，還能擴(kuò)散穿透葉綠體膜，向細(xì)胞傳遞脅迫信號(hào)。

大田環(huán)境中，正午的強(qiáng)光往往與高溫、干旱疊加，單線態(tài)氧的破壞力被進(jìn)一步放大。葉綠體結(jié)構(gòu)受損，光合效率被迫下降，作物的“午休”由此而來(lái)。

植物并非毫無(wú)還手之力。經(jīng)過(guò)數(shù)億年演化，它們發(fā)展出熱耗散、抗氧化清除、光系統(tǒng)修復(fù)等多條防護(hù)通路。但這些機(jī)制大多是“亡羊補(bǔ)牢”，等到損傷已經(jīng)發(fā)生才啟動(dòng)響應(yīng)，反應(yīng)慢，也費(fèi)能量，面對(duì)田間瞬息萬(wàn)變的光照條件常常力不從心。

有沒(méi)有更主動(dòng)、更高效的保護(hù)方式？

線索藏在一個(gè)只有約110個(gè)氨基酸的超小蛋白MBS1（亞甲基藍(lán)敏感蛋白1）里。論文共同第一作者兼共同通訊作者邵寧早年在德國(guó)求學(xué)，2001年赴弗萊堡大學(xué)攻讀分子遺傳學(xué)，博士后階段在馬普分子植物生理研究所一頭扎進(jìn)萊茵衣藻的活性氧信號(hào)研究。她從藻類中辨認(rèn)出MBS1，注意到它可能是單線態(tài)氧信號(hào)通路上的關(guān)鍵角色。

2016年，邵寧加入中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋實(shí)驗(yàn)室，此后十年，他們圍繞MBS1展開(kāi)持續(xù)研究。

強(qiáng)光來(lái)了，穿上“防曬衣”

光是把MBS1的結(jié)構(gòu)看清楚，就耗去3年。傳統(tǒng)的X射線晶體學(xué)對(duì)此束手無(wú)策，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所周政團(tuán)隊(duì)改用核磁共振，在溶液里一點(diǎn)點(diǎn)“描”出了它的模樣，最終存入國(guó)際蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。

更關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是，MBS1是一個(gè)高度專一的單線態(tài)氧“探測(cè)器”。正常光照下，它分散在細(xì)胞質(zhì)中，安安靜靜。強(qiáng)光一來(lái)，單線態(tài)氧水平升高，原本散落的MBS1迅速“抱團(tuán)”：先聚成流動(dòng)的小液滴，再隨著單線態(tài)氧累積，凝結(jié)成質(zhì)地更黏稠的凝聚體，一層層裹到葉綠體外膜上。

凝聚體能顯著散射光線，減少?gòu)?qiáng)光進(jìn)入葉綠體。換句話說(shuō)，MBS1凝聚體是一件天然的“防曬衣”。它把多余光線散射削弱，從源頭掐斷單線態(tài)氧的過(guò)量生成，將保護(hù)動(dòng)作提前到了損傷發(fā)生之前。

更精妙的是，這套機(jī)制可逆。強(qiáng)光當(dāng)頭，它迅速成形；日頭西斜、光照轉(zhuǎn)弱，凝聚體又自行散去，把蛋白和能量還給細(xì)胞。

“MBS1凝聚體是一套主動(dòng)防御系統(tǒng)，強(qiáng)光來(lái)了自動(dòng)披掛，光照緩和自動(dòng)卸甲。”李家洋說(shuō)，“這種以極低能耗實(shí)現(xiàn)高效防護(hù)的調(diào)控模式，此前從未在植物中被發(fā)現(xiàn)。”

跨越四千公里的田間大考

“基礎(chǔ)研究不是拍拍腦袋就能做出來(lái)的，路線不對(duì)，二十年也白搭。”李家洋說(shuō)。論文署名25位作者，涉及中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所、中國(guó)科學(xué)院生物物理所、崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)、清華大學(xué)等14家單位，這正是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生命科學(xué)“跨學(xué)科、多組學(xué)交叉”的縮影。

實(shí)驗(yàn)室里看清的機(jī)理，最終要回到泥土里檢驗(yàn)。從2021年到2024年，團(tuán)隊(duì)帶著超表達(dá)OsMBS（MBS1的水稻同源基因）的優(yōu)質(zhì)稻品種“稻花香”，連續(xù)四個(gè)生長(zhǎng)季在南北跨越四千公里的海南、北京、吉林、黑龍江四地鋪開(kāi)大田試驗(yàn)。

結(jié)果令人振奮。東北光熱溫和，增產(chǎn)10%至15%；北京居中，增產(chǎn)20%至30%；海南日照最烈、暑熱最盛，增產(chǎn)幅度最高達(dá)到47%。改良后的水稻扛得住正午強(qiáng)光，葉綠體里的單線態(tài)氧明顯減少，強(qiáng)光過(guò)后光系統(tǒng)的恢復(fù)也更快；稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)并未打折，還提前約10天開(kāi)花成熟。

“光越強(qiáng)、增產(chǎn)越明顯，MBS1保護(hù)的正是那些在強(qiáng)光下被白白損失掉的光合產(chǎn)能。我們守住了午間的光合作用，增加的是凈產(chǎn)量。”邵寧說(shuō)。

“現(xiàn)在回看，十年的跋涉是值得的。我們揭開(kāi)了百年的作物‘午睡’之謎，也為未來(lái)的綠色增產(chǎn)提供了一個(gè)全新靶點(diǎn)。”李家洋表示，這恰恰是未來(lái)“育種5.0”時(shí)代智能作物的核心特征——擁有對(duì)環(huán)境動(dòng)態(tài)響應(yīng)的“智能開(kāi)關(guān)”，完美解決了過(guò)去“高產(chǎn)不抗逆、抗逆不高產(chǎn)”的矛盾。

從一個(gè)只有約110個(gè)氨基酸的微型蛋白出發(fā)，穿越十年的潛心攻關(guān)，最終抵達(dá)大田里的金色稻浪。這顆來(lái)自基礎(chǔ)研究的種子，正在走向它更廣闊的田野。（本報(bào)記者 孫海天）

《人民日?qǐng)?bào)海外版》（2026年07月20日 第 09 版）