光合作用是作物改良的重要目標(biāo)之一。光合葉片中的無機(jī)磷（Pi）作為ATP合成原料并參與光合蛋白調(diào)控以及磷酸丙糖（TP）等光合產(chǎn)物周轉(zhuǎn),葉片中其含量在一定條件下可能成為光合作用高效運(yùn)轉(zhuǎn)的限制因素。實(shí)際上，田間光合作用的磷限制常發(fā)生在抽穗灌漿階段、需要光合作用高效運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)期。 葉片（源）與種子（庫）之間的Pi分配對作物籽粒灌漿有重要影響，然而，Pi在源庫之間如何分配調(diào)控及其對葉片光合效率的影響尚需解析，有效的遺傳解決方案仍有待建立。

2024年8月13日，PNAS在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王鵬研究組與何祖華研究組合作完成的題為“Genetic improvement of phosphate-limited photosynthesis for high yield in rice”的研究論文，發(fā)現(xiàn)水稻OsPHO1;2磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能夠向葉片分配無機(jī)磷，其表達(dá)量與葉片Pi含量、凈光合速率以及產(chǎn)量的增高呈正相關(guān)。

何祖華研究組之前的研究發(fā)現(xiàn)OsPHO1;2控制籽粒中磷的再分配從而影響其灌漿(Ma et al.,2021)。本研究發(fā)現(xiàn)，OsPHO1;2功能缺失突變導(dǎo)致葉片Pi缺乏，光合電子傳遞活性及CO₂同化速率降低，光合作用Pi限制提前發(fā)生；過量表達(dá)OsPHO1;2有效地延長了高光合速率的持續(xù)時(shí)間，從而提高了產(chǎn)量潛力。本研究為OsPHO1;2調(diào)節(jié)葉片中Pi的穩(wěn)態(tài)、TP-Pi反向交換轉(zhuǎn)運(yùn)效率、光合作用的Pi限制等提供了遺傳、生理和生化證據(jù)。此外，對核心水稻種質(zhì)資源的分析表明，與低表達(dá)OsPHO1;2的水稻相比，高表達(dá)OsPHO1;2的水稻與更高的葉片Pi含量、光合作用和產(chǎn)量潛力相關(guān)。更重要的是，對水稻灌漿期葉面噴施磷肥補(bǔ)充Pi，提高了劍葉光合速率，延長了劍葉光合有效期，對籽粒產(chǎn)量的提高有較大貢獻(xiàn)；與葉面施用磷酸鹽相比，OsPHO1;2相關(guān)的遺傳改造策略被證明在調(diào)節(jié)葉片Pi以實(shí)現(xiàn)高效光合生產(chǎn)方面是同樣有效的。

這些發(fā)現(xiàn)表明，光合作用的磷限制可以通過遺傳途徑解除或減緩，OsPHO1;2基因可以用于加強(qiáng)作物的育種策略，以獲得更高的磷利用效率及光合驅(qū)動(dòng)力。因此，本研究不僅揭示了葉片磷分配、光合作用與糧食產(chǎn)量之間關(guān)聯(lián)的新機(jī)制，而且為在有限磷投入的情況下提高作物產(chǎn)量提供了新路徑。

中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心已出站博士后馬斌（現(xiàn)為揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院特聘教授）與張優(yōu)為該論文的共同第一作者,王鵬研究員、何祖華研究員和馬斌教授為共同通訊作者。分子植物卓越中心朱新廣研究員參與了本項(xiàng)工作并提供了水稻微核心群體轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。該研究得到中國科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類和B類），國家自然科學(xué)基金青年基金以及分子植物卓越中心啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。

論文鏈接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2404199121

磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsPHO1;2調(diào)控水稻葉片Pi含量及其光合的作用模式

灌漿過程中，OsPHO1;2通過莖節(jié)將Pi分配給葉片，劍葉中適當(dāng)?shù)?/span>Pi積累持續(xù)促進(jìn)光合光反應(yīng)和碳同化。而OsPHO1;2的功能缺失導(dǎo)致葉片嚴(yán)重的Pi缺乏，從而顯著抑制光合蛋白磷酸化、卡爾文循環(huán)(CBB)組分、ATP和NADPH合成以及TP-Pi反向交換轉(zhuǎn)運(yùn)效率。另外，OsPHO1;2的突變使光合Pi限制的發(fā)生時(shí)間提前，而OsPHO1;2的過表達(dá)則使其延遲，從而延長了高光合速率持續(xù)時(shí)間，提高了籽粒產(chǎn)量。紫色箭頭表示模型中OsPHO1的轉(zhuǎn)運(yùn)功能，棕色箭頭表示模型中SPDT（SULTR-like P distribution transporter）的轉(zhuǎn)運(yùn)功能。

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